新疆油田钻井远程监控系统设计与实现

张德君，魏 伟，刘永杰，刘明艳

（1.新疆油田数据公司，新疆 克拉玛依 834008；
2.新疆克拉玛依红有软件公司，新疆 克拉玛依 834000）

在油气田的勘探、开发中，一口井仅钻井一项投资少则千万、多则上亿，而钻井工程又是一项隐蔽的地下工程[3],由于受到油气勘探技术水平的限制，对地层认识存在极大局限性以及受到工程不当操作影响等，因此极易造成井下事故复杂情况的发生，轻者耗费大量人力物力和时间,重者导致全井的废弃。因此，亟需针对每口井实时获取的钻井数据进行实时监控实时分析，及时预警诊断漏、喷、塌、卡、设备异常等井下事故复杂发生前的异常表征，从而避免井下事故的发生，极大降低非钻井作业时间与成本，实现对钻井作业的降本提质增效。自壳牌公司提出“智慧油田”概念后，数字孪生、智能化钻井已经成为国际向协同化、高效化、一体化石油钻井技术发展的重要手段，哈里伯顿4.0系统已经开始将数字化转型付诸行动，通过软件、硬件、人工智能、机器学习和井下传感器等信息融合判断，极大提高了准确性、安全性。国内[1]在这方面建设还处于初级阶段，在数据挖掘、分析、展示上还存在一些不足。为保障国家能源安全，新疆油田公司提出了“1500万吨原油产量”的奋斗目标。随着加大准噶尔盆地南缘勘探力度和提高玛湖致密油、吉木萨尔页岩油气田开发速度，风险探井、重点井和长水平段水平井数量越来越多，施工难度越来越大，存在着钻井速度慢、安全钻井难度大、现场管理层级多等难题，通过国内外钻井逐渐向数字化、智能化发展的趋势证明，利用远程传输数据对钻井过程进行实时监控、实时优化，是油气企业实现安全钻进和提速提效的必要保障，因此亟需建立“钻井远程监控系统”。基于新疆油田已经开展的现场钻井、录井、LWD/MWD实时传输工作，充分利用和挖掘油田现场实时数据价值，对风险探井、重点井和长水平段水平井的钻进过程实施全程跟踪监控，提升油田公司对钻井作业现场的管控能力。为钻井施工提供远程技术支持和决策。

在以往的单体式（Monolithic）钻井软件设计架构中，系统通常采用分层架构模式，往往存在以下问题：对系统的任何修改都必须对整个系统重新部署升级，运维成本高；
在系统负载增加时，难以进行水平扩展；
当系统中一处出现问题，会影响整个系统。为了解决这些问题，微服务架构应运而生。微服务是一种服务端的架构模式，是一种将单个应用程序作为一套小型服务来开发的方法，每个服务都运行在自己的进程中，并与轻量级机制（通常是HTTP、RPC调用资源API方式出现）进行通信。这些服务是围绕业务功能构建的，可以通过全自动部署机制独立部署。这些服务的集中管理最少，可以协同不同的编程语言进行系统集成，并使用不同的数据存储技术。简单来说，微服务架构风格是要开发一种由多个小服务组成的应用。每个服务运行于独立的进程，并且采用轻量级交互。多数情况下是一个HTTP的资源API。这些服务具备独立业务能力并可以通过自动化部署方式独立部署。这种风格使最小化集中管理，从而可以使用多种不同的编程语言和数据存储技术。

微前端是一种类似于微服务的架构，它将微服务的理念应用于浏览器端，即将Web 应用由单一的单体应用转变为多个小型前端应用聚合为一的应用。各个前端应用可以独立运行、独立开发、独立部署。微前端的概念由ThoughtWorks于2016年提出，此后很快被业界所接受，并在各互联网大厂中得到推广和应用。微服务与微前端有很多相似之处，都是希望将某个单一的单体应用，转化为多个可以独立运行、独立开发、独立部署、独立维护的服务或者应用的聚合，从而满足业务快速变化及分布式多团队并行开发的需求。微服务与微前端不仅仅是技术架构的变化，还包含了组织方式、沟通方式的变化。微服务与微前端原理和软件工程，面向对象设计中的原理同样相通，都是遵循单一职责(Single Responsibility)、关注分离(Separation of Con⁃cerns)、模块化(Modularity)与分而治之(Divide & Con⁃quer)等基本的原则。单页面应用（SPA，Single-page Application）则指只有一个主页面的应用，浏览器一开始要加载所有必须的html,js,css。所有的页面内容都包含在这个所谓的主页面中。但在写的时候，还是会分开写（页面片段），然后在交互的时候由路由程序动态载入。

通过在云端平台部署以微服务微前端单页面为主的钻井远程监控系统，以具体的钻井应用为驱动，形成远程监控、大数据分析、工程辅助决策、随钻地质导向、远程技术支持等多个服务场景，实现为“数字钻井”保驾护航。

1.1 系统总体架构设计

采用新疆油田公司统一微服务技术架构实现，在能力开放平台的基础上进行应用功能的开发，其总体架构如图1所示。

图1 总体架构图

为了解决数据仓库不能处理非结构化数据和报表开发周期长的问题，所以优先把企业所有的数据都抽取出来放到一起，成为一个大的数据集，其中有结构化数据、非结构化数据等。当业务方有需求的时候，再把他们需要的若干个小数据集单独提取出来，以数据集的形式提供给数据应用。

1.2 技术架构设计

在技术架构设计方面，本文主要把整个系统根据业务拆分成若干个子系统或微服务。每个子系统可以部署多个应用，多个应用之间使用负载均衡。借助服务注册中心，将所有的服务都在注册中心注册，负载均衡也是通过在注册中心注册的服务来使用一定策略来实现。同时将所有的客户端都通过同一个网关地址访问后台的服务，通过路由配置网关来判断URL由哪个服务处理。请求转发到服务上的时候使用负载均衡。服务与服务之间采用模块调用的方式进行功能实现。

在技术应用方面，本文使用SpringCloud Config 配合公司的配置管理平台进行统一的配置管理，通过在服务接口处添加Hystrix 标签，就可以实现对这个接口的监控和断路器功能。通过Hystrix Dashboard 监控面板，可以监控各个服务上的服务调用所消耗的时间等。通过Turbine 可以帮助我们把所有的服务实例的监控信息聚合到一个地方统一查看。避免重复打开页面进行反复查看。

1.3 功能架构设计

钻井远程监控系统共分为五部分，其中主要包括监控预警、地质导向、钻井优化、固井分析、异常处理。

通过监控预警功能，对钻井过程的数据进行实时监控、分析井下是否有发生事故发生的可能，并根据实际参数变化情况，及早调整或制定相应施工处理方案，减少或避免钻井事故复杂情况发生；

通过地质导向功能，可根据MWD实时传输数据，绘制工具面（包括MTF 及GTF）随时间变化图，随深度变化图，可提供复合钻进时狗腿度与钻压、转速的关系图，实钻轨迹与设计轨迹对比图（2D 沿水平段方向投影剖面图、平面俯视图），可计算实钻轨迹与设计轨迹空间相对位置；

通过钻井优化功能，集成钻井优化软件，以对井下环境进行详细诊断。实现利用综合录井数据计算地层可钻性等岩石破碎力学参数，为钻头选型实时优化提供依据；
利用综合录井参数及钻速方程实时优化钻压与转速等参数。执行自动和实时的优化解释计算，为专家做快速和有效的决策提供需要的信息，克服了传统的优化不能满足实时工艺过程的缺点；

通过固井分析功能，模拟固井施工，可实现注水泥作业环空浆柱结构设计、水泥浆用量计算、注水泥过程模拟分析和注水泥过程实时监测分析。可实现泵压、排量优化、固井流体流变模型自动优选、固井过程动态模拟等计算，从而保证固井作业安全进行；

通过异常处理功能，为现场人员提供钻井起钻、下钻、卡钻、压井、井眼清洁、解卡等可靠的计算结果，及时模拟计算复杂处理作业关键参数。

1.4 微服务架构设计

基于钻井业务特性与业务要求，采用以下原则进行微服务划分：

（1）单一职责原则。一个单元（类、方法或者服务等）只应关注整个系统功能中单独、有界限的一部分。单一职责原则可以实现更敏捷地交付。

（2）服务自治原则。每个微服务应当具备独立的业务能力、依赖于运行环境。在微服务架构中，服务是独立的业务单元，应该与其他服务高度解耦。每个服务从开发、测试、构建、部署，都应当可以独立运行，而不应该依赖其他服务。

（3）轻量级通信原则。微服务之间应该通过轻量级通信机制进行交互。轻量级通信机制应该具备体量较轻的特点，其次是它应该是跨语言、跨平台的。而本文应用的REST协议，就是典型的“轻量级通信机制”。

（4）粒度先粗后细原则。微服务架构的演进是一个循序渐进的过程。在演进过程中，常常会根据业务的变化，对微服务进行重构，甚至是重新划分，从而让架构更加合理，最终形成完善的能力开放平台。

2.1 监控预警

监控微服务主要包括多个WEB 功能设计，如：综合监控、实时曲线、整米曲线、设计对比、设计资料、地层对比、井口装置、井身结构、钻井液、钻头钻具、井眼轨迹、进度时效、复杂提示、油气显示、萤光草图、气测后效、现场资料、邻井对比、工程计算等功能模块。通过一个综合监控主页面的SPA（Single-page Applica⁃tion）应用，将所有页面内容都包含在这个主页面中，在进行交互的过程中，借助路由程序进行动态载入。综合监控主页面如图2所示。

图2 钻井监控

2.2 地质导向

实时地质导向：提供实时数据在地层中的模拟，如图3所示，可提示钻头离地层的距离，提高钻遇率。

2.3 钻井优化

如图4所示，钻井优化功能通过集成人工智能流处理引擎，通过非线性回归获得钻井液高温高压流变性、螺杆钻具输出扭矩性能，并根据钻压、转速、螺杆压差、机械钻速、测井声波曲线、伽马曲线建立神经网络模型，预测新井机械钻速。从而实现钻井优化的自动化和智能化。

图4 参数优化效果

2.4 固井分析

如图5所示，通过泵压、排量优化、固井流体流变模型自动优选、固井过程动态模拟等计算，模拟固井施工，保证安全固井。

图5 固井分析

（1）现场应用表明，钻井远程监控系统能满足新疆油田钻井作业监控和优化分析的需求，可用于提升新疆油田钻井作业现场的管控水平。

（2）基于.Vue、ECharts 及 elementUI 等微前端技术，并联合SPA 解决方案集成的钻井远程监控系统软件，具有高内聚、低耦合、独立部署、易于集成等特点，极大提高了钻井远程监控系统可靠性及可维护性。

（3）钻井远程监控系统计算时所需的数据主要来自现场和设计数据的自动推送，大大减少了数据录入工作的工作量，方便了钻井工程技术人员的应用。

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