基于區塊鏈的智能油氣田數據生態建設方法

胡耀義*，金鋒，修宇，宋光紅，陳治理

（1.中國石油工程建設有限公司；2.中國科學院西北生態環境資源研究院）

0 引言

2016 年召開的第46 屆世界經濟論壇達沃斯年會，將區塊鏈、人工智能、自動駕駛等技術一并列入“第四次工業革命”。2019 年10 月24 日，中國國家主席習近平明確將區塊鏈技術作為國家信息化的重要發展方向，并強調要把區塊鏈技術作為國家核心自主創新的重要突破口。隨著區塊鏈理論的持續完善和技術的不斷進步，區塊鏈的理論和應用技術在全球新的技術革新和產業變革中發揮著重要作用，其應用領域不斷擴大，應用深度不斷拓展。

對于智能油氣田數據生態建設來說，其涉及的價值鏈包括油氣田勘探開發、地面建設、生產運營管理和檢維修等各個環節，價值鏈冗長、溝通環節復雜、數據類型多樣，且數據量龐大，各業務節點的數據需要在透明環境下及時共享，同時節點間存在博弈行為，上述特征均符合區塊鏈方案可解決的相關技術特征［1-6］。

1 區塊鏈技術發展現狀

區塊鏈產業在國內外的發展階段、關注重點和發展特色各有不同，國家戰略與政策監管也各有側重。包括美國、德國、英國和中國在內的多數國家均重視區塊鏈技術在實體經濟中的創新應用，且制定了較為明確的發展戰略和監管政策。截至2019年底，全球約有3 000 家區塊鏈企業，中國成立區塊鏈產業園共計22 家，其中20 家為政府主導或參與推進。

從整體來看，區塊鏈技術的發展經歷了3 個階段：第一階段以比特幣去中心化的數字貨幣應用為典型代表；第二階段為可編程金融，引入了“智能合約”的理念，區塊鏈的應用范圍開始從單一的貨幣領域擴大到涉及合約功能的其他金融領域；第三階段是當前正在發展的階段，主要從數字金融領域延伸至物聯網、智能制造、司法存證、供應鏈管理、數據資產管理、電子商務等多個領域［7-12］。

智能油氣田的建設關系到油氣企業的發展戰略，以及對應的治理體系、業務體系和組織體系。油氣企業通過數據生態建設實現數據的資產化管理是油氣田數字化轉型的基礎，而基于數據生態開展應用生態建設是智能化發展的本質目標。目前，國內油氣企業在區塊鏈方面的實際應用幾乎空白，多為科研課題或試驗性質的項目；國外油氣企業將區塊鏈技術主要應用于生產、施工和能源大宗商品交易等環節，且取得了一定的成效。

如：2018 年12 月，阿布扎比國家石油公司與國際商業機器公司合作，推出基于區塊鏈的自動化系統，以整合價值鏈中的石油和天然氣生產，通過該系統的上線運行可跟蹤、驗證和執行從生產井到最終客戶的交易信息，旨在減少運營公司之間執行交易所耗費的時間，進而提高整個價值鏈的運營效率；2019 年2 月，康菲石油公司、埃克森美孚公司、雪佛龍公司等十余家石油和天然氣公司合作建立了美國首個產業區塊鏈財團——OOC 油氣區塊鏈聯盟，該聯盟主要針對區塊鏈技術進行試點性探索和行業標準化規劃等相關工作；2019 年，美國老牌海洋石油服務公司——鉆石海洋石油，推出了基于區塊鏈技術的鉆井服務系統，該系統為一個不可篡改的云服務管理平臺，可從任何支持網絡的終端設備訪問，用于從采購、施工、竣工到生產等階段優化油井的相關施工業務［13-17］。

綜上，區塊鏈技術在油氣田的應用依然局限于以具體油氣業務活動的優化與改進進行的研究和應用。從智能油氣田整體數據生態和應用生態結構來看，仍缺乏系統性的區塊鏈應用理論和具體的解決方案。尤其是在既有形成的油氣田信息化架構和經營管理模式之下，如何利用區塊鏈前瞻技術和創新成果，發揮區塊鏈技術的潛在價值，解決當前智能油氣田建設過程中面臨的數據資產管理和數據價值持續釋放問題，以及助力油氣企業的數字化轉型和智能化發展，是當前區塊鏈技術研究需要解決的重點問題。

2 區塊鏈技術的核心要素

區塊鏈由區塊和鏈兩個核心要素組成，區塊是存儲與管理數據的基本單位，區塊之間通過時間的先后順序形成鏈，區塊中的數據由參與區塊鏈建設的各方共同維護，每一個區塊的產生由區塊鏈特有的共識算法產生并更新，涉及的關鍵技術包括數據存儲技術、數據安全管控技術和數據共識技術。

2.1 數據存儲結構

數據存儲結構是區塊鏈數據存儲與應用技術的核心要素。對于傳統智能油氣田的數據生態建設，一般采用中心化的結構來存儲，包括主備式熱備份或冷備份結構；而區塊鏈的數據存儲結構是去中心化的分布式存儲，且每一個區塊的地位都是對等的，典型和較為通用的存儲結構是默克爾樹數據結構，樹的每一個節點即為區塊節點，節點和節點之間通過哈希地址進行關聯。區塊鏈中的每一個區塊分為塊頭和塊身，頭部區塊的哈希值存放在后續區塊的塊頭中（根區塊除外），而哈希值由計算機哈希算法產生，依次類推，形成整個區塊鏈的區塊和鏈條，塊身則包含了該塊經過多方驗證的可信數據記錄。

2.2 數據安全管控

數據安全管控是區塊鏈產生可信數據的重要手段。區塊鏈中每一區塊的數據由系統所有區塊節點共同驗證、認可并形成記錄，且任意兩區塊的持有權必須保證不能屬于同一組織，但數據在每一區塊中都有完整的拷貝。由于每個區塊形成的時間信息具有不可逆性和不可撤銷性，使得任何試圖入侵篡改區塊鏈某節點的行為將被拒絕，且容易被追溯而形成黑名單被納入區塊鏈信用體系進行記載和公示。區塊鏈數據的質量管控主要通過計算機密碼學理論和安全技術予以全方位保障，并提供可靠解決方案。區塊鏈的哈希地址（或指針）由該區塊鏈體系中的哈希算法產生，但從該地址則無法邏輯反推或關聯推導出區塊鏈某一節點所包含的具體真實數據內容；同時，由于計算機密碼學非對稱加密算法的應用，使得區塊鏈數據的加密和解密具有不同的密鑰，為區塊節點的增加和上層數據應用提供了可靠的信息安全技術保障。

2.3 共識機制技術

數據共識機制作為區塊鏈中的關鍵技術，是區塊鏈中各區塊持有者達成一致意見的策略和方法。其具體策略和方法是保證最新區塊被準確添加至區塊鏈，且能夠被其他區塊鏈節點所支持和接受，同時保證區塊鏈中各區塊信息的一致性、準確性、真實性、完整性和時效性的核心功能。需要說明的是，數據一旦被確認則難以進行刪除和更改操作，只能進行授權查詢或使用。從目前的技術發展來看，區塊鏈建設過程中可以利用的共識機制方法主要包括工作量證明（POW）法、權益證明（POS）法、工作量證明與權益證明混合（POW+POS）法、股份授權證明（DPOS）法等。具體使用哪一種方法，則需根據具體的業務需求和區塊鏈架構來甄別和選擇，以確保區塊鏈共識機制與業務本身無縫融合，產生最大的投入產出比。

3 區塊鏈存儲技術在智能油氣田數據生態建設中的應用要點

目前，智能油氣田正在向信息共享、業務協同、全面感知、主動管理和智能決策的方向發展，而數據生態建設是實現該目標的基礎條件。對于智能油氣田數據生態的概念，可以總結為：以油氣田的數字化建造和智能化運營為目標而構建的數據采集、數據關聯與存儲、數據移交、數據應用、數據管理，以及配套的標準、規范和操作規程的數據資產化體系環境。智能油氣田數據生態的建設內容涉及專業多，業務復雜，數據融合難度大，產生的數據類型不同，并且各數據管理主體之間的目標、職責和權力等不一致，往往需要多方協作配合才能完成［18-19］。而區塊鏈具有存儲去中心化、數據難以篡改、信息共享透明、各區塊獨立等技術應用特征，因此在智能油氣田數據生態建設中，區塊鏈技術具有較高的先天應用優勢和后天發展前景。

智能油氣田數據生態的建設，其基礎是在數據生態環境中數據的資產化管理與運營，本質是高質量數據的產生，核心是數據全生命周期的管理，目標是數據價值的不斷激活和持續釋放。智能油氣田數據生態建設過程中，存在數據延遲交付、數據泄露、數據質量參差不齊，關鍵設備信息難以追蹤和整合，相關數據讀取困難、數據版本多樣、數據血緣斷裂、數據不一致等問題。其中，數據延遲交付、數據泄露和數據質量等問題就是由于數據管理不透明，數據的生產和儲存不在同一地方且由不同人管理，存在數據“孤島”等原因導致。

3.1 可信數據應用要點

智能油氣田數據生態環境中數據的資產化管理與運營，對數據的完整性、準確性、真實性、一致性和時效性都有非常高的要求。區塊鏈每個節點存儲都是獨立的、地位相同的，而傳統分布式存儲一般是通過中心節點往其他備份節點實時或分時同步數據。區塊鏈技術不依賴額外的第三方管理組織機構或軟硬件設施，沒有中心化管制，除了自成一體的區塊鏈系統本身之外，通過分布式技術予以生成、存儲和管理，各個節點實現了信息區塊鏈系統內多方驗證、矯正、傳遞、共享和管理。因此，可以在智能油氣田部分具有數據交付和接收關系的單位形成一個區塊，并將區塊進行鏈接，可以有效保證不同數據交付、接收和應用單位對可信數據的本質訴求，并且由于數據的存儲與查看僅限于組織內部，可采用許可鏈的方式予以構建。

區塊鏈除了各區塊持有者的私有信息被加密外，區塊鏈中各區塊的真實數據對所有區塊持有者均開放，任何區塊鏈參與者均可通過公開的數據通道或接口查詢區塊鏈數據，或基于該數據開發相關智能化油氣田的上層應用，這種機制可以有效解決不同參建單位的數據僅保留在自己手中的現象，可極大提升數據的共享能力和數據應用的透明度，盤活大數據時代的油氣田數據價值，杜絕油氣企業數據資產管理過程中主觀人為數據的變更和篡改。

3.2 數據安全管控應用要點

2019 年12 月1 日，中國網絡安全等級保護2.0國家標準正式實施，對智能油氣田的數據安全提出了新的要求。智能油氣田數據生態建設的數據安全主要包括四個方面：一是確保從產業鏈獲取數據的準確性和一致性；二是數據不能被中途篡改；三是數據不能泄露；四是數據不能丟失。從智能油氣田區塊鏈建設的角度來講，解決這四個問題可采用區塊鏈的數據安全思想來解決。

第一，獲取數據的真實可靠性由油氣田建設和運營的各方共同驗證和確認，這樣杜絕了數據源頭僅從數據采集單位來確定的弊端；同時，設計時需要整體考慮，關注數據如何存入區塊鏈，通常會結合物聯網等技術，采用自動采集設備數據等手段，避免人工錄入，從而保證數據從源頭的準確性和一致性。

第二，數據的不可篡改性由智能油氣田區塊鏈的時間序列和對應區塊數據交易共識算法來保證。

第三，雖然區塊鏈中各區塊的數據各區塊持有者都可見，但數據可在許可鏈的權限管控機制下有效運行，且存儲在區塊鏈上的賬戶身份信息是通過計算機非對稱加密算法加密的，只有在數據擁有者授權的情況下才能訪問；區塊鏈各區塊都具有數據的完整拷貝，除非區塊鏈系統中的所有區塊節點被破壞，否則數據不會丟失。該方式是解決智能油氣田數據生態建設數據安全管控的新型工具之一，尤其在當前國際形勢下，通過對數據的安全運營，成為企業實現科學發展和提質增效的有效方法之一。

第四，區塊鏈分布式存儲的方式，保障了單個結點的損壞、退出不會影響區塊鏈數據的完整性，從而極大降低了數據丟失的風險。

3.3 共識機制技術應用要點

智能油氣田數據生態的建設單位眾多，涉及數據采集單位、數據存儲單位、數據移交單位、數據應用單位和數據管理單位，同時與油氣田建設的設計單位、采購單位、施工單位等存在眾多復雜的關系，如何形成一套高效的被區塊鏈持有者各方認可的約定和共識機制，是當前智能油氣田良好數據生態環境建設的系統性問題。

第一，在智能油氣田數據生態建設的數據產生、質量審核、數字孿生體生成、數據模型與業務模型融合、數據移交和應用等管理過程中，可利用區塊鏈技術的共識機制，形成數據高效獲取、信息快速流動、應用安全快捷的使用機制；第二，在智能油氣田數據生態建設中，涉及勘探開發、建設和運營等多單位、多產業、多專業的協同工作，因此會產生大量的數據交易，而智能合約可解決智能油氣田數據生態全生命周期的管理效率問題，同時可提升智能油氣田數據生態的智能化應用水平和決策支持能力。

4 區塊鏈技術的應用價值

常規油氣田勘探與開發，從可行性研究到實施耗時較長，通常短則數月長則數年的時間。使用區塊鏈技術，不僅可以減少協調溝通成本，還可以計算相關數據的可信度，而且在每個階段，區塊鏈都可以提供不可篡改的追溯記錄。

在智能油氣田的經營管理過程中，有時需要根據整個系統的信息和數據做出決策。但是，獲取與物理實體對象具有關聯關系的可信動靜態數據較為困難，且來自不同獨立系統的數據和信息，其結構、協議和數據格式存在不一致的問題。區塊鏈技術可以使數據共享、交換和傳輸更加高效，從而提高決策的及時性和正確性。此外，智能合約還可以實現自動化、透明的決策投票程序，任何人都可以公開檢查結果，保證信息在可信范圍內的透明度。

在智能化條件下，需要對油氣田物理實體和數字實體（數字孿生體或數字雙胞胎）進行融合管理，若將相關數據形成區塊鏈，將相關建設數據和運行數據上傳到區塊鏈并形成智能合約，則可以更加完整、可靠地對油氣田運行情況進行管理，使得油氣資源的管控和部署更加科學有效。

目前，國內外智能油氣田數據生態的建設主要以中心化的方式進行數據架構與業務管理，這也是上述區塊鏈技術在智能油氣田數據生態應用中存在的巨大挑戰，但可以通過選擇某一典型工程項目的建設與運營管理進行試點，并將現有數據庫系統中有可信、共享等需求的數據作為上鏈，并通過螺旋式加深的方式不斷擴展至整個企業生態上下游，以穩妥的方式實現油氣田企業面向未來可持續發展的數字化轉型工作，逐步解決既有油氣田企業信息化建設過程中存在的數據生態結構性和系統性問題。

5 結束語

智能油氣田數據生態建設的關鍵是建立數字化交付體系，形成數據獲取、數據資產化和數據資產價值交付的數字化交付標準，以及全生命周期管理工具和服務交付平臺，打通數據資產價值賦能產業的橋梁。通過目前已開展的區塊鏈技術研究和應用探索成果情況來看，基于區塊鏈技術應用要點開展智能油氣田數據生態構建，可有力支撐智能油氣田應用生態中可視化、智能化應用對可信數據的需求，進而助力油氣田企業的數字化轉型和智能化發展。