數字化油氣田精益生產研究

湯 林 班興安 徐英俊 吳 浩 熊新強巴璽立 云 慶 苗新康 張 磊

1. 中國石油勘探與生產公司, 北京 100007;2. 中國石油規劃總院, 北京 100083

0 前言

源于制造業的精益生產已在全球范圍內得到廣泛應用,體現了其科學性和先進性。國內中車集團、沈鼓集團等企業也先后開展了精益生產,取得了很好的效果。流程工業借鑒制造業由傳統生產向精益生產轉變已成為發展趨勢。中國石油天然氣集團公司提出了全面開展精益生產,轉變傳統生產和管理方式,致力打造低成本、高效率、高效益、綠色安全的一流企業。

1 精益生產的起源

精益生產是20世紀60年代由日本豐田汽車公司首創的一種先進的管理模式,其中“精”是精細、精準,“益”是不斷優化和提高,追求效益最大化。精益生產的內涵是一種以最大限度地減少生產所占用的資源、降低企業管理和運營成本為主要目標的生產方式[1-2]。其實質是通過生產過程整體優化,改進管理方式,有效利用資源,消除無效勞動與浪費,用最少的投入實現最大的效益,其框架見圖1。

圖1 日本豐田汽車公司精益生產框架圖Fig.1 The framework of “Toyota” lean production

精益生產要求持續改進,徹底消除浪費,盡善盡美,永無止境地追求七個“零”的終極目標:“零”切換——多品種混流生產;“零”庫存——消減庫存;“零”浪費——全面成本控制;“零”不良——產品高品質;“零”故障——提高運轉率;“零”停滯——快速反應、短交期;“零”災害——安全第一。

2 油氣田面臨的形勢和存在的問題

2.1 面臨的形勢

2.1.1 能源保障任務重

按照中國石油天然氣集團公司加快石油和天然氣開發的總體部署,國內油氣勘探開發業務進入新階段。“十四五”期間每年要新建大量的各類站場和管道，產能建設工作量大，投資成本控制難度大。

2.1.2 新動用資源品位低

油氣田開發已經進入非常規時代,動用資源品質逐年降低,原油新增儲量和天然氣動用儲量90%為低滲—特低滲以及頁巖油氣,同時高含硫等高風險復雜介質氣田不斷增多,效益建產難度大。低滲透產量增長趨勢與產量比例見圖2,新增探明石油地質儲量構成見圖3。

圖2 中國石油低滲透產量增長趨勢與產量比例圖Fig.2 Low permeability production growth trend and output ratio chart of PetroChina

圖3 中國石油新增探明石油地質儲量構成圖Fig.3 Composition chart of newly proven petroleum geological reserves of PetroChina

2.1.3 老油氣田穩產難

老油田是中國石油產量的主體,開發10年以上的老油田占總產量的64%。老油田即將進入“雙特高”階段,綜合含水89.5%,可采儲量采出程度76.7%,剩余油高度分散,調整余地小,有效穩產難度大。另外,單井日產量逐年減少,已開發氣田陸續進入增壓開采階段,產量逐年下降,開發成本逐年增加[3]。2011-2018年油田綜合含水變化和單井油、氣日產量變化分別見圖4～5。

圖4 2011-2018年油田綜合含水變化圖Fig.4 Comprehensive water cut map of oil fields from 2011 to 2018

圖5 2011-2018年平均單井日產油、日產氣量變化圖Fig.5 Changes in the average daily oil production and gas production of a single well from 2011 to 2018

2.1.4 安全環保責任大

16家油氣田共有各類生產井35.6×104口、站場1.6×104余座、管道32.4×104km,分布在17個省、市、自治區,為數眾多的生產設施處于人口稠密區、工礦企業和環境敏感區,部分井、管道處于環境敏感區內同時“三高”氣井逐年增多,設備設施腐蝕老化嚴重,2018年管道平均失效率較高。

國家頒布的安全生產法和環境保護法等法律法規對上游業務的綠色安全生產提出了更高的要求[4]。

2.2 存在的問題

目前油氣田開發生產與精益生產的要求相比,主要存在四方面的問題。

2.2.1 方案編制前期準備不充分

部分開發方案前期準備不充分,專業之間銜接、協同性較差。目前,傳統開發理念和技術不能滿足低品位油氣藏效益建產及老油氣田穩產;低品位油氣田開發技術,老油田轉換開發方式技術及低成本地面配套工藝技術尚不成熟;水平井、叢式井比例及叢式井轄井數量偏少,投資高,占地面積大[5]。

2.2.2 產能建設提質、提速、提效空間大

鉆井、壓裂技術的標準化和自動化程度,與國際先進水平存在較大差距,提質、提速、提效尚有較大空間。采油采氣和地面標準化設計還不滿足低品位油氣田開發和老油氣田轉換開發方式的需要,產能建設模塊化、一體化裝置大型化、智能化水平還有待進一步提高。地面建設設計與工廠化預制、模塊化施工銜接不夠順暢。

2.2.3 傳統生產方式效率低、成本高

傳統生產方式下中小型站場有人值守,大型站場分崗值守。生產趨勢與運行靠人工分析判斷,運行參數靠人工調節,問題診斷與調整靠經驗分析,生產設備設施被動式檢修維修,大部分站場事故工況需人工判別和操作,導致生產效率低,安全環保水平較低,運行成本高，管理層級多,用工總量大。

2.2.4 智能化作用有待發揮

智能化應用剛剛起步,在生產過程中尚未達到實時優化調整;生產運行和經營情況不能智能化預測分析;對設備設施不能智能化預見性維修;對安全環保隱患不能預測預警。

3 油氣田精益生產

3.1 數字化油氣田精益生產內涵及目標

通過全面實施標準化、數字化智能化建設,大力推行生產方式、管理模式變革,做到油氣田生產全面感知、自動生產、實時優化、預測預警、協同研究、一體運營、智能決策,達到最有效地利用資源、最大程度地消除浪費,優化生產運行、持續提質增效,實現油氣田開發綠色安全、高質量發展。

通過開展研究,提出了數字化油氣田精益生產五個“零”的終極目標:工程、產品“零”不良;建設、運行“零”低效;生產設施“零”故障;生產經營“零”浪費;安全環保“零”災害。

3.2 總體框架

為實現油氣田精益生產的終極目標,結合精益生產的內涵,提出了油氣田精益生產的總體框架,見圖6。

圖6 油氣田精益生產的總體框架圖Fig.6 The overall framework of lean production in oil and gas fields

1)夯實兩個基礎:精益產能建設和數字化智能化建設。

2)抓實五項核心工作:精益生產運行、精益設施管控、精益生產運營、數字化辦公和智能化決策。

3)打造兩個支撐:技術創新和管理創新。

4 實現精益生產的對策

4.1 夯實兩個基礎

4.1.1 持續優化、簡化、標準化

1)精益開發方案設計,抓好源頭控投降本。一是加強多專業協同。油氣田開發是一項系統工程,要發揮多學科一體化優勢,抓好油氣藏、鉆井、采油采氣、地面、經濟評價等專業一體化協同工作,突出方案設計優化,實現整體效益最大化。二是要強化前期準備。優化目標論證、產建結構和方案設計,規范滾動開發,提升方案質量和負荷率,實現達標建產、效益建產。三是做好穩產調整方案。精細油氣藏描述和剩余資源潛力評價,重構地下認識、重建地質模型、優化部署、完善開發井網;轉變開發方式,提高最終采收率,實現長期穩產;地面系統持續優化調整,由局部優化向系統整體優化轉變,科學有序推進“關、停、并、轉、減”,提升老油氣田開發效益。

2)深入推進標準化建設,提升建設效率和質量。面對新的形勢要求和技術的不斷進步,應在地面工程成功實施標準化的基礎上,向鉆井和采油采氣工程等專業延伸,實現標準化設計、標準化流程、標準化建設、標準化生產、標準化管理,為精益生產打下堅實的基礎。

通過鉆井標準化,提高鉆井速度,提升井深質量,規范井場布置,減小占地面積;通過開展采油采氣標準化,提升方案設計質量、機采效率、生產時率和注水合格率;不斷深入地面工程標準化,提高設計水平、工程建設效率和質量,提升管理水平[6]。

4.1.2 強力推行物聯網建設

1)持續推進油氣田生產物聯網建設,實現油氣田全覆蓋。中國石油天然氣集團公司推行物聯網建設工作以來,已實現了長慶、西南、大港等油氣田全覆蓋。物聯網的應用在優化勞動組織架構、轉變生產方式、提質增效等方面發揮了重要作用。目前各類井覆蓋率52%,各類站場覆蓋率43%[3]。下一步還要強力推進物聯網建設,實現數字化全覆蓋,積極推進無人值守站場建設,促進智能化油氣田建設,夯實精益生產的重要基礎。

2)持續提升夢想云平臺,推進數據共享。基于科學計算云項目提升高性能計算能力,集成認知計算分析能力,提升平臺智能化服務能力,同時增加移動應用支持等內容,初步建成具有大數據、人工智能技術應用的上游開放共享信息技術夢想云平臺。

3)豐富完善已有信息系統,滿足油氣生產需要。通過提升常規業務、擴展新興業務、挖掘數據價值、深化業務應用和探索智能化服務來豐富完善已有勘探與生產信息系統,逐步建成具有全面感知、自動操控、預測預警、持續優化的智能化油氣田。

4.2 抓實五項核心工作

4.2.1 全面推進自動化生產

自動化生產是促進精益生產的一項核心內容,是生產和管理方式變革的重要手段。

1)加強鉆井技術與裝備突破,實現鉆井自動化。近年來,鉆井自動化技術和設備快速發展,地質導向鉆井、旋轉導向鉆井、自動垂直鉆井、隨鉆地震等技術取得重大突破。試驗定型了自動井架工、鐵鉆工等11項自動化設備,形成了“懸持式”和“推扶式”2套鉆機管柱自動化處理系統,實現了鉆井提質、提速和提效。

2)深化采油采氣自動化技術應用,實現高效生產運行。近年來,研發了適用于抽油機的恒功率運行、智能間抽技術,實現抽油機井精細化運行、自動化調整。針對平臺井,研發了自動化程度更高的電潛柱塞泵、電潛螺桿泵等新型無桿舉升系統,實現多井協同智能啟停、峰谷調節、錯峰運行。

3)加強油氣生產物聯網應用,全面實現地面生產自動化。通過油氣生產物聯網建設,支持油氣生產過程管理,實現油氣生產現場(井、間、站、處理廠)數據實時采集、傳輸及監控,推動轉變生產方式,優化生產流程、管理流程和組織機構,提高生產效率、提升管理水平[7-8]。

4.2.2 深化完整性管理

面對油氣田生產系統逐年老化、安全風險日益增多的嚴峻形勢,完整性管理已成為確保上游業務設施本質安全,實現由“事后被動搶險維修”到“事前主動檢測維護”轉變的有效手段,其對象為井筒、管道和站場。

1)加強井筒完整性管理,突出“三高”井管控。加強“三高”井從建井、生產到棄置全生命周期井完整性管理,實時監測、分析、預警、井口抬升、環空壓力,對井進行屏障評價、風險評價、完整性等級劃分,同時制定措施方案、跟蹤實施效果,確保“三高”井安全生產。

2)加強管道完整性管理,突出“雙高”管道管控。油氣田“雙高”管道多,管道失效率高,風險管控難度大。要在管道分類基礎上,全面準確掌握“雙高”管道分布情況,編制“一線一案”“一區一案”,做好“雙高管道”的檢測、評價及風險管控工作[9-10]。

3)建立站場完整性管理體系,提升站場設備設施管理水平。站場完整性管理內容包括工藝完整性、設備(動設備、靜設備)完整性、儀控系統完整性、配管完整性。應該做好風險分析、檢測評價;建立站場完整性管理體系文件,切實提升站場完整性管理水平[9]。

4)建立專業化檢測評價和運維體制,提高裝置運行可靠性。油氣田設施種類多,安全環保風險高,關鍵設備檢測評價和維修維護難度大且專業性強,應建立專業化、市場化的檢測評價和維修維護模式,提高檢測評價和維修維護質量。

5)加快推進完整性管理信息系統建設,提高完整性管理效率。依托A5系統開發井、站場、管道完整性管理模塊,實現自動分析評價,提高完整性管理效率,提升管理水平,保障生產設施安全環保高效運行[11]。

4.2.3 推行一體化經營

以效益為中心,加強資產、儲量、產量、投資、成本一體化管理,確保油氣田開發效益最大化。

1)堅持產量和效益并重,推行“全生命周期”的項目管理。在項目整個生命周期內,從方案設計、項目建設、生產運營到項目廢置各個環節進行高效率的計劃、組織和控制,在過程中進行動態管理、協調與優化。在加快發展過程中更應注重質量效益,確保新建產能對效益的正向拉動。

2)建立“全要素分析”評價體系,加強油氣成本控制。一是要客觀分析油氣田投入產出情況,找準高成本投入的主要因素,以及產量與成本的變化規律,為油氣生產、投資決策提供關鍵依據。二是強化折舊折耗、人工成本、措施作業管控,加強不同油氣藏類型、不同開發方式的差別化成本管控,從成本入手,全方位細化措施、全要素挖掘潛力、全環節消除浪費。

3)完善并深化ERP系統的應用,實現上游經營一體化管控。ERP系統集成應用推動了上游業務投資、項目、物資、設備、銷售等一體化管控,推進了上游項目全生命周期管理。應加強資源優化應用、人財物精準管理,整合運營、統一調度各類資源,降低運營成本。

4)強化對標分析,促進精益生產。堅持問題導向,以對標管理推進精益管理。通過對標管理,對比標桿定目標,確定工作的努力方向;通過對策管理,提出對策消除差距,分析問題制定提升措施;通過對比管理,對比同行發現問題,找出差距。

4.2.4 強化信息系統應用

抓好信息系統建設,實現辦公過程自動流轉,生產運行在線調度,移動辦公,提高辦公效率和工作質量,降低辦公成本。

1)辦公過程自動流轉,提高工作效率。生產數據、統計報表均應在線上報,要高度重視數據質量。開展信息系統的完善升級,以實現業務在線流轉,提高工作效率。

2)生產運行在線指揮,提升管控水平和應急能力。應基于已建生產運行調度指揮中心,開展多地、多專業協同工作,改變決策工作模式,優化決策流程,提高生產運行指揮效率,保障生產安全受控運行。

3)強化移動應用開發,實現移動辦公。借助移動應用,突破時間地域限制,實現生產數據采集、生產系統可視化、實時診斷決策、現場優化、快速業務處理等功能,大幅提高生產效率與管理水平。

4.2.5 深化數據分析應用,實現智能化決策

在數字化建設的基礎上,圍繞上游的開發生產業務活動,積極探索利用云計算、大數據、人工智能、可視化分析等技術,充分挖掘生產數據價值,實現由經驗型管理向智能化決策的轉變。

1)深化夢想云平臺建設與推廣應用,實現生產協同優化。在數字化模式下,實現不同層級、不同專業之間的信息同步、數據共享、平臺共用,形成“一體化技術研究環境”,推進專業融合及協同滲透,打破行政界限及專業劃分壁壘,提升協同優化在開發、生產過程中的響應速度及精準程度。

2)開發智能化應用,推進智能輔助決策。對開發方案、井位部署、鉆井設計、工程建設、增產措施、生產運營等全領域的實時論證、智能優化和精準科學決策,實現方案決策智能優化、生產過程智能操控、安全環保智能管控、經營管理精益高效,達到產量最大化、收益最大化的目標[12]。

4.3 打造兩個支撐

4.3.1 突出技術創新

面對勘探開發日益復雜的形勢,以及精益生產的需要,要積極推動科技創新,包括油氣田開發技術創新、重大工程技術創新和地面工藝技術創新。同時,聚焦核心技術攻關,成熟技術推廣,大型裝備國產化和A6夢想云平臺的深度開發[13]。

4.3.2 突出管理創新

管理創新是實現精益生產的重要保障,要在發揚傳統管理優勢的基礎上,創新管理理念,優化管理流程,建立與精益生產相配套的管理體系。

1)推動流程優化和管理變革,提升企業運行效率。首先要優化管理流程,全面梳理現有業務流程、管理制度、技術規范和操作規程,形成精益生產管理的標準化體系文件,建立數字化條件下與管理流程相配套的組織機構,推動管理變革。

2)優化隊伍結構,提升全員素質。以優化生產業務為主導,以信息化建設為支撐手段,按照“精簡管理、精干技術、減少操作、強化維護”的原則,優化調整人員隊伍結構,并且積極開展全員技術和管理培訓,建設一支適應精益生產的高素質人才隊伍,使全員能力得到提升[14-15]。

5 結論

精益生產源于制造業,在流程工業,特別是在油氣勘探開發領域開展精益生產對我們是個挑戰,本文提出的關于精益生產的理念、內涵和方法需進一步完善。各單位應發揮各自優勢,積極探索實踐,認真梳理開發生產的每一個環節,全員參與,不斷豐富和完善精益生產模式,把由傳統生產向精益生產轉變作為貫徹落實創新發展理念的一項重要舉措,推動精益生產向精益管理再到精益企業發展,最終成為上游業務的企業文化,為建成世界一流能源公司提供有力支撐。