油氣田智能化管理建設及其應用研究

□ 文/張光一 楊甲玉 惠寧

我國從石油凈出口國轉變?yōu)閮暨M口國后，石油對外依存度一路攀升，目前油、氣對外依存度已超過70%、40%，油氣生產(chǎn)行業(yè)保障能源安全供給的壓力越來越大。2020年年初以來，新冠肺炎疫情和油價暴跌疊加影響對油氣田開發(fā)企業(yè)帶來了前所未有的困難和挑戰(zhàn)，與此同時，現(xiàn)已探明的油氣資源品味不斷在下降，新探明儲量的增長難以接替動用儲量，這也是油氣田開發(fā)企業(yè)不得不面對的一個長期問題。但是，也給油氣田開發(fā)企業(yè)的轉型升級提供了難得的機遇，近年來隨著數(shù)字化、信息化技術在油氣田開發(fā)領域應用的成熟，以及油氣田生產(chǎn)行業(yè)在數(shù)字化建設方面的投資近年來持續(xù)增加，已成為油氣田開發(fā)企業(yè)提升管理、增加生產(chǎn)能力的一個重要舉措，提高油氣田開發(fā)企業(yè)的數(shù)字化、信息化水平，加強現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)與傳統(tǒng)石油工業(yè)的深度融合，已成為油氣生產(chǎn)行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展和轉型升級的必然選擇，油氣田的智能化管理建設也正成為油氣田開發(fā)企業(yè)實現(xiàn)轉型升級的主要路徑。

1 智能油田建設現(xiàn)狀及問題分析

1.1 智能油田建設現(xiàn)狀

本世紀以來，油氣田開發(fā)企業(yè)緊跟時代發(fā)展，持續(xù)加快數(shù)字化設施投入，部分油氣田開發(fā)企業(yè)已逐步實現(xiàn)井下作業(yè)、井站生產(chǎn)現(xiàn)場遠程實時監(jiān)控，通過信息化設備將海量實時數(shù)據(jù)上傳至生產(chǎn)指揮中心，并構建形成在線技術支撐、遠程實時指揮的油田智能化應用體系。從2006年開始了涉及智能油田建設相關的油氣生產(chǎn)指揮信息系統(tǒng)、勘探技術數(shù)據(jù)系統(tǒng)、經(jīng)營管理信息系統(tǒng)及行政黨委系統(tǒng)等幾個方面的應用系統(tǒng)，并都實現(xiàn)了較高程度的系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)共享。從2015年起，各油氣生產(chǎn)企業(yè)陸續(xù)對各系統(tǒng)進行優(yōu)化整合，增加和提升數(shù)據(jù)模擬與分析、預測與決策、實施檢測控制的能力。目前，與生產(chǎn)有關智能油田建設的相關研究仍處于積極發(fā)展的趨勢，單井生產(chǎn)診斷、油氣管網(wǎng)的自動控制、油藏動態(tài)模擬、生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控優(yōu)化、油氣田開發(fā)方案與產(chǎn)量部署等已在部分油氣田應用，對油田企業(yè)應對當前困難處境、實現(xiàn)提質(zhì)增效逐漸發(fā)揮出極為重要的作用。從本質(zhì)上看，智能油田建設是油氣勘探開發(fā)技術、油田開發(fā)配套技術、油氣田生產(chǎn)指揮體系、企業(yè)運營決策機制、現(xiàn)代信息技術應用等多種業(yè)務智能化、協(xié)同化發(fā)展的必然結果。智能油田建設就是以上述多種技術，全面感知油氣田生產(chǎn)經(jīng)營動態(tài)，替代傳統(tǒng)人工的統(tǒng)計、分析等相關工作，提高油氣田開發(fā)管理的效率和決策質(zhì)量。

1.2 目前智能油田建設中存在的問題

1.2.1 缺乏適應智能油田建設的專業(yè)人才。智能油田建設需要的是既懂油氣專業(yè)相關知識、熟悉油氣田開發(fā)流程、了解油氣生產(chǎn)現(xiàn)場情況，又能掌握人工智能技術、掌握多種領域技能的復合型人才。

1.2.2 已建成數(shù)據(jù)資源不能滿足智能油田建設。在前期各個業(yè)務領域自行建設信息系統(tǒng)基本上是在數(shù)據(jù)采集、加工處理、綜合查詢和報表統(tǒng)計為重點，后期升級智能診斷、預警、輔助決策等功能，但數(shù)據(jù)采集和應用方面、各個系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)通用方面、各業(yè)務系統(tǒng)之間支撐方面，以及系統(tǒng)本身智能化的方面都存在一定的不足之處。

1.2.3 還沒有形成一個完整管理系統(tǒng)。油氣田開發(fā)涉及到勘探、鉆井、壓裂、產(chǎn)建、試油試氣、生產(chǎn)管控等諸多業(yè)務領域，需要整合企業(yè)資源、做好頂層設計、形成高效系統(tǒng)管理機制、發(fā)揮出整體優(yōu)勢，國外油氣田開發(fā)企業(yè)的智能油田建設側重于現(xiàn)場技術層面，主要解決勘探、開發(fā)等專業(yè)領域的應用問題。與國外油氣田開發(fā)企業(yè)相比較，國內(nèi)石油企業(yè)目前仍是局限于一定資源區(qū)域內(nèi)數(shù)字化建設為主，側重于構建高速網(wǎng)絡傳輸平臺、信息化基礎設施、信息管理系統(tǒng)等軟硬件建設，均未從企業(yè)油氣田勘探開發(fā)、建設、生產(chǎn)、運營、服務這一完整產(chǎn)業(yè)鏈的整體管理出發(fā)，系統(tǒng)考慮全面應用數(shù)字化管理技術。從目前實踐情況來看，還沒有形成油氣田勘探開發(fā)全業(yè)務流程的系統(tǒng)性管理系統(tǒng)。

2 智能油田特點

2.1 多種技術綜合應用。有學者通過對國內(nèi)外諸如殼牌、中國石油等企業(yè)數(shù)字化建設的典型案例進行了分析研究，指出我國油氣田開發(fā)企業(yè)的智能化建設，其核心是要制定與企業(yè)人力資源，以及企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略相結合的數(shù)字化、信息化的轉型升級路徑，并以現(xiàn)有已開發(fā)的老油田為基礎，設計實施與之生產(chǎn)規(guī)模相適應的智能油田建設項目，進行技術創(chuàng)新與油藏智能評價、生產(chǎn)智能控制、物流智能管理、技術方案智能選擇等緊密結合。智能油田建設是跨信息技術技術、石油工程、控制工程、管理等多個學科，并實現(xiàn)多學科融合發(fā)展和應用的系統(tǒng)性工程，具有典型的協(xié)同化、一體化、共享化特征。

2.2 企業(yè)條件決定了不同投資建設方向。有關智能油田建設的投資，在油氣田開發(fā)企業(yè)總投入中的占比不斷升高，但不同規(guī)模、不同類型、不同地質(zhì)條件的企業(yè)，所關注智能油田建設側重方向或領域有著較大差別。目前智能油田建設，主要圍繞油田自動化生產(chǎn)優(yōu)化、預測性維護、技術方案的支撐等。

2.3 數(shù)據(jù)對于智能油田建設賦能作用凸顯。隨著智能油田建設不斷推進，油氣生產(chǎn)數(shù)據(jù)呈爆炸式增長。對于企業(yè)數(shù)據(jù)挖掘、處理在企業(yè)智能化建設中起決定性作用。劉平峰等以華為公司為案例，提出“創(chuàng)新環(huán)境——創(chuàng)新主體——創(chuàng)意開發(fā)”理論分析框架，深入分析外源數(shù)據(jù)賦能的知識積累、內(nèi)源數(shù)據(jù)賦能的知識交流和內(nèi)外源數(shù)據(jù)聯(lián)合賦能的知識創(chuàng)新等三個階段有關大數(shù)據(jù)，和企業(yè)管理創(chuàng)新之間內(nèi)在機理。檀朝東等通過搭建復雜油氣生產(chǎn)過程的大數(shù)據(jù)挖掘平臺，根據(jù)特定的挖掘目標，建立相應的數(shù)據(jù)庫，快速定制相應數(shù)據(jù)挖掘算法和石油工程業(yè)務模型，形成適應油氣田開發(fā)企業(yè)實際需求的數(shù)據(jù)挖掘應用系統(tǒng)，實現(xiàn)油氣生產(chǎn)智能化診斷、預測、優(yōu)化及輔助決策。楊午陽等結合油氣產(chǎn)業(yè)中物探技術與人工智能相結合的現(xiàn)狀，提出了要做好前期規(guī)劃、分步分層、合理人才體系，進而推進“應用地球物理+AI”的智能物探發(fā)展策略。

3 智能油田建設實踐應用

長慶油田是我國目前最大的油氣田開發(fā)企業(yè)，結合其“低產(chǎn)、低效、低滲的三低”油氣田資源特性及其分布面廣、區(qū)塊跨度大、生產(chǎn)組織分散、地質(zhì)賦存條件復雜、開發(fā)難度大、成本高、單井產(chǎn)能低、穩(wěn)產(chǎn)難度大、油氣開采高危險性、環(huán)境保護壓力大等特點，積極推進工業(yè)化與信息化融合、建設智能油田。

3.1 應用領域及范圍。涉及企業(yè)油氣田勘探開發(fā)、建設、生產(chǎn)、管理、運營、服務完整產(chǎn)業(yè)鏈，小到油氣田井場、站點、道路、管線、作業(yè)區(qū)（聯(lián)合站），大到廠處、總部機關部門。

3.2 技術原理。應用相關的權變、激勵、戰(zhàn)略管理、系統(tǒng)原理、信息論等管理學理論，以及國內(nèi)先進企業(yè)探索開展的工業(yè)化與信息化融合、數(shù)字油田、智能油田、數(shù)字化管理等，結合長慶油氣田開發(fā)與管理實際，以建設智能油田為目標，研究建立了三端（五系統(tǒng)）、三輔助的數(shù)字化管理體系,實現(xiàn)了管理方式人本化、企業(yè)運營知識資源化、管理方案制定智能化、應急管理指揮精確化、安全（生產(chǎn)）管理控制實時化、油氣藏模擬動態(tài)化、管理組織精簡化、發(fā)展戰(zhàn)略綠色化。

3.3 建設成果及創(chuàng)新點。一是全面構建了長慶油田數(shù)字化管理體系，即“三端五系統(tǒng)三輔助”數(shù)字化管理架構，如圖1所示。前端以基本生產(chǎn)單元過程控制為核心，以站為中心輻射到井，構成了基本生產(chǎn)單元。中端以基本集輸單元運行管理為核心，以聯(lián)合站為中心，輻射到站和外輸管線，構成基本集輸單元。后端以油氣藏研究為中心，輻射延伸到經(jīng)營管理和決策支持，涵蓋油氣藏勘探、開發(fā)效益評價、開發(fā)方案部署、經(jīng)營和決策的過程管理。五大系統(tǒng)分別是生產(chǎn)管理系統(tǒng)、生產(chǎn)運行指揮和安全應急預警系統(tǒng)、油氣藏經(jīng)營管理決策支持系統(tǒng)、企業(yè)資源計劃系統(tǒng)和管理信息系統(tǒng)。三輔助分別是通信網(wǎng)絡基礎設施、交互式高清視頻系統(tǒng)、信息安全管理系統(tǒng)。

圖1 “三端五系統(tǒng)三輔助”數(shù)字化管理架構

長慶油田數(shù)字管理架構充分利用現(xiàn)代先進的科技手段對氣田各個場站的各項生產(chǎn)指標參數(shù)和安全參數(shù)進行遠程數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控。它集先進的自動控制技術、計算機網(wǎng)絡技術、數(shù)據(jù)整合技術、數(shù)據(jù)共享與交換技術于一體，是提高采氣生產(chǎn)力以及采氣管理水平的有效手段和體現(xiàn)。并且通過數(shù)字化管理平臺，氣田各開發(fā)單元能實現(xiàn)真正意義上的數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)整合和數(shù)據(jù)共享，結合各種數(shù)字模型、經(jīng)驗數(shù)據(jù)、專家系統(tǒng)，對采氣生產(chǎn)管理過程進行智能化指導，大大提高氣田的生產(chǎn)管理水平。

二是研究開發(fā)了油氣田統(tǒng)一的智能化管理平臺，如圖2所示。管理平臺基于信息化基礎設施和相關保障標準體系，實現(xiàn)了全域數(shù)據(jù)集成與管理，支持集成化、可視化、自動化、智能化應用服務，涵蓋油氣田管理的各個業(yè)務領域。在油氣田智能化管理上實現(xiàn)了氣田數(shù)字化覆蓋率100%、油田數(shù)字化覆蓋率91%，大幅度提升了運行管理與油氣生產(chǎn)效率。

圖2 油氣田智能化管理平臺

三是按照“軟件標準化、應用智能化、功能模塊化、維護便捷化、決策數(shù)字化”建設思路，構建了集油氣集輸、安全環(huán)保、重點作業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控、應急搶險、輔助生產(chǎn)保障等多項功能于一體的生產(chǎn)一線運行指揮系統(tǒng)。主要負責對數(shù)字化前端傳來的實時數(shù)據(jù)進行匯總、分析和處理，并將一部分實時數(shù)據(jù)轉變成管理數(shù)據(jù)，提供給不同崗位的管理人員，作為生產(chǎn)一線數(shù)據(jù)集散中心，并將相關數(shù)據(jù)上傳至長慶油田數(shù)字化生產(chǎn)指揮管理系統(tǒng)。

四是建立六大技術系列，即電子巡井、電子執(zhí)勤、數(shù)字化集成控制、智能控制、數(shù)據(jù)鏈技術、數(shù)字化系統(tǒng)管理。獲得了64項國家專利。

五是研究形成了智能油田項目建設標準造價體系，構建了智能油田管理建設的標準體系，并形成了6項智能油田建設的企業(yè)標準，即《作業(yè)區(qū)數(shù)字化生產(chǎn)監(jiān)控終端建設要求》《水源井、供水站數(shù)字化管理建設要求》《井場和增壓點數(shù)字化管理建設要求》《聯(lián)合站數(shù)字化管理建設要求》《數(shù)字化生產(chǎn)管理系統(tǒng)建設要求》《注水站數(shù)字化管理建設要求》。

3.4 直接經(jīng)濟效益和社會意義。長慶油田通過信息技術、自動化技術與管理技術深度融合，建立了完善的數(shù)字化管理機構、數(shù)字化管理培訓保障機制、智能油田三級運維體系、標準化的智能油田建設流程，保證了油氣田產(chǎn)量的持續(xù)增長和油氣藏有效開發(fā)。有效地解決了油氣藏經(jīng)濟有效開發(fā)與穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)、安全環(huán)保風險、控制勘探開發(fā)運維成本、控制用工、提升企業(yè)生產(chǎn)組織與運行管理效率、企業(yè)集約化管理、人本管理、和諧發(fā)展之間矛盾，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程實時監(jiān)控和遠程操控，提高生產(chǎn)運行效率。同時，實現(xiàn)了人力資源優(yōu)化配置，有效降低人員勞動強度，減少用工數(shù)量，節(jié)約生產(chǎn)成本，提高了經(jīng)營管理水平，以人為本理念得以落實。自主創(chuàng)新能力大幅提升，資源利用與安全生產(chǎn)水平有效提升，提高了大站、大庫、管線的實時管理監(jiān)控能力，初步建設形成了大型智能油田，徹底轉變了企業(yè)的發(fā)展方式、管理方式、生產(chǎn)方式、組織方式，進一步推進了管理現(xiàn)代化轉型和現(xiàn)代化油氣田建設，2020年油氣當量突破6041萬噸。

4 加強智能油田建設建議

2020年12月召開的全國能源工作會議提出要著力推進能源科技創(chuàng)新，加快核心技術裝備新優(yōu)勢，深化建設能源科技創(chuàng)新平臺，努力打造能源新技術裝備優(yōu)勢，持續(xù)提升油氣勘探開發(fā)力度。“十四五”數(shù)字化轉型和人工智能加快發(fā)展，使工業(yè)企業(yè)實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動化采集、建立共享機制，以及相關標準的修訂制定為通過油田智能化建設，促進中國油氣田開發(fā)企業(yè)持續(xù)提升油氣生產(chǎn)管理和勘探開發(fā)水平打造了堅實的基礎。

一是在油氣田勘探開發(fā)工作中，應該拋棄以前那種粗放的發(fā)生產(chǎn)理念，通過改變原有生產(chǎn)模式降低成本、費用，提高企業(yè)的盈利能力。數(shù)字化轉型成為油氣田開發(fā)企業(yè)保持行業(yè)競爭力，實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的重要舉措。油氣田開發(fā)技術的創(chuàng)新，及信息化所帶來管理水平的提升對克服近年來外部經(jīng)營環(huán)境惡化具有重要的推進作用。

二是在智能油田建設中，要做好頂層設計，要根據(jù)油氣田開發(fā)企業(yè)的實際情況，建立統(tǒng)一的數(shù)字化平臺，系統(tǒng)開發(fā)與生產(chǎn)經(jīng)營緊密結合，在注重應用系統(tǒng)的專業(yè)性、適用性基礎上，還要從油氣田勘探開發(fā)及生產(chǎn)經(jīng)營管理的整體性、通用性、高效性做好設計。

三是智能油田的發(fā)展更加傾向于數(shù)據(jù)的深入加工和利用，因此油氣田開發(fā)企業(yè)在智能油田建設中要注重數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量和提升數(shù)據(jù)分析能力，研究提高數(shù)據(jù)標準，切實解決預測、診斷、優(yōu)化、控制等功能對于高質(zhì)量數(shù)據(jù)要求的難題，充分利用高質(zhì)量的數(shù)據(jù)、高水平的分析來提高輔助決策水平。

四是加強綜合性人才的培養(yǎng)，智能油田的建設對企業(yè)信息技術人員的綜合素質(zhì)提出了更高的要求，也對專業(yè)技術人員、一線操作人員及各級管理人員也提出了更高的要求。需要培養(yǎng)一批掌握智能油田相關的信息技術，又熟悉油氣田生產(chǎn)技術、經(jīng)營管理知識的復合型人才。

智能油田是數(shù)字油田發(fā)展到一定階段的高級形態(tài)，是油氣行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，體現(xiàn)了油氣生產(chǎn)行業(yè)發(fā)展的客觀規(guī)律，是油氣田開發(fā)企業(yè)在生產(chǎn)、技術及管理經(jīng)營的主要發(fā)展方向。隨著油氣田鉆井、勘探、生產(chǎn)、集輸?shù)雀鳂I(yè)務領域最新的關鍵技術與發(fā)展趨勢，以及云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等在油氣田開發(fā)企業(yè)的成熟應用，預計到2030年油氣生產(chǎn)行業(yè)將陸續(xù)進入全面智能化時代，我國油氣田開發(fā)企業(yè)要認真落實習近平總書記關于大力提升勘探開發(fā)力度、保障我國能源安全的批示精神，積極開展跨學科和新興學科研究，利用大數(shù)據(jù)、生物識別、分布式技術、區(qū)塊鏈與5G技術等提升油氣勘探開發(fā)能力，力爭在能源開發(fā)領域有新突破，發(fā)現(xiàn)新的油氣田，克服新冠肺炎疫情和油價暴跌疊加所帶來的不利影響，推動我國油氣田開發(fā)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。