某海上氣田智能化建設探索

鄭成明 劉向陽 石詠衡 吳紅光

1中海石油（中國）有限公司湛江分公司東方作業公司

2國家管網集團油氣調控中心

目前以網絡化、信息化與智能化深度融合為核心的第四次工業革命正在重塑油氣工業格局[1]。同時，面對突如其來的油價寒冬，全球各大油企不約而同地將智能化油氣田建設作為企業重塑競爭力、迎戰低油價的關鍵措施[2]。中國海油也積極融入數字化創新大潮，大力推動現代信息技術與傳統產業深度融合。在2020 年工作會議上提出“1534”的總體發展戰略，正式提出“傳統管理模式向現代化、數字化、智能化跨越”的發展思路。

南海某氣田共包含7 座井口平臺、3 座中心平臺以及1座陸岸終端，開采出來的天然氣在平臺進行脫水處理，再通過兩條海管輸送至陸岸終端進行組分調配后輸送至下游用戶。氣田具有良好的自動化控制基礎，2018 年被確定為海洋石油智能化建設的試點單位。

1 智能化建設總體思路

通過對氣田現有設施進行自動化提升改造，即完善視頻監控系統、引入智能巡檢機器人、激光對射泄漏監測等智能化設備，最大限度地減少現場作業人員。同時建設陸地操控中心，對海上油氣生產全過程實時監控、遠程操作、協同作業、科學決策，最終實現降本增效、重塑企業低成本優勢、實現高質量發展的目標。總體建設目標是實現井口平臺無人化、中心平臺少人化、綜合管理一體化。

1.1 井口平臺無人化

井口平臺主要負責油氣生產，將井口產物（油、氣、水）通過海底管道輸送至中心平臺進行處理。井口平臺具有工藝流程簡單、動設備少的特點，升級改造難度低。但由于客觀原因，需要人員長期駐守，通常采用守護船實現人員在中心平臺、井口平臺間每日轉運，以維持平臺生產，平臺開發運營成本高。因此井口平臺無人化是智能油氣田建設的首要目標。

2018 年以來，中海油各大海域陸續開展海上平臺無人化建設，開發出一批以錦州20-2N/W 等為代表的無人井口平臺，降本增效成果顯著[3]。

1.1.1 主要思路

（1）全面感知。增加工藝系統遠程參數監測點位；增加關鍵設備如中壓開關柜、UPS等在線監測系統；完善遠程視頻監控系統；通過光纖在中心平臺實現對井口平臺的全面感知。

（2）遠程操作。開展井口控制盤和采油樹油嘴改造；增加動設備如開排泵、閉排泵等遠程啟停功能；實現遙控開井、關井和遠程產量調節及生產控制。

（3）安防提升。增加消防泵遠程操作功能；升級平臺登臨方式；增設防外部人員非法登臨平臺監控和防護措施，強化井口平臺本質安全[4]。

1.1.2 建設效果

目前已經完成1座井口平臺改造工作。實現實時監控、遠程操控、遙控關斷、一鍵復產等功能，人員登臨平臺周期從每日延長至每月，實現真正意義上的無人化。

1.2 中心平臺少人化

相對井口平臺，中心平臺常設置有燃氣發電機、燃氣透平壓縮機、三甘醇脫水、脫烴系統等，工藝流程復雜、動設備多，如果進行中心平臺無人化，則投資成本和安全風險將大幅度提升，且國際上尚無實施案例。主要思路如下：

（1）減少現場巡檢人員。增加現場工藝參數監測點位；完善視頻監控；增設電動閥、電動油嘴等提升中心平臺自動化水平；利用智能機器人替代人工巡檢；降低現場人員巡檢工作量，最大限度減少巡檢人員。

（2）減少現場維修人員。增加智能設備管理軟件，實現儀表、閥門智能診斷和管理；實現關鍵設備狀態監測、故障預警，減少設備非計劃停車次數，降低現場人員檢修工作量，最大限度減少現場維修人員。

（3）減少項目施工人員。采用“訂單式維修”模式，大型維修作業由陸地維修隊負責，在陸地實施預制，減少現場維修作業工作量，將項目施工人員后移至陸岸終端，減少現場項目施工人員。

通過中心平臺少人化改造，中心平臺現場人員預計減少30%。

1.3 綜合管理一體化

在陸岸終端建設綜合管理一體化平臺，集成相關管理平臺，避免形成“數據孤島”，可同時實現海上井口平臺、中心平臺、水下生產設施、陸岸終端全覆蓋，實現對油氣生產全過程的實時監控、遠程操作、協同作業、應急管理、專家支持等，打破以往跨專業間封閉的工作模式，提高遠程操作、生產運行效率和決策水平。

海上平臺綜合管理一體化平臺之間的通信方式主要包括以下兩種：①衛星通信。為保證生產穩定，海上平臺和一體化管理平臺之前的相互通信通過衛星實現。經過測試，當帶寬達512 kb時，遠程操控和現場操控無延遲，可實現海上平臺的遠程操控。②微波通信。微波通信具有傳輸數據量大的特點，海上平臺的視頻監控、輔助檢測系統如振動檢測系統、能耗檢測系統、智能調配氣系統等均通過微波實現雙向通信。綜合管理一體化管理平臺與海上平臺共設計三條微波鏈路，每條鏈路設計通信能力為80 Mbit/s。

海上井口平臺與中心平臺之間的通信采用光纜的方式實現，綜合管理一體化平臺和陸地數據庫之間的數據傳輸采用運營商專線實現（圖1）。

圖1 海上平臺與陸地通信示意圖Fig.1 Communication diagram between offshore platform and land

綜合管理一體化平臺共設置8大功能模塊，包括遠程監控、生產管理、資產管理、能耗管理、調度管理、安全管理、仿真培訓、專家系統，實現遠程監控、生產可視化、跨專業協同作業、跨管理層級協同調度指揮、跨地域專家遠程支持，起到了海上與陸地油氣生產“作戰部”和“指揮部”的作用。

綜合管理一體化平臺的應用將徹底改變原平臺設備管理、項目管理、人員作業的工作模式[5]。采用“訂單式維修”模式，由陸地操控中心統一規劃、統一管理，為平臺提供物料、人員、技術、數據、管理等方面的支持，大幅度降低海上作業人員數量和技能要求，實現海上作業人員向陸地轉移。同時為各專業協同作業、應急事件處置、專家輔助支持、不同層級管理人員指揮提供數據支持和可視化人機交互界面，大幅提高生產運營效率。

2 智能化建設關鍵內容

2.1 智能巡檢機器人

通過在平臺各層甲板以及終端部署智能巡檢機器人，利用機器人實現對壓縮機、泵、管道、容器等生產工藝設備的指針式壓力表、指針式溫度表、環境中氣體、噪聲、溫度進行監測，識別異常工況，并進行預警，從而替代人工巡檢，減輕現場員工的勞動強度，降低人工巡檢的安全風險，實現有效、可靠巡檢，提升設備的本質安全管理[6]。

智能機器人具有5項功能：①圖像智能識別功能，通過對識別的圖像和標準狀態下的圖像進行對比，對異常工況進行預警，并拍照取證[7]；②火災識別功能，利用紅外頻譜功能準確識別現場火源；③熱成像功能，利用熱成像技術檢測異常熱源，及時識別設備和管線的跑冒滴漏現象；④激光可燃氣檢測功能，選用高精度、高選擇性、快速響應的激光可燃氣檢測儀器進行天然氣泄漏檢測[8]；⑤音頻識別功能，實時檢測遠傳環境噪音，后臺識別，檢測設備運行工況。

2.2 智能調配氣系統

氣田共包括3 個氣田群、100 余口生產井，各平臺以及各單井之間組分差異巨大，單井組分甲烷含量范圍25%～81%（體積分數）。下游共有5 個用戶，各用戶組分差異明顯，且用戶對于組分波動較為敏感，組分的異常波動會導致下游用戶跳車，經濟損失難以估量。

智能調配氣系統采用兩級聯控的方式，即優先通過對單井或井口平臺的調整，降低組分波動的幅度；組分波動氣到達陸岸終端后，通過自動調整工藝流程中的調節閥和脫碳系統的處理量，最終實現銷售氣滿足下游用戶的需求。

通過上線智能調配氣系統，建立全流程模型、單井供氣模型、海管儲氣和緩沖模型、調配氣控制閥流量特性曲線，并引入“大數據”“智能學習”等技術，實現算法的自動優化[9]。最終實現異常工況預警、單井氣量和銷售氣量的優化調整、異常生產工況組分波動處理，在實現銷售氣量最大化的前提下，保證下游用戶穩定生產，降低生產運行成本。

2.3 綜合管理一體化平臺

綜合管理一體化平臺建設目標是通過工作方式、管理機制的變革和流程的優化，利用自動化、數字化和智能化等技術手段，建立一套決策系統，用于海洋油氣田遠程監控、生產運行和應急指揮；打破以往跨專業間封閉的工作模式，實現多專業高效協同作業和生產操作精細化管理；充分發揮各領域技術專家優勢，共享系統內知識與經驗；提升海上油氣田自動化和數字化水平；轉變現有生產運營方式，實現決策點后移；利用大數據和人工智能算法深入挖潛數據價值，為生產運營、指揮和應急響應提供數據支持，助推公司實現數字化轉型。

綜合管理一體化的實施將全面推動海上平臺業務重構、管理流程優化、管理效率提升、管理機制變革，加快推進海上氣田生產運營數字化和智能化。

3 結論

（1）井口平臺無人化、中心平臺少人化建設將最大限度地減少現場作業人員數量，實現作業人員從海上向陸地的轉移，改善員工工作環境，體現公司以人為本的管理理念。

（2）綜合管理一體化平臺具有基礎服務、全面感知、整體協作、科學決策等特點，是對目前海洋油氣田海上生產裝置的運營模式的創新與探索，將全面推動海洋石油平臺進行業務重構、管理流程優化、管理效率提升，促進海上油氣開發的變革和轉型。

（3）智能化新技術的探索與應用將推動海洋石油與數字化、智能化技術的結合，有效降低海上油氣開采成本，同時實現降本、提質、增效，重塑企業低成本優勢，實現高質量發展[10]。

（4）在智能化氣田的建設過程中將逐步建立和完善我國海上平臺油氣開采的相關技術標準和規范，同時促進海上石油平臺在設計、建造、使用各個階段標準和規范的更新。