大慶油田地面工程智能化應(yīng)用探索與展望

孫崇亮 黃振昊 李穎 王偉楠

1大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司

2大慶油田有限責(zé)任公司

3大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠

大慶油田開發(fā)建設(shè)60 余年，主要開發(fā)長垣老區(qū)、長垣外圍以及海塔盆地三大區(qū)域，是國內(nèi)原油產(chǎn)量最大的陸上油田。為適應(yīng)開發(fā)需要，大慶油田建成了處理規(guī)模大、技術(shù)性及系統(tǒng)性強(qiáng)、配套程度高的地面工程系統(tǒng)。圍繞原油3 000×104t 穩(wěn)產(chǎn)高質(zhì)量發(fā)展，油田產(chǎn)能建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，地面工程系統(tǒng)持續(xù)攻堅(jiān)克難、開拓創(chuàng)新，提升技術(shù)和管理水平[1-9]。為順應(yīng)數(shù)字化、智能化發(fā)展趨勢，油田開展了數(shù)字化、智能化實(shí)踐探索，取得了較好效果[10-15]。

1 地面工程智能化現(xiàn)狀

1.1 數(shù)字化覆蓋率全面提升

大慶油田按照數(shù)字油田、智能油田、智慧油田“三步走”戰(zhàn)略，制定“典型探索、示范引領(lǐng)”、“推廣應(yīng)用、全面實(shí)施”兩步走總體部署，實(shí)施全油田數(shù)字化建設(shè)。按照總體工作安排，2019～2024年共需實(shí)施10 萬余口油水井，6 000 余座大、中、小型站場的數(shù)字化建設(shè)。為保證已實(shí)施施工儀表的快速、有效上線，大慶油田固化統(tǒng)一了數(shù)字化井、間調(diào)試方案，強(qiáng)化調(diào)試職能，保證一次上線率，降低后期測試、使用過程中出現(xiàn)問題數(shù)量。調(diào)試流程主要由“網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)試—平臺數(shù)據(jù)校準(zhǔn)—使用方基礎(chǔ)測試—達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)投入使用”四個(gè)階段組成。油田數(shù)字化預(yù)期2023 年將基本全覆蓋，2024 年繼續(xù)補(bǔ)充完善，為智能化應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1.2 數(shù)字化交付穩(wěn)步推進(jìn)

大慶油田積極探索工程建設(shè)數(shù)字化交付，油田制定了數(shù)字化交付總體規(guī)劃，以數(shù)字化交付為核心，開展了地面工程全生命周期綜合管理平臺建設(shè)；明確四個(gè)目標(biāo)、三個(gè)實(shí)施階段路線圖和時(shí)間表。不斷拓展數(shù)字化交付實(shí)施廣度與深度，涵蓋了油田站場主要類型，探索標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)成果向數(shù)字化交付的轉(zhuǎn)化，穩(wěn)步提升數(shù)字化交付能力和效率。在油田統(tǒng)籌安排下，2022 年，完善了油田數(shù)字化交付技術(shù)規(guī)定，探索實(shí)施了“正向+逆向”兩種交付模式，涵蓋“站場+管道”兩種交付類型。

通過數(shù)字化交付實(shí)施，初步建成集成數(shù)字化移交、可視化云協(xié)同、工程項(xiàng)目管理、可視化資產(chǎn)績效管理、三維可視化看板五個(gè)系統(tǒng)的可視化綜合信息平臺，覆蓋設(shè)計(jì)、采購、施工三階段，實(shí)現(xiàn)以地面工程對象為核心，設(shè)計(jì)圖紙、數(shù)據(jù)、三維模型、采購文件、施工記錄全面關(guān)聯(lián)集成，從物理站場設(shè)計(jì)建設(shè)開始，同步建設(shè)“數(shù)字孿生站場”。數(shù)字化交付典型成果如圖1 所示。

圖1 數(shù)字化交付典型成果Fig.1 Typical achievements of digital delivery

1.3 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不斷豐富

在油田主管部門統(tǒng)籌安排下，各采油廠（分公司）積極推動(dòng)生產(chǎn)管理、技術(shù)研究、現(xiàn)場操作人員共同努力，地面工程數(shù)據(jù)數(shù)量、質(zhì)量雙提升。統(tǒng)建系統(tǒng)中，A4 地理信息系統(tǒng)建成包含基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)及12 萬余口井、11 萬余千米公司管道、3.8 萬余千米線路、近180 座三維模型的空間數(shù)據(jù)展示與管理平臺。A5 采油與地面工程運(yùn)行管理系統(tǒng)應(yīng)用于油田20 家廠級單位，178 個(gè)作業(yè)區(qū)，地面工程生產(chǎn)實(shí)體基本覆蓋，入庫7 000 余座站場屬性數(shù)據(jù)。油田業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)建設(shè)成果如圖2 所示。

圖2 油田業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)建設(shè)成果Fig.2 Achievements in oilfield business data construction

1.4 智能應(yīng)用探索廣泛開展

作業(yè)區(qū)生產(chǎn)管控平臺設(shè)計(jì)與建設(shè)統(tǒng)籌部署，平臺設(shè)計(jì)以生產(chǎn)智能監(jiān)控、工況智能分析、運(yùn)行智能協(xié)同、安全智能管理為目標(biāo)，構(gòu)建形成了生產(chǎn)監(jiān)控、生產(chǎn)管理、生產(chǎn)動(dòng)態(tài)、調(diào)度運(yùn)行、物聯(lián)設(shè)備、能耗管控六大功能。實(shí)現(xiàn)集中智能監(jiān)控、生產(chǎn)運(yùn)行精準(zhǔn)高效、指標(biāo)動(dòng)態(tài)匯總等目標(biāo)，輔助作業(yè)區(qū)管理人員全面、及時(shí)掌握生產(chǎn)運(yùn)行態(tài)勢。數(shù)字化配套“油公司”模式提升用工效率，組織結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)流程得到優(yōu)化。

油田管道管理應(yīng)用A5 系統(tǒng)管道完整性管理模塊，實(shí)現(xiàn)高后果區(qū)自動(dòng)識別，單條管道平均識別效率明顯提升，速度≤20 s；風(fēng)險(xiǎn)自動(dòng)評價(jià)依靠在線定制半定量或定性風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的自動(dòng)識別及排序，人工識別評價(jià)向自動(dòng)識別評價(jià)的轉(zhuǎn)變；管道失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果自動(dòng)生成，支持按單位、管道分類、材質(zhì)等不同維度篩選統(tǒng)計(jì)，通過對失效數(shù)據(jù)的持續(xù)跟蹤、針對性治理，失效率穩(wěn)步下降。

慶新油田開展智能化探索，開發(fā)了油田生產(chǎn)智能預(yù)警、設(shè)備故障診斷等系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)業(yè)務(wù)“智能報(bào)警、接警處置、過程追蹤”的全流程閉環(huán)管理。在大慶油田公司智慧指揮中心設(shè)立慶新油田一級監(jiān)控指揮中心，成為生產(chǎn)指揮中心戰(zhàn)略性上移的第一家采油廠單位。形成生產(chǎn)管理智能報(bào)警、處置落實(shí)、跟蹤維護(hù)的閉環(huán)管理，由原來分級管理轉(zhuǎn)變?yōu)椤白烂?移動(dòng)”支撐遠(yuǎn)程指揮、集中管控，提高了管理實(shí)效，運(yùn)行效率倍數(shù)增長。

以水驅(qū)系統(tǒng)為研究對象，在第四采油廠開展了集輸系統(tǒng)能量優(yōu)化技術(shù)探索。研究了摻水優(yōu)化的仿真模型，以模型為核心研發(fā)優(yōu)化軟件，實(shí)現(xiàn)批量導(dǎo)入、自動(dòng)建模功能，提高了優(yōu)化效率，降低了工作強(qiáng)度。2017 年以來，能耗連續(xù)五年負(fù)增長。研究多套管網(wǎng)并存的注水系統(tǒng)仿真優(yōu)化軟件，在第四采油廠以“分質(zhì)處理、平衡水量、均衡負(fù)荷”為水質(zhì)調(diào)運(yùn)的約束條件，仿真優(yōu)化運(yùn)行，輔助決策，動(dòng)態(tài)調(diào)整三采污水調(diào)運(yùn)、注水啟停泵等優(yōu)化運(yùn)行方案，滿足開發(fā)生產(chǎn)需求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

2 智能化共享共建探索

集團(tuán)公司高度重視數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作，已經(jīng)確定大慶油田第一采油廠為數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化發(fā)展的首批試點(diǎn)示范單位。在地面工程領(lǐng)域，油氣與新能源子集團(tuán)優(yōu)先安排了地面工程智能化共建、共享工作，期望通過不同油田分工建設(shè)，實(shí)現(xiàn)共建、共享。大慶油田確定依托第一采油廠的第三、第九作業(yè)區(qū)（即中十六聯(lián)系統(tǒng)區(qū)域）為試點(diǎn)中的示范單位，開展地面工程智能化模塊的開發(fā)建設(shè)，圍繞中十六聯(lián)區(qū)域地面工程系統(tǒng)，做好牽頭任務(wù)的研究和配合任務(wù)的實(shí)踐，積極努力推進(jìn)地面工程智能化模塊建設(shè)工作。

中十六聯(lián)區(qū)域地面處理工藝全，涵蓋長垣老區(qū)注水站、轉(zhuǎn)油站、聯(lián)合站等站場類型，具有典型代表意義；雙特高開采期注水管網(wǎng)復(fù)雜交錯(cuò)，能充分體現(xiàn)長垣老區(qū)注水系統(tǒng)特點(diǎn)；地質(zhì)情況復(fù)雜，采出液性質(zhì)多樣，管道內(nèi)外腐蝕、結(jié)垢較多，可實(shí)施多種應(yīng)用場景；數(shù)字化基礎(chǔ)較好，目前該區(qū)域正在開展物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)工作，并重點(diǎn)提升了數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)調(diào)控、視頻監(jiān)控等建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，這些都是地面工程智能化建設(shè)的有力支撐。

在井智能化應(yīng)用方面開展了智能注入模塊建設(shè)，重點(diǎn)解決大慶油田注水系統(tǒng)水量、壓力不平衡等典型問題，擬設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)能效分析、全工藝流程仿真等功能模塊，核心是建立注入系統(tǒng)仿真模型。結(jié)垢分析模塊針對大慶油田易發(fā)生垢沉積的管網(wǎng)類型及結(jié)垢類型，根據(jù)不同季節(jié)摻水溫度不同的特征，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)防垢劑加藥濃度。擬設(shè)計(jì)垢沉積物預(yù)測等功能模塊，動(dòng)態(tài)完成管道結(jié)垢堵塞風(fēng)險(xiǎn)評估和除垢方案。在數(shù)字化油田建設(shè)基礎(chǔ)上，油田集輸管網(wǎng)動(dòng)態(tài)模擬優(yōu)化模塊、摻水（稀）/加熱/加劑降黏降凝優(yōu)化模塊以集輸系統(tǒng)熱力和動(dòng)力能耗最低為優(yōu)化目標(biāo)，通過遠(yuǎn)程調(diào)控平臺，實(shí)時(shí)在線調(diào)節(jié)摻水泵頻率、加熱爐燃?xì)饬康冗\(yùn)行參數(shù)。擬設(shè)計(jì)摻水/稀加熱管理、加劑降黏降凝管理等功能模塊。藥劑加注優(yōu)化模塊在線模式下對藥劑加注在線實(shí)時(shí)優(yōu)化以及遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)以最少的藥劑加注量實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的防護(hù)效果。針對站場關(guān)鍵設(shè)備機(jī)理及數(shù)學(xué)分析模型構(gòu)建、集輸處理運(yùn)行仿真及優(yōu)化等重點(diǎn)工作內(nèi)容，擬設(shè)計(jì)站場可視化、設(shè)備運(yùn)行分析、站場工藝模擬等功能模塊。加熱爐完整性管理模塊以加熱爐高效平穩(wěn)運(yùn)行為目標(biāo)，研究加熱爐優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)，實(shí)現(xiàn)油田加熱爐低耗、高效運(yùn)行，降本增效，節(jié)能降耗。擬設(shè)計(jì)管理決策和生產(chǎn)監(jiān)控兩個(gè)子功能模塊。

3 智能化應(yīng)用場景展望

3.1 認(rèn)識與體會(huì)

加快數(shù)字化建設(shè)和智能化應(yīng)用是油田發(fā)展的迫切需求。對于資源探明率較高的高含水老油田，提高采收率、降低開采成本，已成為在現(xiàn)有資源條件下能夠持續(xù)發(fā)展最為迫切的需求。而數(shù)字化和智能化則是降低油田開發(fā)成本并且在一定條件下有助于提高采收率的根本途徑。油田的數(shù)字化建設(shè)和智能化應(yīng)用一方面為組織架構(gòu)調(diào)整和生產(chǎn)管理方式轉(zhuǎn)變提供了物資基礎(chǔ)，同時(shí)也對員工素質(zhì)、專業(yè)化管理水平提出了更高要求，此項(xiàng)工作將促進(jìn)勞動(dòng)組織架構(gòu)和管理方式同步變革。油田數(shù)字化建設(shè)是為了實(shí)現(xiàn)建設(shè)全面感知的油田，油田智能化發(fā)展方向是為了實(shí)現(xiàn)建設(shè)自動(dòng)操控的油田、預(yù)測優(yōu)化的油田、整合運(yùn)營的油田，數(shù)字化建設(shè)是基礎(chǔ)，智能化應(yīng)用才是油田發(fā)展的根本需求。建設(shè)孿生數(shù)字站場、孿生數(shù)字管網(wǎng)，應(yīng)用仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)診斷、優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)油田地面工程智能化的重要手段。

3.2 應(yīng)用場景展望

數(shù)字孿生可以應(yīng)用在三維可視化、設(shè)施設(shè)備綜合管理、應(yīng)急響應(yīng)等方面。

油田數(shù)據(jù)總覽及領(lǐng)導(dǎo)駕駛艙的功能主要是與地理信息集成，依托管網(wǎng)孿生體、站場孿生體，通過三維可視化引擎和地理信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)從作業(yè)區(qū)整體布局到集輸系統(tǒng)（注水系統(tǒng)）再到站場逐層鉆取展示；實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)定位、站場定位、集輸及注水系統(tǒng)上下游關(guān)聯(lián)分析、三維站場快速展示；結(jié)合周邊實(shí)景數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)空中俯視、360 度旋轉(zhuǎn)、全方位查看，多角度漫游；站場重點(diǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)、生產(chǎn)參數(shù)、能耗數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)等以儀表盤形式動(dòng)態(tài)一體化展示，觀察流量、溫度、壓力等數(shù)值參數(shù)的變化；實(shí)現(xiàn)站場設(shè)備三維模型、工藝圖紙二三維聯(lián)動(dòng)，圖紙及模型互查等。

在油田地面設(shè)備綜合管理方面，以設(shè)備數(shù)字孿生體為數(shù)據(jù)基座，基于流程服務(wù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備資產(chǎn)綜合管理。建立設(shè)備資產(chǎn)臺賬，實(shí)現(xiàn)設(shè)備綜合臺賬、設(shè)備檔案資料查詢；實(shí)現(xiàn)設(shè)備可視化，可以選取設(shè)備三維模型，查看其詳細(xì)的運(yùn)行數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)情況，可查看設(shè)備工作狀態(tài)，保證對設(shè)備運(yùn)行情況及時(shí)掌握，查看任意設(shè)備基本參數(shù)的同時(shí)，還可以切換標(biāo)簽查看對應(yīng)設(shè)備的維保歷史記錄，關(guān)聯(lián)設(shè)備主要運(yùn)行數(shù)據(jù)、查看設(shè)備詳情、設(shè)備故障報(bào)警記錄；實(shí)現(xiàn)設(shè)備維修檢定管理，實(shí)現(xiàn)設(shè)備維修計(jì)劃排定、到期提醒、維保流程管理、維修保養(yǎng)到期提醒、工單管理以及記錄備品備件管理中的備品備件出入庫管理。

在輔助無人值守方面可以實(shí)現(xiàn)虛擬巡檢，基于站場三維模型集成生產(chǎn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)及設(shè)備屬性數(shù)據(jù)，完成虛擬巡檢。可以在三維模型中設(shè)置固定巡檢路線、或者依次選擇主要巡檢設(shè)備和巡檢點(diǎn)設(shè)置自定義巡檢路線，也可根據(jù)班次設(shè)置固定時(shí)間的自動(dòng)虛擬巡檢，在巡檢中以“標(biāo)識牌”形式簡單直觀展示設(shè)備信息，可查看設(shè)備標(biāo)識牌上的設(shè)備工作狀態(tài)，保證對設(shè)備運(yùn)行情況及時(shí)掌握，查看任意設(shè)備基本參數(shù)的同時(shí)，還可以切換標(biāo)簽查看對應(yīng)設(shè)備的維保歷史記錄，如發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常或者生產(chǎn)報(bào)警情況，反饋設(shè)備及生產(chǎn)狀態(tài)，現(xiàn)場人員進(jìn)行核實(shí)、跟蹤異常處置情況，形成記錄，現(xiàn)場人員還可以通過無人機(jī)巡檢或人工巡檢的方式對現(xiàn)場進(jìn)行核實(shí)。

在站場完整性管理方面，通過數(shù)據(jù)整合，梳理站場數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，包括站場基本信息、建設(shè)期數(shù)據(jù)信息、站內(nèi)設(shè)備信息、風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)信息、監(jiān)檢測信息、維修維護(hù)信息、效能評價(jià)信息，完成站場數(shù)據(jù)整合；實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，以站場三維模型為載體，展示站場的基礎(chǔ)信息、站內(nèi)設(shè)備信息、組分分析信息，對接生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控信息。統(tǒng)計(jì)站內(nèi)設(shè)備分類、不同設(shè)備分類下的設(shè)備數(shù)量，關(guān)聯(lián)查詢站場工藝流程圖、全景照片、視頻監(jiān)控、文檔報(bào)告等信息數(shù)據(jù)。對站內(nèi)流量、溫度、壓力、液位信息和組分分析數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)趨勢分析，并實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)、監(jiān)/檢測評價(jià)、維修維護(hù)及可視化。

4 結(jié)束語

根據(jù)油田數(shù)字化建設(shè)情況，數(shù)智化方面補(bǔ)充以下建議。數(shù)字化油田的建設(shè)，在感知層面，基本上可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)感知、自動(dòng)預(yù)警、自動(dòng)防范。在預(yù)測趨勢層面，部分生產(chǎn)單元的業(yè)務(wù)分析模型和技術(shù)在不斷發(fā)展，但基于海量在線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)建立具備自學(xué)習(xí)能力的數(shù)據(jù)模型尚不完善，對生產(chǎn)趨勢和異常問題進(jìn)行預(yù)測預(yù)警、分級報(bào)警、提前響應(yīng)、及時(shí)處置有待提高。在優(yōu)化決策層面，“以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)專業(yè)模型”等優(yōu)化決策的技術(shù)基礎(chǔ)尚不成熟，需要針對各生產(chǎn)環(huán)節(jié)個(gè)性化開展攻關(guān)。

下一步將結(jié)合大數(shù)據(jù)、5G、數(shù)字孿生、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，繼續(xù)探索基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)建模技術(shù)、實(shí)現(xiàn)工藝推演的機(jī)理模型構(gòu)建技術(shù)。重點(diǎn)結(jié)合智能化共享共建，研究數(shù)字孿生站場與數(shù)字孿生管網(wǎng)構(gòu)建技術(shù)；多維度多格式三維可視與仿真機(jī)理模型融合技術(shù)；基于數(shù)字孿生的流程虛擬仿真技術(shù)；多維度數(shù)據(jù)挖掘與智能預(yù)警診斷技術(shù)；基于GIS 的管站耦合建模與仿真優(yōu)化技術(shù)；VR 虛擬深度智能巡檢技術(shù)；集輸系統(tǒng)低能耗自動(dòng)摻水技術(shù)及加熱設(shè)備、機(jī)泵優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)和智能調(diào)節(jié)技術(shù)；與油藏、采油相結(jié)合的注水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)、批量注水技術(shù)等。