CN111126735B - 一种钻井数字孪生系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻井数字孪生系统，系统包括：数据获取模块，其配置为获取地面和井下传感器的实时测量数据；地质参数解释模块，其配置为对所述井下传感器的实时测量数据进行实时解释，获取实时地质环境解释；钻井工程实时计算模块，其配置为基于所述地面和井下传感器的实时测量数据，实时计算获取实时钻井工程数据；井筒仿真计算模块，其配置为根据所述实时测量数据、所述实时地质环境解释以及所述实时钻井工程数据进行钻井过程仿真计算，输出井筒实时仿真数据以及井缘岩体实时仿真数据。相较于现有技术，基于本发明的系统，不仅能大大减少工作人员的工作量、提高工作效率，而且能提高钻井施工作业的安全性。

Description

一种钻井数字孪生系统

技术领域

本发明涉及地质勘探领域，具体涉及一种钻井数字孪生系统。

背景技术

在现有技术中，在油气勘探开发进程中，钻井是必不可少的一环。由于地下状况与地面状况的差异性，钻井施工的方式明显有别与地面施工，地面施工的工艺以及设备很难直接应用与钻井施工，这就使得钻井施工的施工难度以及施工现场的复杂程度远远大于地面施工。

在当前的钻井施工过程中，工作人员通常是基于现场数据，在施工现场判断当前的施工进度以及施工状态。然而，由于钻井施工现场的复杂程度高，施工设备众多，在下上井下环境的复杂性等原因，导致施工现场获取的数据不仅数据量大并且种类繁多，施工人员很难快速准确的基于现场数据准确判断当前的施工进度以及施工状态，从而降低钻井施工效率，严重时甚至会引发安全隐患。

发明内容

本发明提供了一种钻井数字孪生系统，所述系统包括：

数据获取模块，其包含测量传感器接口，所述数据获取模块配置为通过所述测量传感器接口获取地面和井下传感器的实时测量数据；

地质参数解释模块，其配置为基于预测的地质参数对所述井下传感器的实时测量数据进行实时解释，对所述预测的地质参数进行修正，获取正钻或待钻井眼段的实时地质环境解释；

钻井工程实时计算模块，其配置为基于所述地面和井下传感器的实时测量数据，实时计算获取实时钻井工程数据；

井筒仿真计算模块，其配置为根据所述实时测量数据、所述实时地质环境解释以及所述实时钻井工程数据进行钻井过程仿真计算，输出井筒实时仿真数据以及井缘岩体实时仿真数据。

在一实施例中，所述数据获取模块还包含：

虚拟传感器接口，其配置为在非真实钻井情况下，获取模拟成为时间序列数据的设计或预测的虚拟钻井数据。

在一实施例中，所述数据获取模块还包含：

测量参数汇聚接口，其配置为将所述实时测量数据以时间为纽带进行归集，形成完整的时间数据序列。

在一实施例中，所述数据获取模块还包含：

数据校验及预处理模块，其配置为对所述实时测量数据进行预处理并实时输出预处理结果，其中，所述预处理包括统一量纲、数据格式标准化、数据合法性校验及处理和/或无效数据处理。

在一实施例中，对所述预测的地质参数进行修正，其中，修正的地质参数包括地层压力、岩性和/或可钻性。

在一实施例中，实时计算获取实时钻井工程数据，其中，所述实时钻井工程数据包括井筒环空压力、钻压、扭矩、钻柱拉力、环空流速、岩屑状态和/或气侵状态。

在一实施例中，所述系统还包括：

评估模块，其配置为根据所述实时测量数据、所述实时地质环境解释以及所述实时钻井工程数据进行实时的钻井效率和潜在风险评估。

在一实施例中，所述系统还包括：

设备仿真计算模块，其配置为获取设备状态数据，结合所述实时测量数据、所述实时地质环境解释和/或所述实时钻井工程数据生成钻机设备实时仿真数据。

在一实施例中，所述系统还包括：

显示设备，其配置为根据所述实时测量数据、所述实时地质环境解释、所述实时钻井工程数据以及所述钻机设备实时仿真数据展示钻井现场的实时仿真场景。

在一实施例中，所述系统还包括：

仿真操控装置，其配置为提供设备仿真操控界面，利用所述设备仿真操控界面获取操控指令并输出。

本发明的系统可以方便准确的展示钻井施工现场的状态；相较于现有技术，基于本发明的系统，不仅能大大减少工作人员的工作量、提高工作效率，而且能提高钻井施工作业的安全性。

本发明的其它特征或优点将在随后的说明书中阐述。并且，本发明的部分特征或优点将通过说明书而变得显而易见，或者通过实施本发明而被了解。本发明的目的和部分优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的步骤来实现或获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1以及图2是根据本发明实施例的系统结构简图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此本发明的实施人员可以充分理解本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程并依据上述实现过程具体实施本发明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

在现有技术中，在油气勘探开发进程中，钻井是必不可少的一环。由于地下状况与地面状况的差异性，钻井施工的方式明显有别与地面施工，地面施工的工艺以及设备很难直接应用与钻井施工，这就使得钻井施工的施工难度以及施工现场的复杂程度远远大于地面施工。

在当前的钻井施工过程中，工作人员通常是基于现场数据，在施工现场判断当前的施工进度以及施工状态。然而，由于钻井施工现场的复杂程度高，施工设备众多，在下上井下环境的复杂性等原因，导致施工现场获取的数据不仅数据量大并且种类繁多，施工人员很难快速准确的基于现场数据准确判断当前的施工进度以及施工状态，从而降低钻井施工效率，严重时甚至会引发安全隐患。

针对上述问题，本发明提出了一种钻井数字孪生系统。在本发明的系统中，基于施工现场获取的数据，利用计算机自动计算生成与现场场景完全对应的数字孪生场景描述。这样，工作人员不需要进行大量的人工数据分析就可以通过数字孪生场景描述简单方便的直接了解现场状况。本发明的系统可以方便准确的展示钻井施工现场的状态；相较于现有技术，基于本发明的系统，不仅能大大减少工作人员的工作量、提高工作效率，而且能提高钻井施工作业的安全性。

具体的，在一实施例中，将实际的钻井场景分为两大部分(其一是地质环境，其二是施工进程)，分别对这两大部分进行数字模拟。

具体的，如图1所示，在一实施例中，系统包括数据获取模块110、地质参数解释模块120、钻井工程实时计算模块130以及井筒仿真计算模块140。

数据获取模块110包含测量传感器接口111，数据获取模块110配置为通过测量传感器接口111获取地面和井下传感器的实时测量数据。

具体的，在一实施例中，测量传感器接口111连接到地面和井下测量传感器。测量传感器是指钻井现场安装的用于测量各种参数的传感器，包括地面参数测量系统(如综合录井仪：包括深度传感器、泵冲传感器、转速传感器、大钩负荷传感器、立压传感器、扭矩传感器、泥浆流量传感器、泥浆温度传感器、泥浆密度传感器、气测传感器等)、井下随钻测量系统(如MWD/LWD/FEWD/DWD，包括轨迹测量传感器、井底压力传感器、地层压力探测传感器、随钻测井传感器、钻具动力学传感器等)。

地质参数解释模块120配置为基于预测的地质参数对井下传感器的实时测量数据进行实时解释，对预测的地质参数进行修正，获取正钻或待钻井眼段的实时地质环境解释。

具体的，在一实施例中，地质参数解释模块120修正的地质参数包括地层压力、岩性和/或可钻性。

钻井工程实时计算模块130配置为基于地面和井下传感器的实时测量数据，实时计算获取实时钻井工程数据。

具体的，在一实施例中，钻井工程实时计算模块130实时计算获取的实时钻井工程数据包括井筒环空压力、钻压、扭矩、钻柱拉力、环空流速、岩屑状态和/或气侵状态。

井筒仿真计算模块140配置为根据实时测量数据、实时地质环境解释以及实时钻井工程数据进行钻井过程仿真计算，输出井筒实时仿真数据以及井缘岩体实时仿真数据。

进一步的，考虑到在某些应用场景中，系统并不是针对实际的钻井现场进行数字孪生模拟。因此，在一实施例中，数据获取模块还包含虚拟传感器接口，虚拟传感器接口配置为在非真实钻井情况下，获取模拟成为时间序列数据的设计或预测的虚拟钻井数据。

具体的，在一实施例中，虚拟传感器接口连接到虚拟传感器，虚拟传感器是指在非真实钻井情况下，将设计或预测的数据模拟成为时间序列数据进行推送，形成虚拟的传感器。

进一步的，考虑到在实际的应用场景中，地面和井下传感器的实时测量数据包含众多不同的数据类型(例如，每一个传感器的采集数据都有其自身对应的数据类型)，多个不同种类的数据的组合很容易导致数据混乱难以整理，这就为之后的数据处理工作带来了难度。针对这一问题，在一实施例中，数据获取模块还包含测量参数汇聚接口。测量参数汇聚接口配置为将实时测量数据以时间为纽带进行归集，形成完整的时间数据序列。

进一步的，在一实施例中，为了进一步降低数据处理分析过程中的数据处理压力，数据获取模块还包含数据校验及预处理模块。数据校验及预处理模块配置为对实时测量数据进行预处理并实时输出预处理结果，其中，预处理包括统一量纲、数据格式标准化、数据合法性校验及处理和/或无效数据处理。

进一步的，在一实施例中，为了进一步提高钻井施工的工作效率以及安全性，系统还包括评估模块。评估模块配置为根据实时测量数据、实时地质环境解释以及实时钻井工程数据进行实时的钻井效率和潜在风险评估。

进一步的，在一实施例中，评估模块还配置为基于钻井效率和潜在风险评估结果生成并输出控制决策，从而指导操控人员。

进一步的，在一实施例中，系统还对钻井施工现场的设备状态进行计算模拟。具体的，在一实施例中，系统还包括设备仿真计算模块。设备仿真计算模块配置为获取设备状态数据，结合实时测量数据、实时地质环境解释和/或实时钻井工程数据生成钻机设备实时仿真数据。

进一步的，在一实施例中，为了方便快捷的展示针对钻井施工现场数字孪生模拟结果，系统还包括显示设备。显示设备配置为根据实时测量数据、实时地质环境解释、实时钻井工程数据以及钻机设备实时仿真数据展示钻井现场的实时仿真场景。

具体的，在一实施例中，显示设备是为钻井专家和控制人员提供钻井过程实时观测的核心模块，基于测量数据、计算数据和操控数据，对地面钻机、井下岩石、井筒、流体、钻具及其实时动态的状态或动作进行三维逼真显示，为用户提供一个地上地下一体化的钻井虚拟仿真场景，使人员可以在计算机上“看着地下打井”。

进一步的，在一实施例中，系统还构造了针对钻井现场设备的操控系统。具体的，系统还包括仿真操控装置。仿真操控装置配置为提供设备仿真操控界面，利用设备仿真操控界面获取操控指令并输出。

进一步的，在一实施例中，仿真操控装置配置为基于实时测量数据、实时地质环境解释、实时钻井工程数据和/或钻机设备实时仿真数据提供设备仿真操控界面。

具体的，在一实施例中，仿真操控装置是钻井数字孪生系统的人机交互部分，该装置是一个允许人工操作的软件模块或者是一套物理操纵杆，实现对钻井设备及工具的仿真操作，其实质上是对钻井参数的实时调整控制，包括钻具组合、地面钻压、钻杆转速、地面扭矩、泵速、钻井液排量、钻井液性能参数、起下钻柱速度、定向工具面方向等。

进一步的，考虑到钻井现场的设备种类繁多，通过计算机直接控制钻井设备势必涉及到不同种类设备间的控制信号冲突处理。因此，在一实施例中，系统还包括设备操控指令接口。设备操控指令接口是钻井决策控制者(人或软件)与钻井设备之间的信息通道，其配置为将仿真操控装置生成的控制指令按照规则发送给钻机设备及井下工具控制系统，实现自动控制钻井。

具体的，在一实施例中，钻井设备包括钻机设备及井下工具控制系统。具体的，包括：钻机设备指井架、循环系统、起升系统、动力系统、循环系统、传动系统、控制系统、钻机底座、辅助系统等八大系统；井下工具指钻杆、钻头、定向工具、动力钻具以及各种钻具附件。钻机设备及井下工具控制系统即是对上述设备的控制伺服系统(或称钻井机器人)。

本发明提出了一种用于实钻控制的钻井数字孪生系统。本发明的系统在钻井施工过程中，在后方构建一个虚拟的钻井现场，为后方钻井指挥和远程控制人员提供一个地上地下一体化的临境式、全方位的实时观测、远程控制手段，从而实现远程控制钻井、自动化钻井。

具体的，如图2所示，在一实施例中，图左侧为钻井现场，图右侧为根据本发明一实施例的系统。系统通过现场总线和/或网络连接与钻井现场连接。

具体的，测量传感器接口211连接到钻井现场的测量传感器201(其包含多个地面和井下测量传感器)，测量参数汇聚接口213将测量传感器接口211获取到的多个地面和井下测量传感器的实时测量数据以时间为纽带进行归集，形成完整的时间数据序列。数据校验及预处理模块214针对测量参数汇聚接口213归集的数据进行统一量纲、数据格式标准化、数据合法性校验及处理以及无效数据处理，实时输出规范合法的数据集。

地质参数解释模块220以事先预测的地质参数为基础，对井下测量的数据进行实时解释，进而得到修正后的地质参数，包括地层压力、岩性、可钻性等，即得到正钻或待钻井眼段的实时地质环境解释。

钻井工程实时计算模块230基于地面及井下的实时测量数据，实时计算井筒环空压力、钻压、扭矩、钻柱拉力、环空流速、岩屑状态、气侵状态等，获取实时钻井工程数据。

井筒仿真计算模块240根据实时测量数据、实时地质环境解释以及实时钻井工程数据进行钻井过程仿真计算，输出井筒实时仿真数据以及井缘岩体实时仿真数据。

设备仿真计算模块270从钻井现场的钻井设备202处获取设备状态数据，结合实时测量数据、实时地质环境解释和/或实时钻井工程数据生成钻机设备实时仿真数据。

显示设备260针对井筒实时仿真数据、井缘岩体实时仿真数据以及钻机设备实时仿真数据进行可视化处理，对地面钻机、井下岩石、井筒、流体、钻具及其实时动态的状态或动作进行三维逼真显示。

评估模块250基于实时测量数据、实时地质环境解释以及实时钻井工程数据，进行实时的钻井效率和潜在风险评估，进而生成并输出控制决策，用以指导操控人员(基于显示设备260进行控制决策的输出)。仿真操控装置280基于井筒实时仿真数据、井缘岩体实时仿真数据以及钻机设备实时仿真数据构建仿真操控界面，获取工作人员的操控数据，生成操控指令。操控指令由设备操控指令接口290发送给钻井设备202。

本发明提出了一种用于实钻控制的钻井数字孪生系统。系统通过利用虚拟仿真技术、控制技术、钻井工程建模技术，实现钻井过程中的钻机设备、工具、井筒状态及人员操作的实时可视化映射及人机交互，通过高速远程网络传输实现现场测量数据与后方操作指令的传递将数字孪生系统同钻井现场相关设备的连接，达到所见即所得的钻井远程控制的目标。

具体的，根据本发明一实施例，在一应用场景中，钻井开始之前，将钻井地面井下的各种测量传感器接口与本系统的测量传感器接口相连，将现场钻机及井下工具的控制系统同本系统的设备操控指令接口相连，将用于实现本发明系统功能的软件代码安装加载在服务器上，将仿真操控装置以及显示设备(配备三维虚拟现实显示大屏)安装在钻井远程控制中心的工作站并连接到服务器。

钻井开始之后，钻井专家和控制人员通过显示设备实时观测实钻过程，可调用服务器中的评估模块得到推荐的钻井优化方案，将决定操作的指令通过仿真操控装置进行执行(也可以将指令传达给现场人员，有现场人员进行操作)，控制现场钻井。

具体的，根据本发明一实施例，在一应用场景中，对于在待钻井(或待钻井段)，模拟成为时间序列数据进行推送，形成虚拟传感器。不连接设备操控指令接口(或断开仿真操控装置与设备操控指令接口的连接)。将用于实现本发明系统功能的软件代码安装加载在服务器上，将仿真操控装置以及显示设备(配备三维虚拟现实显示大屏)安装在钻井远程控制中心的工作站并连接到服务器。

模拟钻井开始，钻井专家和控制人员通过显示设备实时观测实钻过程，并将决策指令通过仿真操控装置进行执行，该操作及其相关响应可在显示设备看到，帮助专家预知该方案钻井过程中的潜在问题，从而进一步优化方案，或者使施工团队提前演练钻井过程。

根据本发明的系统，可构建出一套数字化、电子化的由现场钻井系统孪生的与现场钻井系统完全一致的虚拟钻井系统，包括钻井设备、地质环境、钻井实时状态、钻井控制，可用于临境式钻井实时观测与远程控制。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。本发明所述的方法还可有其他多种实施例。在不背离本发明实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变或变形，但这些相应的改变或变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种钻井数字孪生系统，其特征在于，在钻井施工过程中，在后方构建一个虚拟的与施工现场场景完全对应的数字孪生场景描述的钻井现场，为后方钻井指挥和远程控制人员提供一个地上地下一体化的临境式、全方位的实时观测、远程控制手段，从而实现远程控制钻井、自动化钻井，所述系统包括：

数据获取模块，其包含测量传感器接口，所述数据获取模块配置为通过所述测量传感器接口获取地面和井下传感器的实时测量数据；

地质参数解释模块，其配置为基于预测的地质参数对所述井下传感器的实时测量数据进行实时解释，对所述预测的地质参数进行修正，获取正钻或待钻井眼段的实时地质环境解释，其中，修正的地质参数包括地层压力、岩性和/或可钻性；

钻井工程实时计算模块，其配置为基于所述地面和井下传感器的实时测量数据，实时计算获取实时钻井工程数据，所述实时钻井工程数据包括井筒环空压力、钻压、扭矩、钻柱拉力、环空流速、岩屑状态和/或气侵状态；

井筒仿真计算模块，其配置为根据所述实时测量数据、所述实时地质环境解释以及所述实时钻井工程数据进行钻井过程仿真计算，输出井筒实时仿真数据以及井缘岩体实时仿真数据；

仿真操控装置，其配置为提供设备仿真操控界面，利用所述设备仿真操控界面获取操控指令并输出，所述仿真操控装置是钻井数字孪生系统的人机交互部分，该装置是一个允许人工操作的软件模块或者是一套物理操纵杆，实现对钻井设备及工具的仿真操作，其实质上是对钻井参数的实时调整控制；

所述数据获取模块还包含：

虚拟传感器接口，其配置为在非真实钻井情况下，获取模拟成为时间序列数据的设计或预测的虚拟钻井数据；

数据校验及预处理模块，其配置为对所述实时测量数据进行预处理并实时输出预处理结果，其中，所述预处理包括统一量纲、数据格式标准化、数据合法性校验及处理和/或无效数据处理。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据获取模块还包含：

测量参数汇聚接口，其配置为将所述实时测量数据以时间为纽带进行归集，形成完整的时间数据序列。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

评估模块，其配置为根据所述实时测量数据、所述实时地质环境解释以及所述实时钻井工程数据进行实时的钻井效率和潜在风险评估。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

设备仿真计算模块，其配置为获取设备状态数据，结合所述实时测量数据、所述实时地质环境解释和/或所述实时钻井工程数据生成钻机设备实时仿真数据。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

显示设备，其配置为根据所述实时测量数据、所述实时地质环境解释、所述实时钻井工程数据以及所述钻机设备实时仿真数据展示钻井现场的实时仿真场景。

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