張丹丹* 曹萬巖

（大慶油田工程有限公司）

0 引言

自“德國工業(yè) 4.0”“美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的概念提出后，我國于2014年底提出“中國制造2025”?？梢?，各國普遍關(guān)注到信息化、數(shù)字化在未來工業(yè)發(fā)展中的關(guān)鍵地位和作用。近年來，中國的快速崛起以及強大的綜合實力舉世矚目，目前已經(jīng)形成了信息化和工業(yè)化相融合的發(fā)展格局。當前，我國作為石油資源儲量及消費的大國，石油企業(yè)也在發(fā)展中緊跟國際的腳步，逐步向數(shù)字化轉(zhuǎn)型。不斷提升信息化水平，提升油田企業(yè)的生產(chǎn)效率，將是提高企業(yè)綜合競爭力的重要手段。

1 數(shù)字油田概念

數(shù)字油田概念是在數(shù)字地球基礎(chǔ)上提出的，大慶油田1999年末提出數(shù)字油田概念[1]，將其定義為“數(shù)字油田是以油氣田為基礎(chǔ)，對石油和天然氣從地下的勘探開發(fā)到地面的工程建設(shè)、儲運銷售以及后續(xù)企業(yè)管理等整個過程構(gòu)成的一個綜合體系，將其中涉及的關(guān)鍵數(shù)據(jù)、技術(shù)應(yīng)用等高度融合。并以過程模型優(yōu)化為基礎(chǔ)，采用前沿的可視化、模擬仿真和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)手段，實現(xiàn)生產(chǎn)過程、管理流程的可視化，從不同維度實現(xiàn)過程展示。采用智能化的分析技術(shù)，實現(xiàn)企業(yè)輔助管理運維，充分挖掘數(shù)據(jù)潛在價值，讓信息化真正為企業(yè)生產(chǎn)管理服務(wù)，為油氣田企業(yè)更快更好地發(fā)展提供技術(shù)支持”。簡言之，油田企業(yè)的數(shù)字化建設(shè)，是以信息化技術(shù)手段為核心，將看不見、摸不到的生產(chǎn)活動通過技術(shù)手段直觀地推送到管理、運營人員面前，提高勞動生產(chǎn)效率。

2 油田數(shù)字化研究進展

2.1 國外油田數(shù)字化進展

20世紀50年代至70年代，國外油田數(shù)字化建設(shè)開始萌芽，一些大的油氣勘探開發(fā)公司聚焦油井測井紀錄儀和二維地震數(shù)據(jù)處理解釋技術(shù)，進行地質(zhì)構(gòu)造解釋，極大地提高了生產(chǎn)力。自 20世紀 90年代起，國外油氣勘探開發(fā)企業(yè)逐漸意識到勘探開發(fā)一體化、可視化、虛擬化等技術(shù)對推動企業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵作用。此后，伴隨ERP（企業(yè)資源計劃）、電子商務(wù)等手段的誕生和推廣，加之信息集成、挖掘等技術(shù)推進，逐漸推出了數(shù)字油田的說法。2000年2月召開的國際油田數(shù)字化會議上提出了 5項新技術(shù)構(gòu)想，即以4D地震為代表的遠程測量傳感技術(shù)，使復雜數(shù)據(jù)一元化表示的可視化技術(shù)，智能鉆井、完井技術(shù)，自動化技術(shù)和信息集成技術(shù)。由此為起點，國外油田數(shù)字化進入蓬勃發(fā)展階段并在實踐應(yīng)用中取得顯著效果。

雪佛龍公司啟用I-Connect應(yīng)用系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)上實現(xiàn)信息共享、數(shù)據(jù)整合，這一操作使其前端井場、站場的感知和分析能力大大提高；道達爾公司實踐了油氣生產(chǎn)系統(tǒng)一體化協(xié)同辦公平臺，將地下油藏情況、注采井井筒情況及地面集輸處理工況聯(lián)系起來，構(gòu)建全過程模擬、優(yōu)化模型；昆士蘭天然氣公司通過監(jiān)測一體化生產(chǎn)管控系統(tǒng)每一個節(jié)點的實時動態(tài)信息，從全局角度優(yōu)化油氣生產(chǎn)運行系統(tǒng)。國外各大油氣企業(yè)均在探索適應(yīng)自身發(fā)展需求的數(shù)字化發(fā)展道路，并向更高層次的發(fā)展——智能化轉(zhuǎn)型。

2.2 國內(nèi)油田數(shù)字化進展

21世紀初，國內(nèi)油田企業(yè)從國外相關(guān)行業(yè)的發(fā)展中受到啟發(fā)，意識到數(shù)字化建設(shè)的重要性。雖然國內(nèi)油田數(shù)字化建設(shè)起步較晚，建設(shè)思路多借鑒和引用國外技術(shù)，但發(fā)展速度較快。通過“十一五”“十二五”“十三五”3個五年規(guī)劃的數(shù)字油田建設(shè)，我國油田的數(shù)字化程度已達到了一定的水平。國內(nèi)油田的數(shù)字化建設(shè)主要在以下幾個方面。

2.2.1 數(shù)據(jù)采集，過程監(jiān)控

針對傳統(tǒng)油氣田存在范圍廣，生產(chǎn)管理層級多，井、間、站、管道、設(shè)備數(shù)量多等問題，對井、間、站等生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)進行實時采集，實現(xiàn)井、間、站生產(chǎn)過程的集中監(jiān)視及報警與控制。集中處理站、聯(lián)合站等大中型站場數(shù)據(jù)采集儀表多采用有線儀表，井、間主要采用無線通信儀表。

現(xiàn)場儀表信號傳送至井場控制設(shè)備的方式有電纜傳輸及無線信號傳輸兩種。無線儀表主要應(yīng)用 3種無線采集技術(shù)：LoRa技術(shù)（一種基于擴頻技術(shù)的遠距離無線傳輸技術(shù)）、WIA-PA技術(shù)（面向工業(yè)過程自動化的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)標準技術(shù)）、ZigBee技術(shù)（一種應(yīng)用于短距離和低速率下的無線通信技術(shù)）。計量間、閥組間等小型站場及井場設(shè)置RTU（遠程終端單元）；處理站場控制系統(tǒng)大都采用PLC（可編程控制器）、DCS（分散控制系統(tǒng)）；中心站或區(qū)域管理中心采用SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制）系統(tǒng)，對下轄所有井、間、站、管道進行集中監(jiān)控。

通過生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時采集，設(shè)備設(shè)施運行狀況實時監(jiān)控，實現(xiàn)數(shù)字化巡檢，使現(xiàn)場巡檢由每日兩次向24 h全程管控轉(zhuǎn)變，可實時發(fā)現(xiàn)設(shè)備運行出現(xiàn)的問題并精準定位。長慶油田形成以“電子巡井、電子執(zhí)勤、智能化設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸共享及應(yīng)用”為主要內(nèi)容的25項關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了“油水氣井遠程監(jiān)控、管道安全監(jiān)控、數(shù)據(jù)智能分析、報表自動生成”等功能。通過生產(chǎn)數(shù)據(jù)在線采集及遠程監(jiān)控技術(shù)，滿足油田對生產(chǎn)運行情況的動態(tài)管理，顯著提升經(jīng)濟效益和生產(chǎn)效率[2]。

2.2.2 數(shù)據(jù)傳輸

油田數(shù)字化建設(shè)需要傳輸大量的數(shù)據(jù)信息，并對這些數(shù)據(jù)信息進行處理。各油田數(shù)據(jù)傳輸大部分采用有線與無線相結(jié)合的方式，即：井場、計量間、閥組間等數(shù)量多且分散廣，數(shù)據(jù)傳輸主要采用無線通信系統(tǒng)；集中處理站等大中型站場數(shù)據(jù)傳輸采用光纖有線傳輸系統(tǒng)。

有線傳輸系統(tǒng)對基礎(chǔ)設(shè)施方面的要求較高，如要求網(wǎng)絡(luò)具有較大帶寬的設(shè)備，只有確保其信號傳輸通道通暢、穩(wěn)定，才能更好地采集數(shù)字化信息。目前對于無線傳輸系統(tǒng)，國內(nèi)各油田根據(jù)自身實際采用GPRS（通用分組無線服務(wù)技術(shù)）、4G（第4代移動通信技術(shù)）網(wǎng)絡(luò)、WLAN（無線局域網(wǎng)絡(luò)）、無線網(wǎng)橋等一種或幾種方式進行數(shù)據(jù)傳輸。未來數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)發(fā)展的著眼點應(yīng)放在無線傳輸技術(shù)的挖掘應(yīng)用上，尤其是解決遠距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵問題上。

2.2.3 預測預警

預測預警技術(shù)具有將業(yè)務(wù)管控模型、專家經(jīng)驗、案例庫為閉環(huán)持續(xù)優(yōu)化的預警預測能力，主要包括智能軟件工況診斷、參數(shù)高低限自動報警、過程控制監(jiān)測預測、智能化遠程調(diào)配及數(shù)據(jù)的歷史趨勢查詢功能，幫助生產(chǎn)管理人員更有效地掌握生產(chǎn)動態(tài)。

采用預測預警技術(shù)，塔里木油田自主開發(fā)了管道內(nèi)腐蝕組合檢測評價技術(shù)，將輸油管道內(nèi)腐蝕缺陷檢出率由10%提升至80%以上。勝利油田根據(jù)隱患或危害的嚴重程度制定四級預警機制，分別為周期性工作預警、趨勢向壞預警、生產(chǎn)異常預警和重復故障報警，做到系統(tǒng)的周期保養(yǎng)和檢測及時到位，盡早發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)異常狀況，特別是嚴重問題能從根源上早發(fā)現(xiàn)、早處理。通過對數(shù)據(jù)的采集和分析，針對關(guān)鍵生產(chǎn)參數(shù)設(shè)置趨勢預警，如抽油機功圖面積、上行電流、最大載荷持續(xù)上升時的預警，此時未觸及報警線，只是系統(tǒng)運行的軌跡異常，系統(tǒng)就會發(fā)出警告，從而提示操作人員及時注意到危險隱患，并盡早處理。

2.2.4 分析優(yōu)化，數(shù)據(jù)整合

分析優(yōu)化技術(shù)是實現(xiàn)對決策過程、經(jīng)營體系、生產(chǎn)流程及資產(chǎn)價值全過程的分析優(yōu)化手段，主要包括實時流量估算及油藏優(yōu)化、大數(shù)據(jù)分析和先進控制、生產(chǎn)優(yōu)化和維護、舉升優(yōu)化及措施調(diào)整。

塔河油田采油三廠首次提出并應(yīng)用遠程摻稀技術(shù)，實現(xiàn)了58口井摻稀量遠程調(diào)控，調(diào)節(jié)時間由4 h縮短至5 min，單井次人員優(yōu)化6人。西南油氣田優(yōu)化管網(wǎng)氣質(zhì)、氣量調(diào)配與裝置工況，在進行分析論證后，關(guān)停過剩的凈化廠及增壓機組。新疆油田重油公司通過采集鍋爐、泵站等自動化數(shù)據(jù)并利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，完成蒸汽干度在線計量、輸油泵效分析、測量儀表穩(wěn)定性分析等課題研究，實現(xiàn)提升稠油精細管理的目標。勝利油田建立了以數(shù)據(jù)為中心的“采、存、管、用”，建設(shè)了勘探信息系統(tǒng)、油氣開發(fā)信息系統(tǒng)、油氣鉆井信息系統(tǒng)等信息分析、數(shù)據(jù)整合技術(shù)。通過數(shù)據(jù)整合和優(yōu)化分析，深度挖掘數(shù)據(jù)價值。

2.2.5 集成協(xié)同

集成協(xié)同技術(shù)是實現(xiàn)跨專業(yè)、跨部門間的業(yè)務(wù)貫通、快速響應(yīng)及協(xié)作聯(lián)動的集成協(xié)同手段。在油田數(shù)字化建設(shè)中，經(jīng)常面臨軟件與系統(tǒng)不兼容的問題，需要切實強化油田數(shù)字化建設(shè)所需軟件的開發(fā)和研究，加強國內(nèi)外先進技術(shù)的應(yīng)用，促進兼容性的提升，降低成本。江蘇油田歷時8年自主研發(fā)了勘探開發(fā)一體化業(yè)務(wù)協(xié)同平臺——EDIBC平臺，該平臺具有計算、統(tǒng)計、研究、分析等功能，也可實現(xiàn)實時監(jiān)控生產(chǎn)運行的目的，它橫向涵蓋物探、鉆井測錄井、井下作業(yè)、采油集輸、地質(zhì)研究等各個專業(yè)，縱向貫通油田機關(guān)到基層各個層級，將原來散、亂的油田業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)集成協(xié)同，大大提升了油田上游板塊管理水平，實現(xiàn)了工業(yè)化與信息化的深度融合，適應(yīng)了上游企業(yè)油公司建設(shè)和運行體制變革的需要，打破了我國在石油勘探開發(fā)領(lǐng)域主要依賴國外軟件的局面，解決了長期困擾企業(yè)的“信息孤島”問題。

3 油田數(shù)字化技術(shù)發(fā)展趨勢

油氣行業(yè)數(shù)字化建設(shè)方向以實現(xiàn)供應(yīng)鏈效率提升、生產(chǎn)運營優(yōu)化與資產(chǎn)完整性完善為核心目標。這些目標的實現(xiàn)，需要數(shù)字化建設(shè)縱向升級、橫向滲透。主要技術(shù)手段有物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、移動應(yīng)用等，這些新信息技術(shù)與油田實踐的深入融合，并研發(fā)形成云計算平臺、大數(shù)據(jù)支撐平臺、人工智能平臺等基礎(chǔ)平臺，為企業(yè)智能生產(chǎn)、效益提升提供可能。這些技術(shù)的蓬勃發(fā)展，將給油田帶來重大顛覆性、替代性影響[3]。

3.1 傳輸技術(shù)

隨著油田傳輸技術(shù)的發(fā)展，近幾年呈現(xiàn)了百花齊放的局面，新興的 WIA-FA（工廠自動化無線網(wǎng)絡(luò)）、NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）、5G（第5代移動通信技術(shù)）等技術(shù)逐步應(yīng)用。各油田可根據(jù)不同傳輸技術(shù)的特點，結(jié)合油田實際業(yè)務(wù)需求及自然條件，以低成本建設(shè)為原則，采用適宜的無線傳輸技術(shù)。油田現(xiàn)場應(yīng)用的各種傳輸技術(shù)詳見圖1。

圖1 油田現(xiàn)場應(yīng)用的各種傳輸技術(shù)

3.2 邊緣計算技術(shù)

通過在終端設(shè)備和云之間引入邊緣設(shè)備，將云服務(wù)擴展到網(wǎng)絡(luò)邊緣。在油田現(xiàn)場應(yīng)用中，可充分利用井場RTU邊緣計算和存儲能力，使用孤立算法實現(xiàn)異常數(shù)據(jù)檢測和報警規(guī)則學習，同時對溫度和閥門開關(guān)進行邏輯控制，將之前在云端的處理功能在邊緣端實現(xiàn)，有效解決網(wǎng)絡(luò)帶寬和通信延遲問題。

3.3 無人機巡檢

利用無人機高清相機和紅外探測器，進行高清掃描和數(shù)據(jù)采集，通過無線網(wǎng)絡(luò)實時遠距離傳輸。無人機巡檢能滿足復雜地形和極端天氣情況下現(xiàn)場信息的獲取。通過無人機巡線、巡井，可提升信息應(yīng)急處置及信息傳遞的效率，降低用人成本，克服人工巡檢存在的局限，提高油田安全防護能力。

3.4 機器人巡檢

智能巡檢機器人集成了紅外熱像儀、可見光攝像機、高靈敏度拾音器等多種傳感器，可對站內(nèi)設(shè)備的儀表進行拍照或讀取，全程拍攝設(shè)備巡檢情況，自動記錄并實時傳到后臺，可精確測量設(shè)備運行溫度，實現(xiàn)熱缺陷等事故隱患自動報警等功能。還可應(yīng)用于受限空間、高溫、高壓、有毒氣體等特殊環(huán)境下的巡檢。

3.5 大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù)

信息化建設(shè)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用積累了海量油田生產(chǎn)數(shù)據(jù)和自動化數(shù)據(jù)，需要建立能夠滿足大數(shù)據(jù)分析性能需求的技術(shù)架構(gòu)和平臺進行深度處理分析、挖掘數(shù)據(jù)價值。通過數(shù)據(jù)挖掘、機器深度學習等技術(shù)，幫助決策人員制定精準的管理策略。人工智能則是從輔助、替代人工操作角度出發(fā)，輔助人工更高效地工作或?qū)崿F(xiàn)決策過程。

3.6 增強虛擬現(xiàn)實技術(shù)（AR）

與VR（虛擬現(xiàn)實技術(shù)）比較起來，AR是把原本在現(xiàn)實環(huán)境中體驗不到的信息，通過計算機模擬仿真后疊加到真實環(huán)境中的技術(shù)。佩戴上AR裝備，虛擬信息可被轉(zhuǎn)化成視覺、聽覺等信息，營造仿佛身臨其境的感官體驗。

3.7 移動應(yīng)用

利用移動應(yīng)用終端實現(xiàn)智能巡檢、無線調(diào)度通信、移動作業(yè)監(jiān)控、應(yīng)急調(diào)度指揮等功能。

4 下一步工作建議

4.1 加強基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

建立油田智能傳感器及無線通信技術(shù)選用與優(yōu)化指南和技術(shù)庫；加強無人機、機器人、移動應(yīng)用終端等智能產(chǎn)品和技術(shù)的開發(fā)完善與推廣應(yīng)用；利用大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù)對油田儀表、設(shè)備和裝置進行智能預測、診斷和優(yōu)化；利用增強現(xiàn)實技術(shù)，實現(xiàn)智能維修、遠程維修。

4.2 保障生產(chǎn)安全

建立油田安全關(guān)鍵要素清單，根據(jù)清單分類有針對性開發(fā)和應(yīng)用智能化技術(shù)，提高預測預警與及時處置能力；根據(jù)本質(zhì)安全理念，建立地面工程主要環(huán)節(jié)智能化技術(shù)需求與應(yīng)用清單及設(shè)計原則；建立安全管理在線跟蹤與處理監(jiān)控平臺或模塊，從人、財、物、事四個方面全時段全天候管控風險要素。

4.3 優(yōu)化業(yè)務(wù)流程

以數(shù)字孿生體為基礎(chǔ)，設(shè)立功能目標，研究全域和全時段仿真運行算法，使業(yè)務(wù)運行更優(yōu)化、更智能；建立云平臺、數(shù)據(jù)中心及協(xié)同決策中心，統(tǒng)一數(shù)據(jù)湖，統(tǒng)一技術(shù)平臺，通用應(yīng)用環(huán)境，解決數(shù)據(jù)庫多、平臺多、孤立應(yīng)用多的“三多”現(xiàn)象，解決運維復雜和性能瓶頸問題；根據(jù)油田智能化技術(shù)應(yīng)用情況及地下與地面一體化聯(lián)動開發(fā)機制，針對性建立新業(yè)務(wù)流程模式。

5 結(jié)束語

為發(fā)揮和實現(xiàn)數(shù)字油田潛能，經(jīng)過20多年的建設(shè)實踐，各油田已初步形成了資源共享、優(yōu)化集成的信息系統(tǒng)平臺，建成了一系列核心業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，實現(xiàn)了生產(chǎn)經(jīng)營精細管控的一體化運作模式。伴隨油田物聯(lián)網(wǎng)、云計算、ERP等統(tǒng)建項目的逐漸實施，油田數(shù)字化完成了由分散到集中化應(yīng)用的大跨越。隨著油田數(shù)字化技術(shù)的不斷推廣應(yīng)用，將大大提高油田生產(chǎn)運行效率，轉(zhuǎn)變管理方式，油田企業(yè)將有更加廣闊的發(fā)展空間。