油田地面工程技術(shù)管理綜合平臺的開發(fā)與應(yīng)用

大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠規(guī)劃設(shè)計研究所

油田的生產(chǎn)環(huán)節(jié)是石油企業(yè)管理中的重中之重，由于油田的基礎(chǔ)設(shè)施地理分布性較廣，各區(qū)域地理環(huán)境和地質(zhì)條件差異性較大。因此，生產(chǎn)指揮與決策在已知生產(chǎn)動態(tài)信息的基礎(chǔ)上，與具體的遠程實地三維地理信息相聯(lián)系，將大幅提高油田企業(yè)生產(chǎn)管理的科技化程度，達到事半功倍的效果。油田在生產(chǎn)開發(fā)過程中，安全性保障是首要任務(wù)，對于各種災(zāi)害的預(yù)案制定與快速反應(yīng)是減少災(zāi)損失的關(guān)鍵。三維系統(tǒng)可以根據(jù)受災(zāi)地點位置快速查詢事故區(qū)周邊地理要素，計算最佳救災(zāi)路線、財產(chǎn)損失并模擬各種方案的可行性程度。油田企業(yè)作為國家重要的經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)之一，其科技化程度代表該企業(yè)的國際地位與先進水平。“數(shù)字油田”是石油企業(yè)百年發(fā)展夢想之一，數(shù)字油田的實現(xiàn)，需要先進的IT技術(shù)保障，而融合GIS技術(shù)和三維可視化技術(shù)的三維GIS技術(shù)正是當(dāng)今先進IT技術(shù)的發(fā)展方向之一。因此，展示數(shù)字油田建設(shè)成果，需要三維技術(shù)保駕護航[1]。

1 三維可視化建設(shè)現(xiàn)狀

三維建模運用最新的圖像化處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)由傳統(tǒng)的二維平面表現(xiàn)方式轉(zhuǎn)換為三維立體，構(gòu)筑虛擬模型來真實地反映客觀事物，在油田建設(shè)中使用三維建模技術(shù)，已經(jīng)成為工程建設(shè)、管理決策的發(fā)展趨勢。三維數(shù)字化、三維可視化及三維智能化運維技術(shù)在油氣田行業(yè)的運用，為油田的精細化管理提供了技術(shù)支持。

A采油廠于2013年著手開展部分站場的探測與三維建模工作，購置三維激光掃描儀及Skyline 系統(tǒng)平臺，舉辦探測設(shè)備、地面三維建模培訓(xùn)班，為地面設(shè)施三維建模奠定基礎(chǔ)，以培養(yǎng)信息化建設(shè)精干人才隊伍。截至目前，先后制作了23 座站場的三維模型（7 座聯(lián)合站、2 座轉(zhuǎn)油站、2 座計量間、12座變電所），剩余聯(lián)合站將在后續(xù)的數(shù)字化建設(shè)中逐年完成。

在持續(xù)完善油田站場模型的同時，對注采井、井排道路、電力設(shè)施等生產(chǎn)設(shè)施根據(jù)規(guī)程規(guī)范進行建模。

2 存在的問題

（1）單體模型規(guī)模龐大不成體系。完成全廠23 座站場、11 634 口單井、445.98 km 井排道路的三維模型，但相對關(guān)系無法體現(xiàn)，具體使用還停留在瀏覽階段，不能為生產(chǎn)管理提供指導(dǎo)，

（2）設(shè)施設(shè)備信息單一。只具備圖形數(shù)據(jù)，站場、單井、道路模型沒有詳細的屬性數(shù)據(jù)支持，在分析與決策支持方面的能力相對較弱，

（3）油田設(shè)施不完善。缺乏地下管網(wǎng)的空間信息，不能有效的形成地上地下一體化的管理模式，在油田通用三維空間信息的網(wǎng)絡(luò)化與標準化等方面有待進一步完善，

（4）圖形應(yīng)用方面存在局限性。與其他生產(chǎn)管理體系的數(shù)據(jù)共享、服務(wù)對接能力較弱。

3 技術(shù)管理綜合平臺構(gòu)建技術(shù)路線

圖1 地面技術(shù)管理綜合平臺系統(tǒng)框架Fig.1 System framework of surface technology management integrated platform

（1）整體技術(shù)架構(gòu)。平臺建設(shè)采取“整體布局、統(tǒng)一設(shè)計、分步實施”的模式（圖1），以航拍影像圖為基礎(chǔ)[2]，進行大場景三維展示。以站間、管道等地面設(shè)施為研究對象開展信息化油田管理建設(shè)工作，實現(xiàn)可視化多維信息交互表達，全方位、多層次、多專業(yè)的綜合管理，油田在科學(xué)決策部署、生產(chǎn)運行指揮、動靜態(tài)信息統(tǒng)計分析及輔助規(guī)劃設(shè)計等方面的數(shù)字化管理。

（2）正射影像圖制作。數(shù)字正射影像圖（DOM）是以航攝像片或遙感影像（單色/彩色）為基礎(chǔ)，具有地形圖的幾何精度和影像特征，是三維GIS開展可視化管理、構(gòu)建“數(shù)字油田”的核心基礎(chǔ)信息[3]。

正射影像圖制作主要包括地形地貌影像背景圖編制、1∶2 000立體影像數(shù)據(jù)處理、1∶2 000數(shù)字高程模型制作、1∶2 000數(shù)字線劃地圖修正處理及油區(qū)1∶2 000航拍圖編制。

通過與油田地面設(shè)施（井場、站場、道路、電力線路等）模型的疊加，可以對油田設(shè)施與土地、水系、村屯、工業(yè)項目的交叉沖突進行有效管理（采用無人航拍技術(shù)對油區(qū)進行航拍修正，修正后油田三維區(qū)域背景分辨率可達0.3 m）。

（3）地面設(shè)施三維模型的展示。基于數(shù)字正射影像圖的高精度、直觀逼真、信息豐富、現(xiàn)實性強等特點，作為三維站場的背景，評價聯(lián)合站、轉(zhuǎn)油站、計量間、變電所等地面設(shè)施模型的精度、現(xiàn)實性和完整性，可直觀反映油田設(shè)施周邊環(huán)境的自然信息[4-5]，為油田用地、站場選址、產(chǎn)能規(guī)劃等工作提供圖形依據(jù)。

根據(jù)空間數(shù)據(jù)信息采集結(jié)果，將采出井、注入井的三維模型精確定位到數(shù)字正射影像圖中，真實反映井位分布，方便定位查詢，為管網(wǎng)調(diào)整、井位規(guī)劃、工業(yè)項目穿跨越提供支持。

（4）埋地管網(wǎng)補充完善。利用GPS-RTK 測量儀對區(qū)域內(nèi)的工程數(shù)據(jù)（單井、管道、電力設(shè)施、道路、供排水設(shè)施等）進行現(xiàn)場測量和記錄，現(xiàn)場同步收集部分屬性數(shù)據(jù)，針對站（間）以上管網(wǎng)采取先探測后測繪的方式進行。

對管道根據(jù)管徑、輸送介質(zhì)、埋深等信息進行三維建模[6-7]，根據(jù)起點、拐點、終點等空間信息精確定位到影像圖中，反映管線真實走向的同時體現(xiàn)了與周圍自然環(huán)境的關(guān)系（圖2）。

圖2 地面設(shè)施數(shù)據(jù)采集Fig.2 Surface facilities data acquisition

（5）油田路網(wǎng)拓撲圖。歷時6 個月處理100 余萬條線劃數(shù)據(jù)，繪制完成數(shù)據(jù)量小于3萬條，重新映射了影像圖和現(xiàn)場實際路網(wǎng)的邏輯關(guān)系，形成了準確的道路拓撲圖。將處理后的DOM 影像圖加載進入Auto CAD 中，描繪出全廠道路、溝渠、湖泊及陡坡，實現(xiàn)管道、井站的定位及導(dǎo)航，滿足通過步行、乘車等方式開展現(xiàn)場巡檢工作的路線選擇，提高了生產(chǎn)指揮效率，為地理信息定位導(dǎo)航系統(tǒng)實現(xiàn)直觀、互動的可視化信息查詢提供圖形依據(jù)。

（6）空間測量。利用點選、框選可在正射影像圖中進行簡單的長度計算和面積計算，降低了員工勞動強度、現(xiàn)場核實頻率，為輔助規(guī)劃設(shè)計提供技術(shù)手段。

（7）建立常用設(shè)備模型庫。完善單體設(shè)備（橫向流、核桃殼濾罐、石英砂濾罐等）三維模型，方便在以后的站場建模中直接調(diào)用，為確定新建站場站內(nèi)布局提供輔助手段。

（8）密閉容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)模擬。利用虛擬技術(shù)建立天然氣除油器、除油緩沖罐、三相分離器、加熱爐等密閉容器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型，同時應(yīng)用3D 技術(shù)打印三相分離器實物模型，提高現(xiàn)場操作人員對設(shè)備運行、流程運轉(zhuǎn)的認知，為應(yīng)急演練、安全培訓(xùn)提供技術(shù)支持。

4 平臺應(yīng)用拓展

4.1 與集中監(jiān)控系統(tǒng)對接

在對現(xiàn)實生產(chǎn)體系的準確模型化描述的基礎(chǔ)上，為方便影像圖的深入應(yīng)用，開展了影像圖切片編碼、動態(tài)數(shù)據(jù)實時傳輸研究等工作，為進一步實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集自動化、動態(tài)分析及時化提供技術(shù)支持。

（1）影像數(shù)據(jù)處理。傳統(tǒng)的影像圖發(fā)圖需要使用服務(wù)器將圖片渲染完成后，將數(shù)據(jù)全部傳輸?shù)娇蛻舳藶g覽器才能加載，地表正射影像圖大小在40 G以上，嚴重影響了發(fā)布及使用。

通過對大體積影像數(shù)據(jù)的切片、壓縮，在保證圖像質(zhì)量的基礎(chǔ)上，可以將數(shù)據(jù)量縮減至原有的十分之一，依據(jù)約定的命名規(guī)則進行存儲，在瀏覽時僅調(diào)用需要的圖片，方便在網(wǎng)絡(luò)上瀏覽大容量圖像。

（2）數(shù)據(jù)實時傳輸。應(yīng)用新型的對象連接與嵌入技術(shù)，實現(xiàn)集中監(jiān)控實時數(shù)據(jù)遠傳。目前井、站數(shù)據(jù)主要采取就地儀表計量、手工錄取的方式，利用聯(lián)合站現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的計算機發(fā)布OPC 服務(wù)，各級管理者通過網(wǎng)頁調(diào)用、審核、匯總現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)，供客戶端瀏覽者使用[8]。該技術(shù)獨立于平臺并且面向服務(wù)，具有較高的安全性，通過新技術(shù)的應(yīng)用，井站數(shù)據(jù)可實現(xiàn)實時上傳，各級管理人員能及時掌握生產(chǎn)系統(tǒng)運行實時狀態(tài)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集、信息關(guān)聯(lián)、數(shù)據(jù)共享，減少人為失誤，使資料更加準確。

（3）安防能力提升。為了探索數(shù)字化建設(shè)、油田保衛(wèi)技防、生產(chǎn)管理緊密結(jié)合的管控模式，將相控雷達與光學(xué)成像技術(shù)高度融合，根據(jù)監(jiān)測管轄范圍內(nèi)的雷達系統(tǒng)，快速定位偷盜位置，并根據(jù)油田路網(wǎng)拓撲圖，快速制定導(dǎo)航路線，監(jiān)測面積在安防雷達全部實施后可達519 km2，有效降低盜油盜電案件發(fā)生。

（4）與管道信息管理平臺結(jié)合。管道信息管理平臺是以“管道完整性管理為標準，全生命周期為理念”開發(fā)的管理平臺，包括管道設(shè)計施工、管道穿孔、陰極保護系統(tǒng)、管道日常運行管理四個功能模塊，含管道工藝流程、設(shè)計施工、高后果區(qū)管理、風(fēng)險評估管理、日常運行、更新報廢、失效事件、防腐檢測信息、犧牲陽極信息、強制電流信息管理10個子功能模塊。

全面梳理管道動、靜態(tài)管理流程，建立健全管道數(shù)據(jù)庫，開發(fā)與A5 的對接接口，配套相應(yīng)管理軟件，并與埋地管網(wǎng)二、三維聯(lián)動圖形相匹配，實現(xiàn)地上地下一體化，同時可根據(jù)不同管道的流量、管徑、年限動態(tài)顯示不同顏色，便于區(qū)分[9]。埋地管道圖形與屬性數(shù)據(jù)的結(jié)合，保證站外管道完整性管理，實現(xiàn)動、靜態(tài)信息全方位信息化及可視化優(yōu)質(zhì)管理，輔助提高專業(yè)化管理效率。

4.2 與數(shù)字化移交對接

隨著企業(yè)的不斷發(fā)展，在油田未來建設(shè)過程中，設(shè)計工作將逐步從二維設(shè)計向三維設(shè)計轉(zhuǎn)變，在提高設(shè)計效率的同時保證設(shè)計精度，實現(xiàn)工程立項、項目設(shè)計、現(xiàn)場施工、項目交付等全過程的數(shù)據(jù)集成。

（1）原始數(shù)據(jù)的收集整理。轉(zhuǎn)變技術(shù)管理綜合平臺數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)，除了日常生產(chǎn)動、靜態(tài)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)外，通過對全廠聯(lián)合站、轉(zhuǎn)油站、計量間的設(shè)計圖紙、竣工圖紙等建設(shè)資料進行數(shù)字化處理，在數(shù)字化移交全面實施后提供原始數(shù)據(jù)支持。

（2）數(shù)據(jù)共享。技術(shù)管理綜合平臺和數(shù)字化移交都是以三維圖形引擎為支撐，可在彼此系統(tǒng)中實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的輸入、檢索查詢、調(diào)用、處理分析、展示，文檔在線查看、設(shè)備參數(shù)管理、文檔關(guān)聯(lián)功能等。

（3）虛擬設(shè)備巡檢。在平臺內(nèi)油田地面設(shè)施三維模型全部建設(shè)完成后，利用三維數(shù)字化設(shè)備，可進行巡檢線路模擬、在線開展故障排查。

（4）智能化運維管理。以現(xiàn)有技術(shù)管理綜合平臺作為感知層，以三維模型和工藝流程模擬模型為基礎(chǔ)，結(jié)合基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，為智能站場生產(chǎn)運維系統(tǒng)和生產(chǎn)模擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)等提供底層數(shù)據(jù)，實現(xiàn)生產(chǎn)運營的智能化管理、離線狀態(tài)的工藝流程可視化模擬、工藝優(yōu)化、操作員仿真培訓(xùn)等（圖3）。

5 系統(tǒng)整體效果

（1）生產(chǎn)過程各節(jié)點管控效率明顯提高。通過數(shù)據(jù)自動采集、報警自動檢測、指令快捷下傳、報表自動生成等功能，提高了管控效率。

（2）提升了油田安全監(jiān)控能力。依托數(shù)字平臺建設(shè)實時監(jiān)控設(shè)施運轉(zhuǎn)、關(guān)鍵部位狀況，及時發(fā)現(xiàn)和糾正違規(guī)隱患，掌握了風(fēng)險防控主動權(quán)。

系統(tǒng)建設(shè)完成后，以數(shù)字化為基礎(chǔ)，優(yōu)化勞動組織架構(gòu)，由“廠—礦—隊”三級管理變?yōu)椤皬S—作業(yè)區(qū)管理中心”兩級管理，簡化了管理流程，減少了中間環(huán)節(jié)，調(diào)度指揮直通基層，管理鏈條短，運行效率高。

圖3 智能化運維管理結(jié)構(gòu)Fig.3 Intelligent operation and maintenance management structure

（3）生產(chǎn)管理實現(xiàn)了三個轉(zhuǎn)變。三個轉(zhuǎn)變包括：①手工操作到全自動處理的轉(zhuǎn)變。巡井方式目前為人工定期巡井，一天巡井兩次，井場手工操作關(guān)井，集油閥組間摻水量、配水間注水量人工調(diào)節(jié)，通過數(shù)字化建設(shè)，可實現(xiàn)電子巡井，監(jiān)控室僅需幾十秒可自動停井，單井摻水量、注水量完全實現(xiàn)遠程自動調(diào)節(jié)，且恒流穩(wěn)定精準。②斷續(xù)數(shù)據(jù)點到連續(xù)信息流的轉(zhuǎn)變。目前井、站數(shù)據(jù)主要采取就地儀表計量、手工錄取的方式，通過數(shù)字化建設(shè)，井站數(shù)據(jù)可實現(xiàn)實時上傳，各級管理人員能及時掌握生產(chǎn)系統(tǒng)運行實時狀態(tài)。③經(jīng)驗管理到精細化管理的轉(zhuǎn)變。目前油井單環(huán)摻水量、注水井注水量均為人工粗略調(diào)節(jié)，通過數(shù)字化建設(shè)，油井單環(huán)摻水量可根據(jù)回油溫度、注水井注水量可根據(jù)注入壓力進行精確調(diào)節(jié)，做到精細化管理。

6 結(jié)束語

應(yīng)用Skyline技術(shù)成功構(gòu)建了3DGIS系統(tǒng)，通過將精準影像圖、精細模型與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)相結(jié)合，全面展示油田規(guī)劃布局、生產(chǎn)運行、設(shè)備參數(shù)、輔助設(shè)施等一系列數(shù)字化信息，為油田規(guī)劃設(shè)計、生產(chǎn)指揮、動態(tài)查詢、模擬運行、智能管理、科學(xué)研究及培訓(xùn)教學(xué)提供了良好的信息支撐，為全面提升地面工程技術(shù)管理水平奠定了堅實基礎(chǔ)。