油氣田地面建設工程數字化管理創新與實踐

李 懿 黃 婕

1. 中國石油西南油氣田公司川中油氣礦, 四川 遂寧 629018;2. 中國石油西南油氣田公司工程項目造價管理中心, 四川 成都 610056

0 前言

伴隨大數據和云計算技術迅速崛起的新動態以及互聯網與各行業深度融合的新趨勢,實施油氣田數字化建設與管理,是提升上游業務生產效率、加強安全管理、控制生產用工、節約生產資料和優化生產關系的有效途徑,同時也是提高油氣田開發管理水平和綜合效益的必然選擇,對實現能源戰略目標具有長久可持續的意義。中國石油集團勘探開發生產分公司于2017年底發布《油氣田地面工程數字化交付規范》,旨在規范和指導各油氣田地面建設工程的數字化建設,也指明了未來工作的方向;2018年初,中國石油西南油氣田公司進行了貫標培訓,提出明確方向和要求;中國石油西南油氣田公司在“十三五”信息化總體規劃中提出打造油氣田地面工程建設業務管理平臺的目標,經過對龍王廟、長寧頁巖氣干線等多個項目數字化移交工作的探索和總結,亟需一個公司范圍內的統一數字化管理移交平臺,為此決策建立數字化管理移交平臺,用于公司油氣田地面建設工程使用。

1 油氣田地面建設工程數字化管理需求

1.1 外部環境因素

1.1.1 工程建設速度與質量管理需要提升

國家石油天然氣供應量不斷提升,為落實中國石油天然氣集團有限公司推進新時代穩健發展、建設世界一流綜合性國際能源公司的戰略部署,努力實現“三步走”的總體戰略部署;油氣田作為石油和天然氣供應鏈的上游,石油天然氣產能提升,要求工程建設速度和質量的管理也有明顯提升[1]。

1.1.2 施工安全成工程建設重要關注點

在油氣田施工過程中,存在人員流動大、現場監管不到位、物資材料違規改代和隱患未及時整改等問題。

1.1.3 用工成本提高要求工程管理創新

用工成本不斷提高,為了有效控制成本,參建單位一方面需要考慮引入無人化、智能化的管理技術,有效減少人員雇用;另一方面,需要進行工程管理方式創新,提高人員運作效率。

1.1.4 材料成本控制迫使管理技術提高

由于未充分提前考察施工現場環境或其他情況導致施工方案臨時變更,設計變更情況頻發且變更執行情況難以記錄,以及備料計劃或者現場發料控制等原因,都有可能導致施工材料的大量浪費。

1.2 內部環境因素

1.2.1 現場人員管理監管難

現場的施工人員繁雜,特種作業資質要求嚴格,依賴人工現場巡查的方式耗時耗力且難以解決根本問題;野外施工人員流動性大,人員統計實時性低,導致工程人力資源統籌管理能力弱,需實現對施工人員的精準監管和統計[2]。

1.2.2 設計成果貫通使用難

項目管理方及參建單位還未完整貫通使用設計成果，設計成果使用效率有待提高。采用手工圖紙和會議交流的方式不可避免地導致溝通效率低,也無法在多專業與各施工管理部門之間形成實時信息互換與協同。

1.2.3 物資采購與安裝有效管理難

工程項目物資采購過程面臨物資種類雜、數量多等特點,項目物資管理主要依賴報表收集,信息具有滯后性,數據統計不夠精確,不能滿足基建工程處和物資管理部對物資情況精細化把控的管理需求。

1.2.4 線下審批流程流轉耗時長

工程施工部分面臨后期資料的整理編制,資料以紙質文件為主,存在資料整理時間長、可追溯性差等特點。線下審批方式、簽字蓋章流轉過程繁多。各環節的審批材料均以紙質文檔作記錄,歸檔工作量巨大并存在嚴重滯后。

1.2.5 質量管理問題難以發現與追溯

工程實施過程中,主要由質量監督單位對工程質量進行上報,以報表及匯報材料為主,不能完整展現工程的整體質量信息;隱蔽工程施工工程質量記錄難度大,目前主要以現場檢測為主,提交的資料以紙質形式進行記錄,查閱過程復雜[3-4]。

1.2.6 進度管理不夠細化

以往的進度計劃上報審批為線下流程,不便于管理單位了解審批進度;各參建單位根據工程實際情況編制進度日報和周報,不便于管理單位直觀了解工程進度;工程進度資料以紙質形式為主,歸檔收集難度大,工作量增加。

2 油氣田地面建設工程數字化管理手段

為了提高油氣地面建設工程精細化管理水平,探索油氣田地面工程建設數字化管理模式,越來越多的企業參與到項目數字化管理建設中。本文介紹了最新的油氣田地面建設工程數字化管理在工程實踐中的應用,總結了關鍵的技術手段,探討了互聯網技術手段在工程項目從立項設計、建設施工到交付運營等全生命周期階段的應用,實現了項目全生命周期的數字化管理,提升了項目的智能管理效率[5-6]。

2.1 在線三維設計協同

2.1.1 不同類型三維設計模型解析

三維設計模型支持主流的工程數據解析,包括Revit、PDMS、AutoCAD、Smart3D Plant3D、CADWorx等軟件,附帶加載對象的屬性信息,圖1展示了REVIT、PDMS的三維模型解析。指導工廠設計優化,降低施工變更帶來的工期延滯與計劃外成本投入[7]。

a)Revit模型a)Revit model

b)PDMS模型b)PDMS model

2.1.2 三維設計在線分享

三維設計模型采取按需調取的方式(類似于地圖的加載模式),通過超高壓縮比進行輕量化設計,能夠通過各種終端實時查看三維設計模型,滿足各類管理應用場景[8-10]。

圖2展示了輕量化壓縮后的效果,通過在線審圖的方式,不受時間和地域的限制,打破了審查過程中專業的分割,極大地提高了審圖效率和審查意見的合理性。

圖2 輕量化效果圖Fig.2 Lightweight design of 3D model

三維設計在線分享也促成了在線審圖的方式,可以通過各種終端及時查看最新模型,不受時間和地域的限制,打破了審查過程中專業的分割,極大地提高了審圖效率,見圖3。通過審查意見和位置標注相結合的方式,保證審查意見具有明確的指向性。將審查意見、討論過程、解決方案與模型中的位置一一對應,極大地降低了審查過程中的溝通成本,保證審查報告的完整性和準確性[11]。

圖3 多終端查看三維設計圖Fig.3 Multi-terminal view of 3D model

2.1.3 三維設計實現排產與采購的優化

三維設計技術提供豐富的IDF/PCF文件配置選項,可以準確快速導入數據,完整保留管道的外觀、區域位置及工藝參數,并且自動識別管線原件鏈接焊點,圖4是智能識別焊點模型。

圖4 智能識別焊點模型圖Fig.4 Model of intelligent recognition of solder joints

數字化系統可以實現手動插入焊點。手動增加管線上的焊點,尺寸定位可以直觀顯示,見圖5;也可以手動增加支架與管線間等其他特殊焊口,見圖6。

圖5 手動增加管線上的焊點圖Fig.5 Manually add solder joints on pipeline

圖6 手動增加支架與管線間的焊點圖Fig.6 Manually add solder joints between support and pipeline

另外,數字化系統可實現管線與焊口的三維顯示。依據焊口類型快速設置安裝口和預制口,且自動完成焊口編號,實現三維場景中焊口編號直觀顯示。

2.2 全流程物資管理

2.2.1 從設計模型提取物資需求

根據設計解構設備、物資詳細需求數據,形成統一編碼,實現調整設計與物資采購計劃變更一鍵同步。

2.2.2 物資二維碼技術

以二維碼作為載體,將物資的設計專業數據、采購過程數據、供應商生產數據、物資出入庫和安裝數據進行集成和展示,圖7展示了二維碼系統集成數據信息。

圖7 二維碼系統集成展示數據信息圖Fig.7 Integrated display of data information byQR code scanning system

2.2.3 掃描二維碼“識物”

各物資參與方負責補充填寫各自工作對應的物資屬性和狀態,通過分享使信息互通,實時掌握物資的動態和去向。工作人員通過掃碼,做到動態掌握庫存和及時清料,減少人員投入和物資消耗。

物資管理各環節數據相互銜接,通過業務流程關聯數據,將物資全流程的數據以列表和數據關聯圖的方式進行展示,實現物資狀態的跟蹤和全過程追溯。經過數字化系統統計和分析的數據,可以作為決策的依據,方便資源的調配,服務于管理。

2.3 集成化項目過程管理

2.3.1 線上流程管控

利用線上流程管控可視化功能,明確崗位職責,固化審批流程,自動推送任務,審批過程全記錄;解決現場資料審批繁瑣,審批過程跟蹤難、不可追溯的問題。

2.3.2 在線電子簽章簽名

以網頁環境為媒介,以數字簽名、信息加密為核心,保證電子簽章的安全性和有效性。實現印章管控“可追溯、電子化、移動化”,提升公司印章管控能力。同時,通過線上流程電子簽章系統,可以控制文檔的有效性,最終將結果文檔傳遞到數字化移交平臺,實現在線歸檔。

2.3.3 歸檔表單線上標準化

根據《油氣田地面建設工程(項目)竣工驗收手冊》要求,編制符合驗收標準的表單模版,并將模板固化到數字化移交平臺中。施工單位填寫竣工資料時,由數字化移交平臺自動掛接對應的標準化模板,有效地解決竣工資料模板不統一的問題,保障竣工資料模板格式符合驗收標準。

標準化的模板、結構化的數據和線上可視化的流程,配合電子簽章,實現竣工資料格式的標準性、數據的準確性和簽章的便捷性,降低竣工資料的返工率,極大地提高竣工資料的歸檔效率[12-14]。

2.4 進度和質量實時跟蹤

2.4.1 數據采集APP應用

依賴實時數據采集APP對焊接、安裝等施工數據的準確獲取。基于可視化場景,宏觀上實現施工進度、質量、安全、物資等信息的綜合呈現,實現“虛擬站場”與“實際站場”的同步建設[15]。

數字化系統重新定義工程建設管理,通過輕量化的工程建設沙盤,讓工程變得可感知、可計算、可優化、可調度;可將以往工程現場檢查流程簡化為線上管理,做到秒懂現場,實現“不去現場,更懂現場”,同時將以往的傳統周報、月報,變成實時動態,使決策者更懂現場,圖8展示了多種場景下的施工監控可視化場景。

圖8 現場施工情況與數據實時查看場景截圖Fig.8 Screenshots of on-site construction situation and data real time viewing

2.4.2 場外預制組橇數據跟蹤采集

通過接入參建單位的預制組橇系統,調用與統計分析排產信息與施工信息,實時掌握預制組橇的施工進度,實現對預制組橇過程的精細管控,見圖9。

圖9 管線預制精細化管理圖Fig.9 Fine management of pipeline prefabrication

基于三維設計模型對焊口進行精細化管理,記錄工程施工過程設備安裝、焊口焊接等全工序數據,實現全工程數據系統化記錄、模型化對齊。

2.4.3 三維場景貫通工程建設管理全過程

通過與三維設計對齊,構建施工排產與進度質量一致性,并建設可視化電子沙盤,見圖10。針對集輸工程,實現焊口位置精準測量,并將施工完整性數據植入至三維真實場景中,實現集輸施工數據完整可查[16-17]。

圖10 場站型建設可視化沙盤管理圖Fig.10 Visual sand table management of stationtype construction

融合3DGIS空間數據+BIM工廠模型,構建工程真實場景。在設計階段伊始,為管線走向選擇、優化變更、場站布設規劃等，提供可操作、可分析的支撐平臺。

2.4.4 移動辦公APP應用

圍繞建設項目進度、質量、入場人員、作業安全等業務,通過構建移動APP來輔助業務人員隨時隨地對建設項目進行管理,見圖11。

圖11 移動APP管控Fig.11 Mobile APP control

2.4.5 無人機巡檢應用

通過設置無人機飛行任務,直播施工現場高風險作業面,實時瀏覽與回溯現場作業情況。同時利用720°全景影像及精細化航飛照片,實現施工現場可視化定格記錄。

2.5 視頻AI識別智能管理

2.5.1 人員出入場管控

現場施工人員需上報個人資質且通過審核才能入場進行施工；同時施工現場安裝出入場人臉識別閘機、智能監控設備,且與人員資質信息系統相對接,實現施工人員出入場可控以及人臉識別打卡管理。

2.5.2 人員行為監督

采用人員攜帶式芯片,定位人員實時位置,關鍵風險人員離崗警示。杜絕部分管理人員監而不管的“真空”現象,顯性化三類專職安全人員在崗履職跟蹤考核。

采用固定式、移動式高清攝像頭,實現對施工現場無死角的視頻監視,并利用機器學習實現自動分析和報警。通過視頻抓取和語音喊話功能,及時固化違章證據和行為。

2.5.3 白班與夜班出入智能管控

根據排班計劃,制定白班與夜班的出入場規則,智能判別不同班次人員出入場權限,嚴格控制各班次人員出入場,實現工廠夜間檢測人員資格審核和無關人員禁止入場,嚴把夜間建設安全關。

2.6 矢量化掃描工程成果數字移交

2.6.1 三維激光掃描

基于高精度三維激光掃描,實現虛擬與現實高度統一,集成施工過程全流程數據,支撐運營期業務應用[18-20]。最終構建一套與現實完全一致的克隆工廠模型,實現基于對象的設計、測量、建模、圖檔等數據的歸一承載,圖12展示了某工廠三維掃描成果的示意效果。

圖12 某工廠三維掃描成果導入示意圖Fig.12 Schematic diagram of a factory’s 3D scanning results import

2.6.2 移交孿生“克隆工廠”

數字化系統整合地理信息數據(DOM、DEM、傾斜攝影)、地面工程建設期數據、竣工掃描模型、焊縫、三樁一牌、高后果區、穿跨越、應急資源、720影像、視頻監控等數據,依托可視化核心技術,構建工程建設期的數字孿生體,成為工程運營期的數據基座[21]。在完成三維設計、掃描、克隆等三套模型統一后補充工藝焊口位置的標繪、設計、焊接、防腐、檢測、竣工等數據,完成從設計模型到竣工模型的轉變,見圖13。

圖13 三維克隆工廠構建示意圖Fig.13 Schematic diagram of 3D clone factory construction

2.6.3 文檔資料數據對齊

現場施工的同時進行數據錄入,即時生成歸檔文件表單,將各項目全過程數據進行結構化處理,并匯集成數據池作為工程資料全集[22]。從工程數據池中抽取、組卷(件)形成工程資料移交材料,并通過整理推送至資料歸檔系統,完成工程資料的統一匯總、收集,實現對所有工程資料的精準查閱和三維掛接,實現工程資料線上收集、線上歸集、線上移交,公司級基建工程資料“精細管理、數據傳承、知識共享”的目標。

3 結論

以油氣田地面建設工程項目為載體,打造并逐步迭代更新油氣田地面建設數字化管理移交平臺,引領基本建設領域向信息化管理邁進。以項目建設為主線,與工程實際進度同步開展,體現項目從設計、采購、施工、及竣工驗收的全過程在線電子化管理。主要實現的功能如下。

1)變革設計審查模式,實現三維協同設計及施工圖在線審查與記載;通過二維碼掃描系統實現物資采辦全流程電子化管控;通過多種數據收集手段,實現施工數據采集全覆蓋;采用“電子簽章+流程化管控”,保障原始數據利用真實可靠、依法合規。

2)精細沙盤管理,虛擬、現實同步建設,通過可視化場景直觀掌控施工信息;利用工程項目建設期完整準確的數據資源為項目全生命周期提供可靠的數據基礎;通過多項目數據積累形成對項目管理的科學認知,輔助項目管理決策。

3)以三維設計模型為主線,整合工程項目建設數據,推進油氣田地面建設工程數據由零散分布向統一共享、風險管控模式由被動向主動、項目管理由手工紙質向數字化無紙化的轉變。