信息化在頁巖氣及常規(guī)氣區(qū)域發(fā)展方向淺析

陳昌健 曹洋 廖小軍 莫嵐

摘 要 就目前油氣田信息化生產(chǎn)開支負(fù)擔(dān)過重、生產(chǎn)轉(zhuǎn)化率較低，管理組織結(jié)構(gòu)過大，存在一定的安全生產(chǎn)風(fēng)險等問題，文章介紹了川南頁巖氣及常規(guī)氣區(qū)域?qū)嶋H生產(chǎn)信息化的情況，并針對川南片區(qū)井站點(diǎn)多面廣、高度分散、管理成本高、信息共享差、管理決策不及時等現(xiàn)狀進(jìn)行闡述，同時分析評價了生產(chǎn)信息化在生產(chǎn)中的全面應(yīng)用及效果，指出了信息化未來向智慧化發(fā)展的方向，提高了油氣田開發(fā)與加工能力和管理決策水平，降低了經(jīng)營風(fēng)險，有效避免了生產(chǎn)安全事故的發(fā)生。研究結(jié)果表明：①信息化的生產(chǎn)技術(shù)手段已不能滿足未來的生產(chǎn)需求;②信息化油氣田必然向智慧化油氣田所過度，油氣生產(chǎn)中的各類系統(tǒng)將會向人工智能的模式發(fā)展;③利用人工智能技術(shù)平臺，實現(xiàn)了氣田氣井的安全受控、自動化管理，為真正實現(xiàn)井站無人值守創(chuàng)造了條件，為保障油氣田生產(chǎn)中的設(shè)備設(shè)施平穩(wěn)運(yùn)行，提高信息化故障處理的效率，縮短處理的時間;④人工智能技術(shù)的普及和發(fā)展應(yīng)用，終將成為油氣行業(yè)生產(chǎn)智慧化未來發(fā)展的方向。

關(guān)鍵詞 人工智能;油氣田生產(chǎn)信息化;頁巖氣井站應(yīng)用效果;分析評價

引言

隨著中國石油、中國石化等企業(yè)的快速發(fā)展，已由信息化往智慧化過度，并越來越廣泛的應(yīng)用于油氣田日常生產(chǎn)經(jīng)營管理過程之中。由于之前的信息化顛覆了從傳統(tǒng)工業(yè)中對油氣田行業(yè)的認(rèn)識，同時，也給石油企業(yè)的日常管理、生產(chǎn)經(jīng)營帶來滄桑巨變，減輕企業(yè)的開支負(fù)擔(dān)、提高生產(chǎn)轉(zhuǎn)化率、優(yōu)化管理組織，降低生產(chǎn)安全風(fēng)險。筆者將對中國石油天然氣集團(tuán)公司川南頁巖氣片區(qū)主要井站、輸氣站、重要管線展開對目前信息化程度的介紹，所存在的問題的分析與建議，以及預(yù)測未來智慧化在川南片區(qū)的發(fā)展。

1川南頁巖氣及常規(guī)氣區(qū)域生產(chǎn)現(xiàn)狀及信息化程度

川南頁巖氣及常規(guī)氣區(qū)域由長寧、威遠(yuǎn)、瀘縣、安岳、瀘州、自貢等主要的區(qū)域組成，具有巨大的勘探開發(fā)潛力，至2019年底已經(jīng)鉆獲了瀘202、瀘203井等一批深層高產(chǎn)頁巖氣井，川南頁巖氣日產(chǎn)量已達(dá)2000萬立方米以上，其中長寧頁巖氣田累計投產(chǎn)179口井，頁巖氣日產(chǎn)量達(dá)到1100萬立方米;威遠(yuǎn)頁巖氣田累計投產(chǎn)123口井，頁巖氣日產(chǎn)量達(dá)到500萬立方米。目前，中國石油在川南地區(qū)新建內(nèi)部集輸管道370千米、外輸管道230千米，具備了88億方的天然氣脫水能力和113億立方米的外輸能力。

1.1 生產(chǎn)信息化程度

生產(chǎn)信息化的主要功能，就是實現(xiàn)一線生產(chǎn)井站數(shù)據(jù)的自動采集與傳輸，重點(diǎn)高產(chǎn)量頁巖氣井站，輸氣干線閥室、閥井的遠(yuǎn)程控制，無人值守站和中心井站實現(xiàn)視頻安防監(jiān)控，達(dá)到安全風(fēng)險受控、自動化精確管理和減少人力成本，增大企業(yè)效益的目的[1]。

川南頁巖氣片區(qū)生產(chǎn)信息化系統(tǒng)已經(jīng)完全實現(xiàn)無人站、中心站、作業(yè)區(qū)（RCC）、氣礦（DCC）“四級管控”功能。六大生產(chǎn)信息化輔助系統(tǒng)已覆蓋到了采氣、輸氣、脫水、脫硫、配氣、氣田污水處理等各生產(chǎn)一線單元中，可以有效準(zhǔn)確掌握生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集傳輸和安防監(jiān)視控制等功能的信息化生產(chǎn)站場 524 座，依靠生產(chǎn)信息化系統(tǒng)實現(xiàn)無人值守井站 494 座，川南頁巖氣片區(qū)輸氣管理處的干線輸氣閥室、閥井實現(xiàn)自動控制與數(shù)據(jù)采集傳輸率達(dá)到了97%。

1.2 生產(chǎn)信息化結(jié)構(gòu)

氣礦調(diào)度指揮中心（DCC）：

完成對氣礦所管轄生產(chǎn)站場實時生產(chǎn)、計量數(shù)據(jù)集中統(tǒng)一監(jiān)視，同時向分公司總調(diào)度中心、生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺上傳實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)，最后通過分公司統(tǒng)一的生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺，將生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)、產(chǎn)量走勢圖由生產(chǎn)網(wǎng)傳輸?shù)睫k公網(wǎng)服務(wù)器，為生產(chǎn)運(yùn)行各類系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持，實現(xiàn)一次采集、集中管理、多業(yè)務(wù)應(yīng)用。

作業(yè)區(qū)調(diào)度指揮中心（RCC）：

對作業(yè)區(qū)域內(nèi)所有中心站、有人站、無人站的集中監(jiān)視，并將生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)、場站安防監(jiān)控視頻上傳至氣礦調(diào)度指揮中心。具有生產(chǎn)數(shù)據(jù)及流程監(jiān)控（站場地理分布圖、生產(chǎn)實時參數(shù)匯總、用戶用量趨勢圖、生產(chǎn)數(shù)據(jù)報表等）、雙向語音視頻系統(tǒng)、拼接大屏等功能。

中心站：

中心站要除承擔(dān)自身站場的生產(chǎn)計量和安防監(jiān)控外，還要對所管轄的有人井站、無人井站進(jìn)行生產(chǎn)、安防監(jiān)控，并將產(chǎn)量數(shù)據(jù)、安防視頻上傳至作業(yè)區(qū)調(diào)度指揮中心，其具有生產(chǎn)數(shù)據(jù)及流程監(jiān)控、生產(chǎn)視頻及安防監(jiān)控、雙向語音視頻對講、數(shù)據(jù)存儲及上報等功能。

有人站、無人站：

井站現(xiàn)場采集自動化儀表設(shè)備設(shè)施數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)控實時視頻或安防系統(tǒng)抓拍圖片，并將生產(chǎn)數(shù)據(jù)和安防圖片上傳至中心站監(jiān)控室，具有生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集上傳、遠(yuǎn)程控制、狀態(tài)檢測及實時安全報警、視頻圖像監(jiān)控、非法闖入監(jiān)測等功能。

2生產(chǎn)信息化應(yīng)用情況

生產(chǎn)信息化實現(xiàn)了將油氣田一線頁巖氣、常規(guī)氣站場存在分散、多級的管控方式，轉(zhuǎn)變成了由生產(chǎn)調(diào)度指揮中心的集中管控，提高了現(xiàn)場管理水平。油氣田信息化中的六大生產(chǎn)信息化輔助系統(tǒng)提供了更好的技術(shù)應(yīng)用手段，保證人員、設(shè)備的安全和生產(chǎn)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時顯示、參數(shù)預(yù)警和事件記錄、安防視頻監(jiān)控等信息化技術(shù)的應(yīng)用，能夠及時、準(zhǔn)確、連續(xù)地掌握生產(chǎn)現(xiàn)場的生產(chǎn)動態(tài)，實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場的自動連續(xù)監(jiān)控，保證天然氣采、輸、配的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1 自控系統(tǒng)

現(xiàn)目前，所有川南頁巖氣區(qū)塊新建成投產(chǎn)氣井，均采用SCADA井控系統(tǒng)。利用SCADA系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時顯示功能，隨時隨地對作業(yè)區(qū)所管轄生產(chǎn)氣井、用戶氣量、管道組網(wǎng)、增壓裝置、機(jī)組的壓力、差壓、天然氣流量、溫度、分離器液位、脫硫塔情況等生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行巡檢匯總，及時發(fā)現(xiàn)異常進(jìn)行處理。還可以根據(jù)生產(chǎn)實際情況和管理需要，設(shè)置壓力變送器參數(shù)報警高低門限值，當(dāng)情況發(fā)生變化時動態(tài)修改報警限值，及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)異常情況進(jìn)行處理。

2.2 傳輸系統(tǒng)

川南片區(qū)各個生產(chǎn)井站，部分無人值守站（常規(guī)氣）采用無線傳輸（信號不穩(wěn)地，傳輸帶寬有限，受地理位置限制），部分中心站采用租用運(yùn)營商電路將生產(chǎn)

數(shù)據(jù)傳輸至各作業(yè)區(qū)，頁巖氣生產(chǎn)井全部采用光纜傳輸通信，光纜總長度742KM，其中包括管道光纜和架空光纜。川南片區(qū)至成都采用的波分環(huán)網(wǎng)，通過北內(nèi)環(huán)、蘭成渝、北外環(huán)和南干線的交叉環(huán)網(wǎng)，形成通道保護(hù)環(huán)。

2.3 生產(chǎn)視頻系統(tǒng)

生產(chǎn)視頻系統(tǒng)以生產(chǎn)網(wǎng)通信為平臺，對川南片區(qū)各井站的生產(chǎn)場所，特別是頁巖氣生產(chǎn)氣井進(jìn)行實時監(jiān)控，并實時存儲視頻圖像，確保歷史事件的可追溯性，提供各類生產(chǎn)事件的取證、調(diào)查。通過生產(chǎn)視頻系統(tǒng)遠(yuǎn)程巡檢，井站員工能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控分離器液位，監(jiān)控井口油、套壓數(shù)據(jù)，減少了井站員工巡井的工作強(qiáng)度。

目前分公司在生產(chǎn)網(wǎng)中部署了視頻服務(wù)器，實現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)控平臺，從整體上全面、快速了解系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。分公司和氣礦級服務(wù)器中安裝有9800平臺綜合監(jiān)控中心。而在作業(yè)區(qū)級的視頻服務(wù)器中安裝8800平臺綜合監(jiān)控中心，最前端的則為中心站的硬盤錄像機(jī)。經(jīng)過三級層層相連接的方式，將生產(chǎn)場所實時視頻向上推送，最后通過單向網(wǎng)閘和防火墻，使得在辦公網(wǎng)中也可以瀏覽到生產(chǎn)監(jiān)控視頻[2]。

3未來油氣行業(yè)生產(chǎn)信息化發(fā)展的方向

從未來發(fā)展趨勢來看，信息化油氣田必然向智慧化油氣田所過度，油氣生產(chǎn)中的各類系統(tǒng)將會向人工智能的模式發(fā)展，目前六大生產(chǎn)信息化輔助系統(tǒng)在日常運(yùn)行維護(hù)中存在的問題，部分可以利用人工智能來手段來解決，隨著人工智能技術(shù)的普及和發(fā)展應(yīng)用，終將成為油氣行業(yè)生產(chǎn)智慧化未來發(fā)展的方向。

3.1 智慧化手段的生產(chǎn)輔助應(yīng)用（基于人工智能）

（1）故障定位、分類

信息化網(wǎng)絡(luò)故障診斷方法，基于ICMP路徑探測的故障診斷方法。ICMP指的是互聯(lián)網(wǎng)控制報文協(xié)議，適用于路由器和主機(jī)之間傳遞控制報文。基于ICMP路徑探測的故障診斷方法，往往采用的工具為ping診斷程序和tracert診斷程序。

采用ICMP路徑探測來進(jìn)行故障定位是一個相對簡單的方法，問題在于每一次探測只能對一條鏈路進(jìn)行故障定位，并且ICMP從源主機(jī)到目標(biāo)主機(jī)發(fā)送了大量的數(shù)據(jù)報文，這無形之間也加重了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)。

（2）異常檢測在運(yùn)維中的應(yīng)用

異常通常是用于數(shù)據(jù)量相對集中的對象之間不存在有任何的順序關(guān)系的普通數(shù)據(jù)集，一個異常所包含信息量很少，不適用時間序列，所以在此基礎(chǔ)上，又定義了異常模式。

異常檢測的情況往往在一個包含有正常和異常時的數(shù)據(jù)集中，異常情況樣本數(shù)目會遠(yuǎn)小于正常情況樣本數(shù)目，從而就使得無法從異常數(shù)據(jù)中抓取出有效的特性。于是就只可以通過學(xué)習(xí)正常數(shù)據(jù)的特征分布來識別異常數(shù)據(jù)。想要達(dá)到這一效果，于是我們就要通過數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)一個概率模型 ，并且標(biāo)定一個閾值用來判斷數(shù)據(jù)是否異常。從宏觀角度上來理解正常數(shù)據(jù)雖然存在著誤差等原因會有所偏離，但基本都還可以保持在一個區(qū)域范圍內(nèi)，而異常數(shù)據(jù)則會偏離在這個區(qū)域比較遠(yuǎn)的地方。

異常檢測算法在異常特征比較多時其計算準(zhǔn)確率相對較高，而且通常情況下即使特征不是相對獨(dú)立的也可以獲得比較好的結(jié)果。但如果特征相對較少時并且特征之間又有相互關(guān)聯(lián)的情況，這時候我們可以采用多元正態(tài)分布來作為模型進(jìn)行計算，此時 為：

其中，式子中的為協(xié)方差矩陣。

由于我們的數(shù)據(jù)具有偏斜類的相關(guān)問題，所以就要采用查準(zhǔn)率和召回率的結(jié)合指數(shù)來評價模型，并選取取最大時對應(yīng)的作為閾值。假設(shè)現(xiàn)在有個運(yùn)維場站，并且還有位運(yùn)維人員可以對可能發(fā)生的故障進(jìn)行解決。其中有些運(yùn)維人員對部分故障沒有處理的能力，我們就想將這一部分故障給予能處理的運(yùn)維人員，運(yùn)維人員有沒有能力給故障處理的能力記為。假設(shè)每一個故障都是具有明顯的特征向量，對于運(yùn)維人員，就可以采用線性回歸中的那樣學(xué)習(xí)一個用來得到運(yùn)維人員有沒有能力處理這一故障的能力。可以看出對于所有的運(yùn)維人員，所有的故障可以表示為特征矩陣和運(yùn)維人員參數(shù)矩陣的乘積[3]：

估計的故障發(fā)生，要注意的是都是未知的，這些都是需要學(xué)習(xí)的變量。

現(xiàn)在確定了所要學(xué)習(xí)的模型，接下來就是要設(shè)定代價函數(shù)。在計算梯度的時候都是需要要求的。下面則直接給出了代價函數(shù)：

然后利用簡單的求導(dǎo)就可以得到梯度公式：

現(xiàn)在只需要實現(xiàn)代價函數(shù)的部分并計算梯度值，調(diào)用minimize函數(shù)來獲取最優(yōu)的解就可以了。有了的值，就可以比較準(zhǔn)確的預(yù)測到將要發(fā)生的故障。

由于缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)，筆者通過利用高斯分布加上噪聲的方法進(jìn)行了模擬實驗。筆者總共設(shè)計了150個數(shù)據(jù)點(diǎn)，其中125個為正常數(shù)據(jù)，25個為異常數(shù)據(jù)。這25個異常數(shù)據(jù)通過在高斯分布的基礎(chǔ)上加上噪聲得到。我們通過兩種方法來進(jìn)行異常檢測，一種為極大似然法（MLE），另一種為最小協(xié)方差行列式法（MCD）。MLE和MCD方法采用不同的“距離”衡量不同數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的差異，但均取得了理想的效果[4]。

4未來油氣行業(yè)智慧化的展望

我國的石油天然氣開發(fā)與利用已經(jīng)進(jìn)入了二次創(chuàng)業(yè)時期，在油氣開發(fā)方面，剩余油氣藏普遍存在于復(fù)雜的生儲蓋地質(zhì)環(huán)境中，具有埋藏更深、更隱蔽、更難開采的特點(diǎn)，在油氣加工方面，隨著原油價格的迅速攀升，石化企業(yè)生產(chǎn)成本不斷上漲。中國的三大石油石化集團(tuán)已經(jīng)進(jìn)入國際市場，已經(jīng)從計劃經(jīng)濟(jì)模式走到了國際競爭的前緣，正在承受著日益加大的來自國際石油行業(yè)的競爭壓力，以低勞務(wù)成本取勝不會是永遠(yuǎn)的優(yōu)勢，智慧化建設(shè)對提高油氣開發(fā)與加工能力和管理決策水平、降低經(jīng)營風(fēng)險具有重大意義。另外，智慧油田和智慧石化也是石油石化企業(yè)全面升級與再造的需要。這些需求越來越迫切，越來越復(fù)雜，越來越苛刻，只有建設(shè)全面智慧化的油田和企業(yè)才是最終的解決之道。

參考文獻(xiàn)

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