信息化油田doc.docx

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信息化油田doc

信息化油田

一、油田数字化与实时信息技术

数字油田展示了油气田开发将进入智能化、自动化、可视化、实时化的闭环新阶段。

数字油田的基本概念和发展方向就是将涉及油气经营的各种资产（油气藏等实物资产、数据资产、各种模型和计划与决策等），通过各种行动（数据采集、数据解释与模拟、提出并评价各种选项、执行等），有机的统一在一个价值链中，形成虚拟现实表征的数字油田系统。

人们可以实时观察到油田的自然和人文信息，并与之互动。

1.数字油田的基础与核心

建立数字油田是一个系统工程，而建立数据银行和信息平台是建立数字油田的基础。

数字油田的核心是将油气发现与开发工作从历史性分类资料的顺序处理改变成实时资料的并行处理，利用实时数据流结合创新型软件的应用和高速计算机系统，建立快速反馈的动态油藏模型，并将这些模型配合遥测传感器、智能井和自动控制功能，让经营者更直接地观察到地下生产动态和更准确地预测未来动态变化，以便提高产量和进行有效的油田管理，实现各种层次的闭环优化管理，最终实现令油田范围的实时闭环资产经营管理。

实际卜，数字油田并不是遥不可及，也是一步步发展与完善的。

目前国外数字油田也仅发展到第三级，逐步向第四、第五级发展。

2.数字油田的关键技术

促进数字油田发展的关键技术主要包括：

①遥测技术，主要包括四维地震监测、重力测量、电磁监测、永久型地面检波器网络和永久型光纤井下检波器等；②可视化技术，包括综合勘探与生产数据的三维可视技术、虚拟现实技术等；③智能钻井与完井技术；④自动化技术；⑤数据集成、管理与挖掘技术；⑥集成管理体系等。

3.数字油田的发展前景

2003年世界著名的剑桥能源研究所}（CERA）公布的一项最新研究成果指出，由多项新型数字化技术构成的数字油田，将在未来5一10年内使令球原油储量增加1250x108bbl，这将超过伊拉克现有原油储量或拉丁美洲的原油总储量，同时能够提高油气采收率2%一7%，降低举升成本10%一25%，提高产量2%一4%。

数字油田技术将大大扩展石油工业的发展空间，为石油行业展示出了一个更广阔、更美好的发展前景。

二、快速发展的实时信息技术

数字油田技术实现了对工作流的提升：

信息存储和展现形式由纸质（Paper）向数字（Digita1）转变；信息处理加工形式由手工（Manua1）向自动（Automatic）转变；地质构造描述由两维（2D）向三维和四维（3Dand4D）转变；数据计算处理由串行（Seria1）向并行（Paralle1）转变；管理协作由功能单元（Functionalsilos）向一体化团队（Integratedteams）转变；知识管理和决策过程由本地分析（Localanalysts）向调用全球专家（Globalexpertise）转变；数据规模由兆字节数据（Megabytesofdata）向千兆字节（Terabytesofdata）转变；关注焦点由宏观（1argegeographies）向微观（Individualassets）转变。

三、三维可视化在石油钻井中的应用

三维立体显影在石油以外的行业，如电影、电子游戏等已经给人们带来了无穷无尽的欢乐。

在石油行业，地质师、地球物理学家利用三维视图技术，将极其复杂的、枯燥的地层数据用简单的图形表达出来，使得不同领域的工作人员之间的沟通变得更加容易和便捷。

在钻井领域，利用可视化技术，可以避免使用一些仅能被有限的专家才能明白的、经常引起混乱的专业词汇。

在钻井过程中，所有的参与者对油井的状况及油井在油藏中所处的位置一目了然。

当一个油田的三维模型建立之后，油井的分布状况也会一并建立，这样钻井工作者即可利用建立的模型指导钻井生产，提高钻井的质量和效率。

可视化在钻井过程中应用的较突出的例子是定向井钻井，定向井钻井工作者更多地被看作是艺术家，而不被认为是工程技术人员。

因为，他们对油井在地下所处的位置及走向了如指掌。

但是，目前油藏开发对油井井眼质量和油井轨迹的要求越来越高，精确度也越来越高。

如在定向井钻井过程中，利用三维显示技术，实时地显示油井的弯曲状况，随时监测井筒是否符合其它设计要求，在油藏中所处的位置，为决策者提供及时准确的信息，并在适当的时候采取必要的措施。

在海上油气田的开发过程中，需要在同一位置钻多口不同方位的定向井，三维立体的油藏模型不仅给设计人员提供了方便，更可以保障井与井之间不会相交。

不仅如此，我们还可以利用立体显示的油藏模型来预警，如井漏、井涌。

因为地质师和地球物理学家的工作是寻找目标层，这些目标层可能是裂缝带或是盐层，为了钻井生产的安全起见，将这些层位明显地标出，提醒钻井工程师在钻遇这些区域时提高警惕，或者采取必要的措施。

在钻井过程中，以往的做法是，钻井工程技术人员在现场按设计的方案施工，随时将钻井进度汇报给设在油公司总部“控制室”，并根据“控制室”的新的指令进行新的施工，在这样的流程中，由于没有可视的参照物，仅有数字或文字，而不同部门的工作人员又有不同工作术语，不免会出现误解或脱节的现象。

利用可视化技术，建立一个让所有参与者都很容易看懂的模型，在井场与“控制室”之间可实现同步准确的交流。

由于有了现代通讯技术，“控制室”不仅可以与一个井场之间，还可实现同时和多个井场之间，以及井场与井场之间的同步交流，这样做的益处是在人力资源上的充分利用。

不难看出，可视化在钻井领域缩短了所有参与者之间的距离。

目前，BP、道达尔、斯伦贝谢、哈里伯顿等大的油公司和服务公司还创建了世界上最快、最大、最先进的钻井三维可视化计算系统。

他们把这称其为虚拟现实，在打井之前或在打井的过程中，应用三维可视化仿真技术可以看到井下发生的真实情况：

钻头到达什么位置了，是否在储层，离气、水界面的距离等。

这样，现场工作人员就能同中心的专家及时沟通，快速做出决策，使钻头自如地追踪并钻达有效的油藏目标，以提高油田开发效率，降低勘探和开发成本。

四、井下信息实时测量与评价技术的新进展

斯伦贝谢公司于90年代中期研制成功近钻头传感器，并将其应用在导向钻井作业中，形成了一种新的导向钻井技术即地质导向钻井技术，并将这项钻井技术向全世界推广。

另外，为发展地质导向钻井技术，斯伦贝谢公司还研制成功测传马达（instrumentedsteerablemotor），为地质导向钻井又增加了新的工具。

地质导向钻井的特点是，由于传感器离钻头较近，因此能实时地把钻头附近的测量数据传送到地面，钻井工程师可根据实时测量数据及时地调整井眼方位和井斜角以确保井眼沿设计轨道钻进。

五、井下数据传输系统的新突破

随着石油工业的不断发展，测井技术越来越显示出其重要作用。

超声波测井作为测井的一种重要方法得到了广泛的应用。

由于测井仪器，特别是井下仪器工作环境的特殊性，使得对其研究和开发也具有特殊的要求。

油井下的直径很小，因此对井下仪器的尺寸要求十分严格，一般来说印刷电路板的宽度不能超过4.5cm。

体积达不到要求再好的仪器也无法在实际中应用。

超声波测井的井下数据传输系统采用双CPU和双端口RAM，尤其是采用先进的PLD器件及1553总线技术很好地解决了井下高速数据采集与传输系统的可靠性、低功耗和小尺寸等问题。

1、系统结构简介

系统采用两片AT89C52单片机分别作为主、从CPU；采用AD公司的高速A/D芯片AD7821进行井下温度、压力和幅值等参数的实时数据采集；选用两片美国Lattice公司的CPLD芯片isPLS1016实现数字信号采集处理接口电路和数据传输中的串并行转换接口电路；然后通过双口RAM（IDT7232）来传输数据。

主CPU及其相关模块主要完成超声波发生器的控制、工作模式切换和数据采集等功能；从CPU主要完成主CPU所采集信号的上传和地面命令字的下传及命令解释，还包括一些监控功能。

CPU对超声波发射装置进行控制，采集回波信号。

由于回波信号的尖峰时刻非常窄，一般不超过1.0μs，所以对A/D的采样时间要求在ns级。

本系统采用AD公司高速A/D芯片AD7821进行采集。

数字信号部分，在启动超声波发生装置的同时产生时延控制信号，以便对回波信号的时间间隔进行计数，进一步测出井下的剩余壁厚等距离参数。

所有采集的信号按一定格式存在双口RAM（IDT7132）内，以备从CPU调用和上传。

2、数据采集的实现

数字信号的采集

系统所需采集的数字信号的频率相差非常大。

其中γ信号的频率在几赫兹到百赫兹之间。

此信号直接进入单片机，用单片机的计数器进行计数，计算后得到频率。

而超声波回的时间间隔只有几微秒，而且是定时产生，每次只出现一个。

这样只能测量其周期。

系统直接采用12MHz晶振信号的四分频作为测量周期的计数脉冲。

除γ信号外的所有数字信号的采集模块完全集成在一片Lattice公司的isPLSI1016内。

这样不仅大大提高了系统的集成度，满足了系统尺寸的特殊要求，而且增强了系统的可靠性和灵活性，方便系统的升级和调整。

模拟信号的采集

对于回波的尖峰值，每次启动超声波发射器后采集一次；而对温度、压力等监控信号，每当7.14Hz的信号对单片机中断后才进行采集。

7.14Hz的信号由外部提供。

由于对精度要求不高，这里采用8位的转换精度。

数据的存储与传输

井下的数据采集频率接近2kHz，数据量非常大，不可能被完全存储下来。

而且井下所需要的也不是全部数据，当发出数据上传命令后的前一个周期的数据为所要求的数据。

这个周期信号即为上面提到的由外部提供的频率为7.14Hz的控制信号。

因此在数据存储时，把RAM分成两种，0000～0fff为第一块，1000～1fff为第二块。

主CPU对两块存储区进行交替存储。

7.14Hz信号接到中断上，并采用边沿触发方式。

每次中断后，主CPU将改变各种相关参数。

例如改变存储数据的RAM初始地址，即上一次是第一块则这一次为第二块，反之亦然。

同时对P1.3口取非，即通知从CPU，主CPU正在写那一块RAM，以避免以CPU读取数据时发生读写冲突。

系统采用双口RAM作为CPU之间传递数据的中介，其结构图如图3所示。

由于双口RAM的高速存取，使大量数据能够及时地传输。

命令下达与数据上传

当从CPU接收到地面下传的命令之后，进行解释并通知主CPU。

考虑到信号传输的可靠性，井下与地面之间的通信使用1553总线协议。

1553总线的传输速率能达到1MHz以上。

曼切斯特编码作为信道编码，提高信号传输的抗干扰能力。

为方便实现曼切斯特编码以及总线接口，系统采用了专用曼切斯特编码/解码芯片HD-6408。

HD-6408与CPU的接口用一片Lattice1016来完成。

1016主要完成数据的串并行转换，以及6408编码/解码所需的外部时序。

1016直接挂在从CPU并行总线上，从CPU通过对外部数据存储空间的读写来完成命令字的接收和数据的上传。

仿真测出的剩余壁厚为0xbb即187，与预计的结果一致。

在系统传输可靠性测试中，误码率在10-9以下，由于井下条件恶劣，实际应用中会略高。

六、数字化油田技术机遇和挑战

数字化油田系统为各个能源公司和其供应商之间实现信息交流和自动化操作提供了一种基于网络的解决方案，使油田操作管理中一些复杂的工作流程简单化并且使各个相关部门进行团队合作，从而合理有效的利用各种油田资源，提高资源利用率和经济效益。

无论是勘探、钻井、开发、决策还是销售部门，利用油田数字化系统，可以大大的提高生产效率。

现在很多数模、试井、地理信息系统、油气藏动态分析、油藏经营管理系统等石油工程软件已经发展得比较完善，但是这些软件分析都是相对独立的，所有这些软件的相关数据得不到很好的综合利用。

很多人认为石油工程信息技术的发展方向是将这些相对独立的系统集成起来以更好的进行综合分析和动态预测来支持决策和信息共享。

数字化油田系统的产生和发展顺应了这一发展趋势，数字化油田系统是以系统集成、信息共享、分布式网络、安全稳定的数据为宗旨，以信息技术为支撑，油田信息为数据源，以互联网为传输媒介，以管理决策和信息共享为目标的现代化油田信息管理系统。

我国的油田数字化系统起步比较晚，大多数还停留在以二层C/S模式的体系基础之上。

而二层C/S体系结构本身的局限性是限制数字化油田系统发展的一个重要因素。

因此寻求一种新的体系模式来开发数字化油田系统是十分必要的。

催生数字油田的技术包括：

应用控制论的高效算法设计（Efficientalgorithmdesignthroughapplicationofautomatatheory）、人工神经网络、模糊逻辑和遗传算法的应用（Useofneuralnetworks，fuzzylogicandgeneticalgorithms）、面向对象编程技术（Object-orientedprogramming）、软件成熟度模型和结构化设计软件工程的严格应用（RigorousapplicationoftheSoftwareMaturityModelandStructuredSoftwareEngineering）、基于实用软件工程和基础计算机科学的方法学（Methodicalapproachesbasedonpracticalsoftwareengineeringandbasiccomputerscience）、关注于科学与工程一致性的实施（Focusonimplementationofsolidscientificandengineeringprinciples）、使用现成的组件（Useofoff-the—shelfcomponents）。

数字油田的主要研究内容包括：

数字油田的总体技术框架、地理信息系统（GIS）在油田的应用、多学科地质模型研究、勘探开发业务与信息一体化模式、信息基础设施体系、企业信息门户（Portal）、海量数据存储方案、虚拟现实技术的应用、数据与应用系统的标准体系、企业的数字化概要模型、信息流、业务流、物流、知识管理、协同环境、决策支持等业务模型、人力资源的数字化、数字油田的发展战略等。

数字油田技术的前沿领域（Frontiers）包括：

四维和全波地震处理解释（4Dandfull—waveseismicprocessingandinterpretation）、地震和油藏模拟之间的转换（Scaleresolutionbetweenseismicandreservoirmodeling）、自动油气发现（Automatedhydrocarbondetection）、闭环控制（Closingthelooptoautomatedcontro1）、管理软件开发（Managingsoftwaredevelopment）。

七、数字化油田技术特点与适用性分析

油田信息化或者初级数字化的历程，大约可以划分为几个阶段。

每一个阶段都有一次大的飞跃。

第一次，在20世纪50年代至70年代，广泛采用油井测井纪录仪和二维地震数据处理解释技术，进行地质构造解释，第一次飞跃带来了生产力的大提高，在70年代达到顶峰。

第二次，从80年代早期，引入三维地震技术。

80年代中期，工作站产生了革命。

80年代后期到90年代初，3D地震成为主导，但是仍为计算孤岛（Islandofcomputing）。

但数据量呈指数方式增长，生产力产生第二次飞跃。

据估计，20世纪80年代所获测井及地震数据总量平均每年少于lOOTb，而到90年代则达500，到20世纪末则达lO00Tb，真可谓是数据爆炸。

人们以60％一70％的时间去查找数据。

90年代后期，3D可视化技术推动了勘探开发的一体化。

后来，基于因特网等技术的协同工作方式不仅实现了实时综合解释，而且推动了实时钻井的决策支持。

向四维地震技术和油藏模拟分析技术发展。

三维是静态的．四维加上时间后变为动态，“4D地震”通过不同时间某地的多重三维检测点来描述地质结构，2l世纪初被广泛应用并达到高峰。

90年代早期和中期。

重视石油数据的标准化，于1994年成立了石油技术开放标准协会（PetrotechnicalOpenStandardsConsortium，Inc．POSC）。

90年代后期，IT投入和消费加大。

20世纪末和2l世纪初（1993—2003），解决了实时业务和集成业务问题，即第三次飞跃，国外称为I2（information，Integration）企业。

即由单一过程的集成到整个E&P（勘探、开发）的集成。

集成的层次又分为：

l、数据集成（低级）；2、操作群体内，如油藏描述和钻井的工作流程集成；3、不同操作群体间的过程集成（横向）；4、公司内的资源分配集成。

目前，大约有20％多的石油公司达到了第一层集成。

2l世纪初，将扩展到75％的石油企业；并且可能有50％的石油企业完成第二层集成，30％的企业达到第三层集成，有20％以上公司达到第四层集成。

油田信息化的高级阶段一数字油田产生发展的过程，大概分为以下阶段。

①准备阶段，即在20世纪90年代前。

油田企业向机械化、电气化、自动化、信息化、数字化、可视化、智能化、集成化方向发展，为数字油田的出现奠定了技术和应用基础。

②萌芽阶段，即20世纪90年代一世纪之交。

勘探开发一体化、可视化或虚拟现实、智能井（smartwel1）技术日趋成熟。

ERP、电子商务的应用进入石油业。

信息集成、数据挖掘等技术推进了数据资产化和数字油田理念产生的进程。

③起步阶段，即世纪之交一2005年底。

其标志是2000年2月剑桥能源研究会（CERA）召开的题为“数字油田——新一代油藏管理技术”的大会。

20o3年2月，CERA以“将来的数字油田”为题发表报告，倡导利用IT技术，广泛地实现油田勘探、开发、生产的集成化、效率化、最优化和实时化。

而且预言，由于利用数字油田技术。

今后5一l0年，可以新增石油储量1250亿桶。

还指出今后发展的5项新技术。

即以4D地震为代表的远程测量传感技术（RemoteSensing）、使复杂数据一元化表示的可视化技术（Visualization）、智能钻井、完井技术（IntelligentDrillingandCompletion）、自动化技术（Automation）和信息集成技术（DataIntegration）。

尽管数字油田的观点、认识、概念很多，产品、方案也开始出现，但成熟的成功的应用实践还不多。

④发展阶段，即从2005年底起。

以2005年l0月在美国达拉斯举行的石油工程师协会（SocietyofPlasticsEngineers，SPE）年会为标志。

发表了Sell、Chevron等数字油田的应用实践案例。

现在，已有25个不同的“SmartField”项目在世界各地实施。

Sell公司从2000年一2004年已经完成200口智能井，今后三年还要计划完成660口智能井。

TotM公司装备了目前世界上最先进、大容量、高速的虚拟现实系统，可处理2PB（1P=1015）的数据。

而且，IDC作的2006年石油工业十大技术预测，将数字油田排第6位。

广义数字油田的结构划分为环境层、数据层、专题库层、模型层、应用层、集成层和战略层七个层次，其中数据层包含源数据子层、专业主库子层和数据仓库子层三个分层次。

（1）、环境层

环境层是数字油田的最底层，主要是指信息化基础设施，包括计算机系统、网络、电子邮件等公共系统。

它为数字油田提供全方位的信息技术支持。

（2）、数据层

数据层处于数字油田结构的底部，为数字油田提供数据支持。

数据层的主要内容是各类数据库和非结构化数据体以及组织、管理这些数据的基础平台（数据仓库等）。

这些数据是构建油田模型的基础信息，主要包括基础地理信息数据和油田研究、生产、经营管理数据。

数据层被分成三个子层，各个子层的数据由下至上逐渐集中。

源数据分布在整个油田的各级单位和岗位，但以基层为主。

源数据库系统是数字油田的前端信息采集器和存储器。

专业主库是以油田工程和管理单元划分的若干类源数据的汇总，可供一定范围内的单位使用，并由他们进行日常管理。

数据仓库的作用是完成油田各类数据的整合与调度，它的一个重要部分是元数据库。

（3）、专题层

专题层主要包括各类专题数据库。

专题数据库是指面向不同应用或研究主题而专门抽取的项目数据库或专题数据库。

实际上，专题库中的内容在数据层已经存储，设置专题库是为了应用方便和保证数据层的稳定性以及相对独立性。

这种双层数据结构的合理性已经被有经验的用户群普遍认可和被实践所证明。

（4）、模型层

该层定义油田的地质模型和企业模型。

这些模型是在丰富的信息基础（数据层和专题库层）上建立的。

通过模型实现数字油田的仿真和互动功能。

地质模型以数字地球模型为参考和基础。

（5）、应用层

应用层由油田的石油专业和经营管理两方面的各个应用系统组成，解决油田科研、生产、经营管理的实际问题。

应用层以软件系统为主，是最复杂的一层。

（6）、集成层

在集成层，利用企业信息门户等技术把整个应用层及以下各层的应用系统整合起来，实现完整的数据油田的统一入口。

（7）、战略层

战略层是数字油田结构的最高层，是整个数字油田的方向主导者。

在战略层，要依靠数字油田建设达到企业再造的目的。

战略层制定数字油田的整体性方案与建设策略。

数字油田与油田企业总体战略目标的关系

企业战略是有层次的。

一般情况下，一个企业的战略层次包括三个层次：

企业总体战略、经营领域战略和职能战略。

而且，各个战略层次不是孤立的，而是互动的，并形成完整的企业战略体系。

企业总体战略对经营领域战略和职能战略具有指导意义，而经营领域战略和职能战略对企业总体战略具有支持作用。

信息化战略是整个企业战略体系中的一项职能战略。

但是，广义数字油田战略不仅是作为职能战略的信息化战略，同时也是公司总体战略的一部分。

可以说广义数字油田战略是总体战略与职能战略的混合体，与其它的职能战略相比，数字油田战略具有较高的地位。

因此，广义数字油田发展战略既需要作为企业总体战略的组成部分进行宏观分析，同时还需要作为职能战略进行具体的规划和计划，并使之成为企业总体战略实施与控制的关键内容之一。

这也正是广义数字油田发展战略与一般意义的信息化战略的区别所在。

数字油田建设是油田公司战略目标和油田生产经营实际的需求，有其深刻的应用和技术背景，可见明确的现实意义。

八、数字化油田技术实际运用分析

1.大庆油田

大庆油田有限责任公司企业网（Intranet）基础平台于2000年基本搭建完成，建成了遍布大庆油田公司、厂、矿、小队的三级高速计算机网络、统一管理的电子邮件系统、域名服务器、文件传输服务器等。

同时，作为大庆油田有限责任公司外联网（Extranet）的大庆石油管理局企业网、国内各油田企业网、中国石油天然气股份有限公司企业网等也都达到了相当的规模。

近年来，大庆油田公司建立健全了信息化建设的组织机构，形成了公司、厂（分公司）、矿（大队）、小队（组）四级信息化管理体系。

2003年初，大庆油田公司调整了信息化建设领导小组，公司所属各二级单位也调整或组建了本单位的信息化建设领导小组。

该小组具有对大庆油田公司信息化建设的全面领导职能。

信息中心在领导小组的部署下实行信息化建设的统一规划、统一管理、统一组织和统一实施工作。

信息中心于2002年制定了《大庆油田有限责任公司2003-2005年信息化建设总体规划》，2003年初该规划在公司决策层获得通过，数字油田建设目标得到进一步明确。

（1）专业数据库与应用系统

①大庆基础地理信息系统

该系统启动于1996年，以WindowsNT作为网络环境，采用C/S模式，以MGE为GIS平台，以Oracle为底层数据库操作系统，并利用MicroStation的核心CAD开发语言（MDL）和VB、VC＋＋等开发形成。

该系统达到了在海量数据源基础上的油田勘查、测绘以及油田地面建设规划设计工作的实际需要。

其主要功能包括：

a、大庆油田基本地形图（1：

2000与1：

5000）的存储、管理、维护

b、为油