石油钻具全程动态监控预警管理系统研究与应用

目前，国内油田在钻具管理方面主要有两种基本管理模式:其一是实行钻具定队管理，即不论井队所钻井深和井身结构是什么状况，都使用一套钻具，这一套钻具一般被视为一个质量等级，钻具好坏不分、“从一而终”，该模式难以使钻具资源得到合理利用；其二是实行钻具分级管理，即对在用钻具根据使用情况定期检测分级,新购进钻具分到井队钻到一定当量进尺后，利用钻具综合检测设备进行检测，根据检测结果和钻具技术状况，按钻具质量分为一级、二级、三级，同级别钻具存放在一起。钻井队使用钻具时，根据不同区域、不同井深、不同井型对钻具的不同要求,配备使用不同级别钻具,从而使钻具达到最佳使用效果，但是，该办法也只能做到钻具的成套检测与初级管理，而不能对每一根钻具的使用情况进行准确跟踪和分析，而且人工识别检测效率低，准确性差,难以满足对钻具精细化、信息化管理的要求。

随着钻井市场竞争日趋激烈以及深井、探井、高难度井的日渐增多，石油钻井操作对钻具的要求也逐步提高。而国内油田目前的钻具管理模式已经成为钻具管理精细化发展的技术瓶颈，很大程度上阻碍了油田钻具管理科学化的发展。为彻底防止因钻具管理弊端所造成的问题，有必要寻找一种新型钻具动态管理技术,并建立相应的信息管理系统，提高钻具管理的效率及准确性，为安全钻井、高效生产提供帮助。

1  系统主要研究内容

本系统釆用技术成熟而且已被广泛应用于仓储、物流等领域的RFID无线射频识别技术，来开发针对钻井现场及井下恶劣环境的RFID芯片钻具植入和防护技术,为每一根钻具建立一份独一无二的“电子芯片标签”，实现钻具电子信息全生命周期的动态管理，同时通过全过程的信息化管理，为钻具优化使用提供科学依据，提高钻具的使用水平，降低因钻具超负荷使用引起的井下故障，有效提升胜利油田钻具管理水平。主要进行以下几方面的研究：其一是RFID电子芯片植入钻具及其防护的技术研究。该技术可将RFID芯片植入钻具，以RFID无线射频技术为理论依托来开发油田基于物联网技术的钻具全程动态监控预警管理系统。该部分必须考虑石油行业的特殊性。首先是芯片的安装不影响钻具的正常使用，同时芯片安装要保证牢固,不致于随钻井和物流环节的变化而从植入的钻具中脱落;还要在苛刻的井下环境和复杂工况下(如电磁、高温、高压、腐蚀、震动、表面污物等)，RFID芯片信息不会丢失或出错；此外，井场或作业现场环境识别和数据储存，还需要配有读写仪器设备。

其二是钻具全生命周期流程管理的研究。要实现钻具全程动态监控预警管理,应必须能够跟踪每一根钻具的实际应用情况。而要对钻具实现有效跟踪，还需要从油田管具公司的钻具制造出来开始,为其在油田系统内建立一个钻具全流程的管理网络,并能覆盖钻具的釆购、出入库、物流、钻井现场、检测分级、报废等各环节，确定每个环节的管理流程，以及每一个节点的钻具信息。

此外,还要进行基于物联网技术的钻具全程动态监控预警管理系统的研究，通过研究钻具全生命周期的流程管理，建立钻具全过程动态监控预警管理系统,从而实现钻具全生命周期的全程动态监控管理。

2  系统的开发设计

在本石油钻具全程动态监控预警管理系统的开发设计过程中，通过前期的调查研究，并经过认真详细的剖析、分解后，从而确定出四个项目开发的技术关键点和五个核心技术构成。

2.1  开发关键技术

本系统的开发关键技术如下：

(1) RFID电子芯片植入钻具及其防护技术；

(2) 钻具在油田的全生命周期流程管理技术；

(3) 钻具RFID电子芯片在每个环节的信息读取技术；

(4) 基于物联网技术的钻具全程动态监控预警管理系统的建立及其辅助技术。

2.2  核心技术构成

将RFID电子芯片植人钻井钻具时，必须考虑RFID芯片的安装不能影响钻具的正常使用，同时，芯片安装要牢固，不能随钻井和物流环节的变化而脱落;在苛刻的井下环境和复杂工况下，芯片信息不会丢失或出错;井场或作业现场环境识别和储存数据,需要配有便携或手持仪器设备;钻具管理应采用具备数据库功能的软件，以提高效率，同时要能为综合评价钻具提供数据服务。

按照上述设计理念,基于物联网技术的钻具全程动态监控预警管理系统的核心技术构成如图1所示。该系统的核心技术包括钻具RFID电子标签技术、移动数据釆集技术、芯片植人和防护技术、钻具数据库软件技术、钻具跟踪评价技术等。

2.3  钻具全生命周期管理流程

从图2所示的石油钻具管理流程图上不难看出，钻具全生命周期系统流程可分为管具公司和钻井队两部分，在图2中，使用RFID电子标签记录信息的管理节点也包括管具公司钻井队两个。

管具公司负责安装RFID芯片并录入相关信息,以及入库、出库的性能检测等。

钻井队则负责入井队记录、井口使用记录、现场检査记录。

2.4  RFID标签的植入和读取

(1) RFID标签的安装位置及方式

RFID芯片按信息读写方式主要可以分为三种类型:一是读写型即一次写入多次读取型；只读型。可以按芯片电源类型分为被动式内部无电源和主动式内部有电源两种。其中只读型芯片内部存有所谓“硬代码”的字母数字编码组合。经过苛刻的环境可测试安装在钻具中的各种类型芯片，发现在钻井过程中,钻柱内残留磁场会破坏可读写芯片的信息，因而不适合钻井使用。因此,钻具必须采用被动只读型芯片，以防止任何外界干扰改写数据，这种芯片的信息安全性最高。

(2) RFID标签的安全防护

标签在实际使用和物流过程中，通常存在条件苛刻的井下作业环境和复杂工况，如电磁辐射、高温150°C以上、高压105MPa、震动、表面污物以及酸、丙酮、碱液等化学腐蚀等，可能会造成芯片的损坏和信息丢失。为了满足特殊应用环境的要求，标签应选用耐高温、机械性能优异、自润滑性好、耐化学腐蚀、阻燃等特点的聚醍醍酮(PEEK)材料作为RFID标签的外壳封装材料。为防止在物流运输和钻井振动过程中标签脱落的，应将标签进行嵌入式安装固定。

(3) 系统的物理架构

本系统分三个数据库分级管理，分别是钻井公司总数据库、管具公司数据库、钻井队数据库，三个数据库间相互关联。服务器中运行的IIS可为各权限用户提供互联网信息服务。图3所示是本系统的物理构架图。

3  经济效益分析

本系统完成后，可实现基于物联网技术的钻具全生命周期动态监控预警管理系统，该系统可为油田石油钻具管理提供先进的管理模式。应用本系统能够为钻具的新度指标和钻具寿命预测、钻具利用、钻具质量及供应商评价等决策提供有效依据，并可有效提高工作效率、缩短钻井周期、降低钻井成本、保证安全生产，为油田的生产和经营带来巨大的社会效益和经济效益。

4  结语

基于物联网技术的钻具全程动态监控预警管理系统，对于国内钻井市场来讲，还是一个空白领域，但我们相信,随着石油石化行业信息化管理和精细化管理观念的深入发展，以及对信息化管理手段需求的越来越强烈,本文介绍的钻具全程动态监控预警管理系统，可实现钻具电子信息全生命周期的动态管理。同时，通过全过程的信息化管理，可为钻具优化使用提供科学依据，提高钻具使用水平，降低因钻具超负荷使用引起的井下故障，有效提升石油钻具管理水平，为实现数字化油田、信息化油田和智慧油田的发展目标起到积极的作用。