过去十年，许多行业都觉察出数据驱动作业优化的优势。钻井行业正处于这一趋势的前沿，并且涌现出越来越多的数据应用来提高钻井性能。
由于钻井数据均来自钻井承包商、第三方系统以及井下工具，因此现场会以信息流形式传输大量数据。利用这些数据源的最大驱动力是设备监控、钻井性能与环境空间方面的种种举措。
许多数据提供商却面临一个共同限制，缺乏这些数据源的集成。如今，可用于分析不同系统数据的解决方案非常有限。这导致监控特定趋势或作业指标的劳动力成本很高。
考虑以上问题，Patterson-UTI公司希望推动一项开发工作，将钻井控制系统（DCS）、电子钻井记录仪（EDR）和晨报数据整合到单个数据集中，用于编制自定义警报，以提高作业效率。规则引擎交换（REX）是公司级分析平台的一项交互式功能，用户可在其中创建、订阅包含多个数据集的警报，通过短信、电子邮件与在线界面方式发送警报通知。
图1.图例为REX系统的电子邮件与短信通知。开发团队为确保系统的可用性，要求REX功能能够以多种方式向终端用户发送此类通知。
01. 设计与开发
在REX的设计过程中，主要目标是确保应用价值，以证明这项开发工作的合理性。确定并采访利益相关者，以调整功能要求。选择了管理、安全、运营、设备管理、营销和井队等部门的负责人，确保整个公司都参与到新功能的开发中。初始要求包括：
1、利用公司目前拥有的PTEN+门户解决方案以及大数据基础设施；
2、提供一个平台，用户可订阅、创建整合了EDR、DCS与晨报数据的相关警报；
3、通过短信、电子邮件或在线界面发送通知（图1）；
4、具有基于警报状态变化的可选发送方式，以减少警报疲劳；
5、能够使用简单的算法与表达式为不同技术背景的广泛受众编写警报；
6、为钻井工程师/分析师提供集成编程语言，以编写高精度的警报并分享给团队；
7、为在平台内编写警报的客户提供IP保护。
用户界面（UI）包含三个页面：当前警报、警报激活与警报创建。
在“当前警报”页面（图2）中，用户可以在联机界面中查看和管理警报。用户可以像管理电子邮件收件箱一样管理其警报，方法是标记为已读、筛选、搜索，以查看警报趋势。
图2. “当前警报”页面示例，是REX用户界面中的三个页面之一。在此页面上，用户可以以类似于管理电子邮件收件箱的方式查看与管理警报。可将警报标记为已读，也可对其进行筛选或搜索，以查看警报趋势。
在“警报激活”页面（图3）中，用户可订阅 Patterson-UTI公司、用户组所有成员或自创建提供的所有可用警报。用户通过选择所需钻机来激活警报。通过展开警报界面，用户可以阅读警报的描述并选择其首选的通知发送方法。
图3.警报激活页面示例，用户在该页面可激活警报。如果用户希望阅读完整描述，则可以展开警报界面。此页面还支持用户选择首选的通知发送方法。
一些新颖的功能有助于为终端用户提供最佳体验。首先，如果用户希望更改警报的特定参数而不更改底层代码，则可以使用动态变量。第二，用户可将其警报设置为在警报打开或关闭时收到通知，并且无论警报的状态如何，都可以连续发出通知。第三，用户利用循环计时器可设置时间框架，以在一个通知中接收所有已选钻机的所有警报。结合这些功能，REX可以减轻许多人员的警报疲劳。
警报创建页面（图4）分为简单规则表达式选项卡与规则脚本选项卡。简单规则表达式选项卡支持所有拥有技术背景的用户使用函数、表达式和可用标签来创建警报，并提供可自定义的输出消息。在规则脚本选项卡中，具有编程语言经验的用户可以编写完全自定义的复杂警报。在此选项卡中嵌入了功能齐全的Python平台，它对样本数据集或用户提供的数据集进行代码验证。
图4.警报创建页面示例。左边为简单规则表达式选项卡，右边为规则脚本选项卡。
开发UI的同时，正在建设后端基于云的数据结构。将EDR、DCS与晨报数据整合到单一数据集中，能够实时和定时运行警报。
在利益相关者访谈过程中，收集了待开发的积压警报。然后根据警报对内、外部用户的影响程度，对警报进行分类与排序。警报创建团队由具有数据分析和实际操作经验的性能工程师与分析师组成。现场经验、数据分析经验和对重要作业指标的理解相结合，使创建第一个警报的准确性高、周转时间短。
创建并提供给用户的每个警报都经过质量控制测试，准确率至少达到95%。内部专业专家协助构思设计警报，有助于Patterson UTI公司维护高标准的卓越作业。公开发布REX功能时，警报创建团队已经构建了45个警报，并进行了质量控制与测试。
02. 实施计划
完成REX功能的后端架构与UI后，便制定了推广计划。从执行管理层开始，进行演示，以确保公司的所有部门都意见一致，并获得支持。对运营、HSE、设备管理、营销都进行了培训课程，以展示如何创建、激活和监控他们的警报。
接下来是将警报发送给最适用的用户：现场人员。最初在某个区块中选择了一定数量的钻机，以提供适当的反馈并回应任何问题或担忧。首次推出之后，将REX培训下沉到每个区块的作业小队。通过这样做，研发团队能够聚焦于个人用户，回答所有问题，并确保所有人都能独自使用REX功能。
在所有演示中，根据自身的需求与兴趣，用户都注册了一些警报。一旦用户建立起对该系统的信任，并能够与钻机工作人员验证警报的准确性，警报请求就会滚滚而来。
03. 案例分析
一旦完成培训课程并获得积极反馈，就需要实质性的关键指标来证明REX功能的成功和对公司的价值。围绕当今行业一些最受关注的领域安排了两个案例分析：程序合规性以及ESG举措。
1、案例分析1：优化发电机使用
在ESG方面，Patterson UTI公司采取了积极措施，通过应用REX优化钻机发动机利用率并减少温室气体排放。
Patterson-UTI公司的常规钻机拥有三到四台发电机，由纯柴油、纯天然气或双燃料发动机驱动。在更高的负载下运行这些发动机可以更有效地燃烧燃料，减少每千瓦时发电所造成的排放量。
如果没有钻机上更先进系统的帮助，改善这一指标的唯一方法是优化运行发动机的数量。利用现场人员实时监控发电机负载是种低效方法，因此需要咨询系统来帮助井队管理他们的发动机。
REX通过对比最佳发动机运行模型与实际运行发动机数量，可向所有相关人员发送通知。该模型运行于钻机服务器，读取与查看发电机负载实时数据，并以发电机综合优化负载75%为目标。
在本次试验中，为某个客户选择了四台钻机。钻机A和B在优化发电机使用方面分别提高了16%与23%。尽管钻机C在优化时间百分比方面有所减少，但所有钻机都降低了二氧化碳排放量。这得益于试验期间钻机C上的发电机整体负荷更高。更愿意采用新技术的钻机取得了巨大成功，客户希望在发电机运行变得不太理想时发出警报。
图5.案例1在四台钻机上安装了REX，展现出不错的发电机优化结果。
图6.案例1中所有四台钻机都利用REX减少了二氧化碳排放量。
最初，编写该警报是为了通知发电机在运行期间至少连续1个小时内高于最优水平。然而，由于井队希望提高效率，该警报被更新为高于30分钟通知。该试验已成为客户的主要关注领域，此后客户就在所有钻机上部署了REX。他们不断跟踪月度报告中的减排情况，以帮助减少碳足迹。
2、案例分析2：提高流程合规性
作业公司已开始形成接立柱作业标准化程序，供钻井人员遵循。这有助于延长钻头/马达的寿命，并减少低效钻井作业。某个客户的接立柱程序被编译为六个阶段的监控警报：
1、钻完一个立柱后，尽可能缩短空钻时间；
2、提离井底后，将转速降至最低；
3、确保泥浆泵保持运行，直到坐卡瓦；
4、触及井底前保持低转速；
5、确保在执行自动送钻前，手动施加指定百分比的钻压；
6、尽快提升转速与钻压，以达到指定钻进速度。
为该客户选定了一台钻机。与上述案例分析一样，相关用户订阅了警报，在接立柱不符合要求时会收到通知。除了直观的合规性，该警报还包括哪些部分不正确以及如何改进的信息。
REX警报的应用显著提高了合规率（图7和图8）。该钻机的钻井人员在接立柱的第4至第6阶段已经表现出了很高的合规率。大多数合规率的提升是在接立柱的第2与第3阶段。在试验前，13.1%的接立柱作业满足所有条件。在试验期间，该数字增加到43.5%。尽管没有在每个领域都达到100%的合规性，但已经取得了长足进步。
图7：案例2中REX用于监测接立柱作业，提高了钻机的合规性。当接立柱不符合客户的规定时，将发送警报。
图8.案例2中各个监控阶段的接立柱合规性情况。
04. 结论与未来工作
两次试验的结果都展现出该系统的巨大潜力，并在现场与办公室之间建立了协作关系。这些试验获得诸多成功，都得益于与现场的持续沟通、反馈与参与。
与所有新技术一样，需要时间才能获得认可，但REX在现场已经获得了压倒性的采用。这一成功得益于自上而下的推广计划，该计划对所有地区的所有群体进行了持续培训。通过基于海量数据开发出的高精度警报以及内部专家的专业知识，赢得了用户信任。
自完成案例试用以来，钻机经理、主管、作业领导、设备管理领导和客户都提出了警报要求。截至6月中旬，完成了68个可用警报，正筹备45个警报，随着用户交互与新技术应用，将出现更多的警报。
对于未来工作，REX处于开发的第2阶段，与当前基于云的架构不同，已选警报将部署于本地钻机服务器。这将减少云计算成本与通知发送时间。警报将能够在亚秒级数据上运行，同时还可以获取更多数据类型（即客户的井下冲击与振动数据）。
Patterson-UTI公司后续会将REX部署于CORTEX KEY钻机平台，并集成到钻机的人机交互界面中，以便将警报直接发送给司钻，从而立即采取措施。这将使该系统能够充分发挥其潜力，实现安全、高效的作业。
