智能油氣田數字化交付研究

王鴻捷

中國石油工程建設有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

石油石化行業的工程建設與生產運行,以高價值實物資產投入和持續生產為特點,涵蓋油氣勘探與開發、地面建設、生產運行的全過程,涉及冶金、制造、油氣生產等基礎工業和相關輔助行業。隨著科學技術和互聯網的快速發展,以及國家提出的“互聯網+”戰略的推動,為石油石化行業基于信息技術獲得“降本增效”提供了發展條件。

采用實體對象的全生命周期管理、智能油氣田建設等新的建設與管理手段,促進油氣行業資產管理、安全管理、效益管理的新突破,離不開全產業鏈的數字化交付[1-11]。

數字化交付,目前業內尚無權威的、被廣泛接受的理論定義。在GB/T 51296-2018《石油化工工程數字化交付標準》(以下簡稱GB/T 51296-2018)的“術語”中“數字化交付(digital delivery)”被定義為“以工廠對象為核心,對工程項目建設階段產生的靜態信息進行數字化創建直至移交的工作過程,涵蓋信息交付策略制定、信息交付基礎制定、信息交付方案制定、信息整合與校驗、信息移交和信息驗收”。這是目前國家對于石化工廠中數字化交付最為明確的概念。

研究認為,GB/T 51296-2018僅僅是ISO 15926 Industrial Automation Systems and Integration—Integration of Life-cycle Data for Process Plants Including Oil and Gas Production Facilities(以下簡稱ISO 15926)或GB/T 18975《工業自動化系統與集成流程工廠》(以下簡稱GB/T 18975))在石化工廠的實例化成果和統一標準;但對于具有更多對象形式和業態形式的油氣田而言,則應基于ISO 15926(或GB/T 18975),開展針對性研究,實現該國際標準在油氣田建設與生產運行中的實例化,這一實例化成果,可針對智能油氣田的不同范圍、不同標準、不同投資模式、不同對象實體進行指導和規范。同時,這一技術標準可指導數據采集、數據關聯的具體操作邏輯與方法,但不能解決系統識別和系統規劃中企業級數字化交付體系的建立方法問題[12-17]。

本文根據2017年中國石油建設工程有限公司西南分公司(以下簡介CPECC西南分公司)提出的智能油氣田的業務鏈與數據鏈架構模型,結合數字化工程實踐,詳細論述了數字化交付的原理、概念和作用,簡要歸納了制約其水平提高的主要因素,明確指出了基于數字化交付的數據生態與應用生態建設,是保障智能油氣田可持續發展的重要條件。

1 智能油氣田產業鏈和數據鏈的架構模型

2017年末,CPECC西南分公司研究團隊初步提出了一種數字化/智能化油氣田產業鏈和數據鏈的架構模型,該架構模型系統和全面地描述了以下關鍵邏輯關系。

1)井工程、地面建設、生產運行三個方面的業務邏輯和數據邏輯。

2)橫向產業鏈和數據鏈中,設計、采購、施工及相關企業在地面建設產業鏈中的業務位置和數據交付關系[18-20]。

3)縱向數據鏈中,產業鏈層級和逐步向上分層交付的路徑和目標。

4)集團、板塊、油氣田、油氣田二級管理企業在橫縱數據鏈中的層級位置和核心管理工具(軟件平臺)。

5)物聯網等用于生產運行數據采集與管理的統建系統,在該架構模型中的位置。

2018年末,基于上述架構模型和一系列數字化項目實踐,CPECC西南分公司進一步細化了該架構模型,將每一層級的核心技術和關鍵組件進行了補充完善,再應用于不同特點的數字化項目中,取得了良好的效果。

提出和細化這一架構模型的根本目的,是找準各參建企業在智能油氣田建設中的產業鏈和數據鏈位置,為高效規劃和發展本企業在這一新興領域的業務,提供指導性布局和資源配置重點的確認。

上述工作的持續創新和理論實踐的持續結合,既滿足了企業自身的發展要求,也為完整描述和系統定義數字化交付創造了有利條件。

2 數字化交付

2.1 基本原理

從廣義角度來講,在任意產業鏈和數據鏈節點之間發生的數據交換與傳遞都稱為數字化交付,所有交叉節點形成的數字化交付鏈稱為數字化交付矩陣。

從狹義角度來講,數字化交付是指數字孿生體的交付過程,其充分利用油氣田物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據,集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程,在虛擬空間中完成映射,從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。

2.2 數字化交付概念

基于產業鏈和數據鏈邏輯的智能油氣田數字化交付,分為橫縱交付兩條路徑。

數字化橫向交付,涵蓋工程建設傳統產業鏈的設計、采購、施工、制造、物流、倉儲等所有企業;按照業態模式和特定標準,數據通過異構軟件的協議接口實現跨企業、跨平臺的自動交付。數字化橫向交付,是形成和推動實體工程智能建造、實體工廠智能檢維修的基本條件;這一交付形式的成熟度,取決于以數字化設計為龍頭的產業鏈各企業在實體工程建設過程中的作業深度、管理精細度、橫向交付能力三大要素。

數字化縱向交付,是以數字化設計、數字化采購、數字化施工、數字化生產等產業鏈業務為基礎,通過數據采集、數據存儲、數據交付、數據使用、數據管理等環節,實現產業鏈數據的縱向分層交付。數字化縱向交付,是形成不同企業數據應用和數據資產管理的先決條件,并且不同層級、不同職能的實體工程建設者和管理者,對縱向交付的數據使用與管理的訴求不盡相同,因而形成了基于不同層級、不同管理訴求的數據倉庫和管理應用(平臺或軟件)。

數字化交付,無論是橫向交付還是縱向交付,都基于特定的工程實體對象、數據范圍、數據格式、數據規則等數據標準和操作規程來約束,并通過專用軟件工具(軟件平臺、軟件系統、中間件)來實現。

3 數字化交付的作用

數字化交付的核心,是基于數據同源的原理,提升數據在實體工程建設和管理中的價值,使實體工程建設與生產運行管理通過信息技術獲得更高的管理效益。通過數字化交付,可形成信息的發送、接收、使用的過程管控,促進企業業務流與數據流融合,為企業之間的業務協同創造條件,業務協同造就更高效、更科學的基礎設施建設過程和智能化生產運行管理基礎。

數字化交付在數字化設計等產業鏈企業內部各專業之間,構建了更高效、更優質的生產組織管理的生態環境和可持續的行業競爭力。

在產業鏈不同企業之間的數字化橫向交付,與傳統的二維設計+二維交付或后來的三維設計+二維交付不同,著眼于既滿足指導實體工程建設需求，又滿足工程建設數據孿生體形成的全專業三維數字化協同設計成果,在實現二三維協同設計+二三維關聯交付+模型輕量化以后,形成數據和信息的跨企業、跨平臺優質高效傳遞,推動產業鏈后續企業基于異構管理系統的精準預測和智能管理;并伴隨實體工程的建設過程,同步構建與之對應的數據孿生體,推動智能采購、智能制造、智能倉儲與物流、智能工地、智能檢測等工程建設各企業的智能管理業務發展;工程建設數據孿生體移交給業主,是智能檢維修、仿真模擬等生產運行智能管理的重要輸入條件之一。

在數字化縱向交付體系中,對交付層級的劃分及其功能的清晰定義,使不同層級的縱向交付具備了明確目的,并就其依賴的IT工具提出了明確的技術要求和功能要求;在產業鏈各企業與智能管理應用之間,以基于數據與信息的“采集、存儲、交付、應用、管理”縱向層級所構建的數據鏈,使可視化管理、預決策優化、人工智能成為可能,從而推動企業或行業的智能管理;這一體系的建立和實踐,根本上消除了數據的“煙囪式”上傳、智能應用各軟件系統分別調用數據所形成的信息孤島,為數據的“采集、存儲、交付、應用、管理”相關的工具制造(軟件研發)、技術標準確定、操作規程制定、管理制度配套等,提供了明確的布局和實施指南。

4 制約數字化交付技術水平提升的因素

根據上述定義及工程實踐,制約企業的數字化交付技術水平提升的主要因素可歸納為以下幾點:對數字化交付價值的預期判斷,對數字化設計技術和數字化施工技術的發展認識,數字化交付架構模型的合理性與適應性,數字化交付層級結構的劃分合理性與適應性,不同層級結構中的關鍵工具以及關鍵工具制造過程中的關鍵技術,數字化交付標準制定的復雜度與多維度,數字化交付操作規程編制與實施的可行性,數字化交付技術對原有組織、管理體系改變的可行性。

5 結論

智能油氣田數字化交付,一是指實體工程建設與運行過程中，發生在產業鏈各專業、各企業之間的橫向數字交付,通過產業鏈專業和企業之間的橫向數據鏈的打通,可形成實體工程數據孿生體，推動智能建造；二是指基于橫向產業鏈的數據縱向多層級交付所形成的縱向數字化交付體系,是構建企業級數據資產和支撐各層級智能應用可持續的必要條件。基于特定技術標準和操作規程的數字化交付,催生數據“采集、存儲、交付、應用、管理”標準在橫向產業鏈和縱向數據鏈之間的工具制定與系統應用。智能油氣田橫縱數字化交付體系,與交付技術、交付工具、交付標準、操作規程、配套制度一起,共同構成了智能油氣田數據生態。

基于數字化交付體系,通過系統規劃和科學布局,可使企業提高對數據的調度能力;通過標準與制度的建立,可使企業獲得持續的數據資產管理能力;通過可持續的高效數據服務,實現智能油氣田建造和智能運營的可持續。