智能油田建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

（中國石油新疆油田公司，新疆 克拉瑪依 834000）

[摘 要] 自“十二五”以來，云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)發(fā)展迅速，在油田業(yè)務(wù)發(fā)展需要及信息技術(shù)驅(qū)動下，新疆油田開始由數(shù)字化向智能化邁進(jìn)。圍繞智能油田建設(shè)，介紹了新疆油田“十二五”信息化建設(shè)現(xiàn)狀及目標(biāo)，以及智能油田建設(shè)過程中在大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、知識庫等關(guān)鍵信息技術(shù)方面取得的研究成果及具體應(yīng)用，為全面實現(xiàn)油田業(yè)務(wù)智能化提供了技術(shù)手段和有力支撐。最后面對智能油田建設(shè)的不斷推進(jìn)，展望了新疆油田“十三五”信息化發(fā)展需求和建設(shè)方向。

[關(guān)鍵詞] 智能油田；大數(shù)據(jù)分析；云計算；物聯(lián)網(wǎng)

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2017. 07. 075

[中圖分類號] TP311 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2017）07- 0164- 04

1 引 言

新疆油田通過多年的信息化建設(shè)，在基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)建設(shè)、應(yīng)用系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、管理體系等多個方面取得了顯著成效，以信息技術(shù)為手段實現(xiàn)了油田勘探開發(fā)生產(chǎn)等主營業(yè)務(wù)的數(shù)字化。自“十二五”以來，大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)發(fā)展迅速，在油田業(yè)務(wù)發(fā)展需要及信息技術(shù)驅(qū)動下，新疆油田開始由數(shù)字化向智能化邁進(jìn)，并將智能油田定義為：能夠全面感知、自動操控、預(yù)測趨勢、優(yōu)化決策的油田，其基本思想是在數(shù)字油田建設(shè)成果基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、專家知識庫等先進(jìn)信息技術(shù)，實現(xiàn)油田生產(chǎn)、管理、決策的智能化[1 ]。

“十二五”期間，國際油價持續(xù)低迷，國內(nèi)油氣市場需求下滑，為實現(xiàn)低油價下經(jīng)濟(jì)效益穩(wěn)增長，中石油提出了“開源節(jié)流、降本增效”的指導(dǎo)思想。面對快速發(fā)展的信息技術(shù)和低油價的嚴(yán)峻形勢，新疆油田全面圍繞智能油田建設(shè)，在中石油“十二五”信息化發(fā)展戰(zhàn)略指導(dǎo)下，深入開展了一系列關(guān)鍵信息技術(shù)研究和應(yīng)用，取得了一定的研究成果，為實現(xiàn)油田業(yè)務(wù)智能化和“開源節(jié)流、降本增效”提供了技術(shù)手段和有力支撐。

2 新疆油田“十二五”信息化建設(shè)情況

“十二五”是新疆智能油田建設(shè)的探索期，其目標(biāo)是深化數(shù)字油田應(yīng)用、建設(shè)智能油田。經(jīng)過五年的建設(shè)，初步建立了覆蓋勘探開發(fā)生產(chǎn)等主營業(yè)務(wù)的一體化協(xié)同運行中心；完成了油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)在風(fēng)城油田1號稠油處理站的示范應(yīng)用；建成了單井問題診斷與優(yōu)化系統(tǒng)（一期），基本實現(xiàn)了油氣井生產(chǎn)管理的智能化；初步完成了基于云計算的數(shù)據(jù)中心建設(shè)，打造了云化的硬件基礎(chǔ)環(huán)境。“十二五”以來，圍繞智能油田建設(shè)，在中石油“十二五”信息化發(fā)展戰(zhàn)略指導(dǎo)下，新疆油田開展了大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、知識管理等關(guān)鍵技術(shù)研究，并將其應(yīng)用在智能油田建設(shè)中，為穩(wěn)步推進(jìn)油田業(yè)務(wù)智能化提供了技術(shù)參考。

3 智能新疆油田建設(shè)中的技術(shù)應(yīng)用研究

3.1 大數(shù)據(jù)分析

大數(shù)據(jù)技術(shù)，就是通過對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，挖掘其中隱藏的規(guī)律和價值，從而預(yù)測未來、輔助決策[2，3 ]。

大數(shù)據(jù)技術(shù)分析流程主要包括數(shù)據(jù)抽取及預(yù)處理、數(shù)據(jù)存儲、模型建立、模型部署和應(yīng)用四個環(huán)節(jié)，涉及的主要關(guān)鍵技術(shù)有：大數(shù)據(jù)抽取及預(yù)處理技術(shù)與大數(shù)據(jù)建模技術(shù)。

其中，大數(shù)據(jù)抽取及預(yù)處理技術(shù)主要實現(xiàn)分布在各個數(shù)據(jù)庫或系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)整合，并轉(zhuǎn)換成適合數(shù)據(jù)挖掘或建模的形式，構(gòu)建樣本數(shù)據(jù)集。

大數(shù)據(jù)建模技術(shù)指基于大數(shù)據(jù)建模算法和工具，挖掘數(shù)據(jù)中隱藏的模式或關(guān)系，建立預(yù)測模型（規(guī)則、公式或方程式），從而生成預(yù)測結(jié)果，輔助業(yè)務(wù)決策。

新疆油田經(jīng)過幾十年的勘探開發(fā)和多年的信息化建設(shè)，建立了覆蓋勘探、評價、開發(fā)等不同業(yè)務(wù)領(lǐng)域、鉆井、錄井、測井、試油等不同專業(yè)的數(shù)據(jù)源點采集和數(shù)據(jù)傳輸體系，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)集中入庫存儲，其中，油田大數(shù)據(jù)主要包括：油田生產(chǎn)中產(chǎn)生的工程地質(zhì)類靜態(tài)成果數(shù)據(jù)、生產(chǎn)過程中由傳感器或人為記錄的動態(tài)數(shù)據(jù)、企業(yè)經(jīng)營管理中產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)、油田生產(chǎn)各類設(shè)備、儀器儀表等動靜態(tài)數(shù)據(jù)、信息系統(tǒng)應(yīng)用過程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)等（見圖1），其數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類型多樣，數(shù)據(jù)產(chǎn)生速度快，在智能油田時代，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析方法已無法滿足油田業(yè)務(wù)需要及向數(shù)據(jù)找油的需求。基于此，新疆油田嘗試?yán)么髷?shù)據(jù)分析技術(shù)挖掘油田數(shù)據(jù)價值，從而輔助業(yè)務(wù)決策。

圍繞新疆油田數(shù)據(jù)建設(shè)現(xiàn)狀及智能油田建設(shè)需求，以抽油井結(jié)蠟預(yù)測為切入點，基于抽油井產(chǎn)量、示功圖、溫度、壓力、沖程、沖次、故障記錄等數(shù)據(jù)利用大數(shù)據(jù)分析方法及其關(guān)鍵技術(shù)開展了抽油井結(jié)蠟規(guī)律研究[4 ]。主要研究內(nèi)容包括：

（1） 通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)研究，建立一套適合新疆油田業(yè)務(wù)需要的大數(shù)據(jù)分析方法及技術(shù)框架，如圖2所示；

（2）通過大數(shù)據(jù)抽取及數(shù)據(jù)集成、清洗等預(yù)處理技術(shù)抽取了與抽油井結(jié)蠟相關(guān)數(shù)據(jù)表及數(shù)據(jù)項，確定了質(zhì)量較好的相關(guān)數(shù)據(jù)，并基于相關(guān)數(shù)據(jù)提取了影響抽油井結(jié)蠟的特征參數(shù)，構(gòu)建了建模的樣本數(shù)據(jù)集；

（3）基于樣本數(shù)據(jù)集通過大數(shù)據(jù)建模技術(shù)利用 SPSS Modeler 建模工具分別采用隨機(jī)森林、線性回歸、boosting、偏最小二乘及K鄰近五種建模算法，以抽油井結(jié)蠟概率作為預(yù)測目標(biāo)建立了抽油井結(jié)蠟預(yù)測模型，結(jié)果表明模型預(yù)測準(zhǔn)確率較高，同時完成了模型的部署和應(yīng)用，設(shè)計開發(fā)了抽油井結(jié)蠟預(yù)測軟件，業(yè)務(wù)人員借助該軟件可以直接預(yù)測抽油井結(jié)蠟狀態(tài)，并提供結(jié)蠟概率及合理化的措施建議，為輔助業(yè)務(wù)管理和決策提供了有效手段。

3.2 云計算

云計算[5，6 ]是指基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過虛擬化方式共享IT資源的新型計算模式。其核心思想是通過網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一管理和調(diào)度計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)、軟件等資源，實現(xiàn)資源整合與配置優(yōu)化，并以服務(wù)的方式提供，滿足不同用戶隨時獲取并擴(kuò)展、按需使用并付費，最大限度地降低成本等各類需求，其總體架構(gòu)如圖3所示。

從服務(wù)模式的角度云計算可分為基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)、平臺即服務(wù)與軟件即服務(wù)三個層次，其中基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)層主要通過虛擬化技術(shù)，對服務(wù)器、存儲和網(wǎng)絡(luò)等硬件設(shè)備抽象為基礎(chǔ)資源，并且實現(xiàn)內(nèi)部流程自動化和資源管理優(yōu)化，從而向外部提供動態(tài)、靈活的基礎(chǔ)設(shè)施層服務(wù)；平臺即服務(wù)層是將具有通用性和可復(fù)用性的軟件資源進(jìn)行封裝，并為云應(yīng)用提供開發(fā)環(huán)境、運行和監(jiān)控環(huán)境；軟件即服務(wù)層是將某些特定應(yīng)用封裝成在線服務(wù)，通過網(wǎng)絡(luò)交付給用戶。

從技術(shù)角度云計算所涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括虛擬化技術(shù)、分布式存儲技術(shù)及分布式計算技術(shù)。虛擬化技術(shù)作為云計算的核心技術(shù)，主要實現(xiàn)服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)等硬件設(shè)備的虛擬化，建立共享資源池，為云計算平臺中各業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供按需分配和動態(tài)伸縮的基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)；分布式存儲技術(shù)目標(biāo)是利用云環(huán)境中多臺服務(wù)器的存儲資源來滿足單臺服務(wù)器所不能滿足的存儲需求；分布式計算即并行計算，指將大型計算任務(wù)拆分為多項子任務(wù)，通過子任務(wù)分布式地在多個計算節(jié)點上進(jìn)行調(diào)度和計算實現(xiàn)對海量數(shù)據(jù)的快速處理。

就新疆油田來說，在“十五”、“十一五”期間，通過信息化手段建立了覆蓋各油田業(yè)務(wù)的信息系統(tǒng)，各信息系統(tǒng)每年所需的設(shè)備數(shù)量逐年增加，服務(wù)器設(shè)備類型也多種多樣，隨著業(yè)務(wù)需求不斷提升及智能油田建設(shè)的推進(jìn)，逐漸凸顯出數(shù)據(jù)中心機(jī)柜容量不足及電力緊張、設(shè)備運維管理難度大等諸多問題，油田公司迫切需要進(jìn)行IT基礎(chǔ)設(shè)施資源的整合，建設(shè)高效靈活的基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)，實現(xiàn)自動化管理流程，為各信息系統(tǒng)提供“基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)”的功能。

基于新疆油田IT基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)現(xiàn)狀及智能油田建設(shè)需求，在中石油統(tǒng)一部署和指導(dǎo)下，初步建立了基于云計算的數(shù)據(jù)中心，完成了原有機(jī)房的整合工作，為新疆油田甚至中石油提供了統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施云服務(wù)，提高了資源利用率，節(jié)約了機(jī)房空間、降低了設(shè)備能耗。同時部署了新疆油田桌面云系統(tǒng)，實現(xiàn)了員工辦公計算機(jī)、移動智能終端全方位、多層面安全、可靠地訪問油田信息資源。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)[7 ]即通過傳感、射頻、通訊等技術(shù)，對油氣水井、計量間、油氣站庫等生產(chǎn)對象進(jìn)行全面的感知，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)信息在生產(chǎn)指揮中心及區(qū)域監(jiān)控中心集中管理和控制。

“油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（A11）”是中國石油在“十二五”信息技術(shù)總體規(guī)劃中提出了重點建設(shè)項目，其目標(biāo)是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立覆蓋全公司油氣井區(qū)、計量間、集輸站、聯(lián)合站、處理廠的規(guī)范、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理平臺，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控、生產(chǎn)預(yù)警，支持油氣生產(chǎn)過程管理，進(jìn)一步提高油氣田生產(chǎn)決策的及時性和準(zhǔn)確性。

根據(jù)中石油“十二五”信息化發(fā)展戰(zhàn)略，結(jié)合智能新疆油田建設(shè)需求，開展了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究，完成了油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)在風(fēng)城油田1號稠油處理站的示范應(yīng)用，總體架構(gòu)如圖4所示[8 ]，其主要研究內(nèi)容包括：

（1） 采用RTU+PLC技術(shù)或產(chǎn)品實現(xiàn)油氣水井、計量間、處理站等生產(chǎn)對象油壓、套壓、溫度、壓力等參數(shù)的采集與控制；

（2） 采用有線+無線異構(gòu)組網(wǎng)傳輸技術(shù)實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時傳輸，滿足整個油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)安全性、實時性、穩(wěn)定性等要求；

（3） 通過SCADA監(jiān)控系統(tǒng)、DMS數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)控及實時工況的診斷和預(yù)警。

4 總 結(jié)

新疆油田在“十二五”期間通過開展一系列信息技術(shù)研究，為智能油田建設(shè)提供了有力的技術(shù)支撐。隨著新疆智能油田建設(shè)的不斷深入，油田勘探、評價、開發(fā)與生產(chǎn)、油氣儲運、生產(chǎn)保障等各業(yè)務(wù)領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)資源、信息技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施以及人才隊伍等提出了更高的需求。為積極應(yīng)對低油價沖擊，進(jìn)一步提升油田信息化水平，助力新疆油田建設(shè)智能油田的戰(zhàn)略目標(biāo)，在“十三五”期間，將加快信息技術(shù)的研究及深化應(yīng)用，依托大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)，逐步實現(xiàn)油田主營業(yè)務(wù)智能化、非核心業(yè)務(wù)全面數(shù)字化。

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