油氣田地面工程智能化建設探索

宋旭 趙雪峰 李宏斌 邊孝琦 王永東

1大慶油田設計院有限公司

2大慶油田有限責任公司

中國石油上游資產總量巨大，擁有36 萬余口開發井、1.6 萬余座站場、30 多萬千米管道、近40萬臺/套設備，且逐年增加；因新探明資源品質低，非常規開采工藝復雜、難度大，導致新油氣田效益開發難度增加，且單井產量下降；老油田區塊已進入特高含水期，生產成本升高，效益大幅降低，每年減員增效目標實現難度大。經國內外實踐證明，信息化是實現業務和管理目標、加快智能油氣田建設的重要手段。

為適應新時代發展需求，2019 年中國石油勘探與生產公司開展了上游信息化頂層設計，根據中國石油戰略發展規劃，從全局和戰略的高度，對信息化工作統籌考慮、總體設計，制定了全面建成智能油氣田的目標和三步走戰略[1]。2020 年及“十四五”期間，勘探與生產公司將強力推進信息化建設工作，以勘探開發夢想云為重要抓手，依托夢想云統籌各類信息系統，按照“強基礎、補短板、促應用”的工作思路，持續夯實數據基礎，加強業務應用建設，堅持先進的信息化技術與主營業務深度融合，實現生產自動化、管理協同化、研究智能化，促進上游業務數字化轉型智能化發展。

1 建設基礎

1.1 業務基礎

油氣田地面工程業務領域已積累了大量的標準規范、管理規定、優秀方案、技術成果、生產實踐、案例剖析、專業書籍等寶貴資源，其中涵蓋了海量的知識信息，通過對這些知識進行梳理，可形成全面的地面工程知識體系。以石油工業出版社為例，已積累地面類圖書115 種、標準214 種、音像制品8 種，管道類圖書458 種、標準1 396 種、電子制品1 種，集輸類圖書163 種、標準104 種，站場類圖書6 種、標準35 種，長輸類圖書47 種、標準53 種，儲氣庫類圖書39 種、標準39 種，石油科技論壇發布相關論文近百篇，對這些圖書、標準進行碎片化加工，整合形成資源管理平臺，可提供快速檢索、統計、分析等服務。

1.2 信息化基礎和成效

中國石油上游信息化建設歷經30 多年的探索發展，建設了油氣水井生產數據管理系統（A2）、中國石油地理信息系統（A4）、采油與地面工程運行管理系統（A5）、勘探開發一體化協同研究及應用平臺（A6）、油氣生產物聯網系統（A11）、認知計算平臺（E8）等統建信息系統，已整合了地面工程關鍵業務流程及數據資產，在增油、降耗、增效、降本等方面已體現了效果與潛力；按照上游信息化頂層設計架構，遵循“兩統一、一通用”和“四個一”原則建設的勘探開發夢想云，搭建了完整的信息化、智能化發展生態，為油氣田地面工程的信息化、數字化、智能化發展奠定了基礎[2]。

（1）助力穩產增產。應用潛力井篩查分析縮短發現問題井時間，縮短措施實施時間；提高維護性單井設計、壓裂設計流轉效率，有效增加采油井生產時間，增加時率，達到增油目的。根據實際應用情況，潛力井從提出到實施縮短3 天，維護性設計流轉時間縮短2 天，壓裂設計流轉時間縮短2.5天，提升工作效率50%以上。

（2）促進降本增效。通過在線管理長停井，并結合單井電子檔案信息，開展長停井管理及恢復工作，如華北油田，應用系統自動統計出長停井的現狀信息并穿透單井顯示長停前產量及長停原因，結合油藏信息、工程措施手段，開展長停井管理及恢復工作，預計影響產能約45×104t。通過地面站場生產動態關鍵指標的對比分析、提醒預警，及時調整站內設備運行參數，可全面掌握集輸與處理系統能耗情況，落實集輸系統節氣、節電指標，降低能耗及生產成本。

（3）提高工作效率。轉變傳統線下管理的模式與方法，實現業務管理與操作的數字化、標準化、流程化。如井下作業管理模塊實現了壓裂、補孔、封堵及常規檢換泵等作業施工工作的單井方案在線設計、施工過程及總結的電子化和流程化；建設管理模塊實現了建設項目基本信息、合同信息的管理，開工報告等在線審批、相關資料上傳、檢索等全方位信息化；應用管道電子檔案，縮短對管線隱患排查的時間，為管線風險評價、維修改造更換提供依據，使開展管道檢測修復工作更科學、更便捷；根據生產數據自動匯總、統計生產報表，實現報表規范化、數字化管理。僅上述四類工作可提高工作效率近75%。

2 總體方案

2.1 建設目標和建設策略

油氣田地面工程智能化建設的終極目標是實現資源共享、全面感知、遠程指揮、自動操控、智能分析、趨勢預測、專家智慧、優化決策[3]。為夯實油氣田地面工程智能化建設，應優先頂層設計智能應用藍圖、搭建智能應用基礎框架、構建地面工程知識圖譜、初步探索人工智能基礎應用。

油氣田地面工程智能化建設是一項需要業務人員、IT 技術人員、人工智能技術人員多方協作完成的長期任務，業務人員提出智能化應用需求，由人工智能和IT 技術人員具體開發實現，通過不斷迭代，最終實現地面工程智能化的全面覆蓋。因此，應本著開放、合作、共建、共享的建設原則，按照頂層設計、長期規劃、分步實施、迭代完善的建設步驟，遵從全面思考、放眼未來、打好基礎、大步推進的建設策略，來開展油氣田地面工程智能化建設并實施。

2.2 智能化建設總體架構

按照上游信息化頂層設計架構，基于勘探開發夢想云，從統一數據庫、統一技術平臺、業務應用三方面進行總體設計（圖1），遵循信息系統應用及運維規范、網絡安全等級保護技術要求、信息技術標準、數據保密辦法來保障系統安全、穩定運行。

圖1 油氣田地面工程智能化建設總體架構圖Fig.1 Overall framework of intelligent construction of oil and gas field surface engineering

（1）統一數據庫。基于數據整合已建信息系統地面工程數據資源和各類知識條目，統一數據治理、管理、分析，形成油氣田地面工程知識體系，可有效為地面前期、施工、生產、完整性管理的全過程提供數據支持。

（2）統一技術平臺。根據油氣田地面工程業務活動需求，開發地面工程專業服務、專業軟件支持服務、系統服務、人工智能服務平臺，為油氣田地面工程智能化應用提供信息技術支撐。

（3）業務應用。根據油氣田地面工程業務流程將智能化建設，劃分地面前期、施工、生產、完整性管理四方面，包括輔助設計、智能推薦、智能數據、智能分析、智能監控、智能文檔、智能工具、智能專家八類智能應用。

3 功能設計

油氣田地面工程智能應用結合地面工程業務鏈及業務流程進行設計，應用樹示意圖如圖2 所示。

圖2 油氣田地面工程智能應用樹示意圖Fig.2 Schematic diagram of intelligent application tree for oil and gas field surface engineering

3.1 前期管理

在油氣田地面建設中，精準細致的設計是施工生產的前提，提升設計質量、抓好設計審查對保證生產安全、節約投資將起到重要作用。

結合地面前期可研（初設）編制、審查等工作環節，應用知識圖譜、大數據、NLP 等人工智能技術，通過與歷史優質可研（初設）的對比分析，根據項目間的匹配度，自動推送工藝流程比選方案、先進設備引進方案等，自動推薦多方案編制建議及關鍵技術經濟指標，縮減設計人員翻閱大量文檔資料、人工分析判斷的耗時，輔助設計人員優選先進的專業集輸、處理技術，開拓方案設計思路；通過對歷史可研（初設）專家審查意見、典型方案技術特點及項目后評價等信息進行整理和抽提，建立專家審查意見智能推薦應用，為可研（初設）自查和審查提供智能支持。

3.2 施工管理

上游16 家油氣田公司地質條件及開發方式各異，各油氣田地面工程技術要求多樣、建設方式差異大，隨著新的建設模式不斷涌現，油氣田地面建設、管理的難度與挑戰不斷增加，需進一步系統的、高效推進項目管理，借助信息化手段推動油氣田地面工程建設管理工作模式優化和創新，提高地面建設工程項目的投資效益，實現工程建設項目工期、質量、投資和安全環保目標的有效控制。

（1）承包商智能管理。可通過明確承包商選擇指標，建立承包商選擇體系，建立合理的量化方法及評價指標模型，自動根據承包商資源庫、業績庫、考核庫、誠信庫等資源抽取評價指標信息，推送評價結果，實現優質承包商智能推薦。

（2）智能物資管理。根據建設項目實際施工進展及所需物資的采購周期，實現施工現場物資及時供應，有效降低工程物資的積壓及損耗，提高施工質量和投資的管控水平。

（3）智能工期管理。根據項目計劃、施工進展及標準化工期，結合現場人員、物資和方案等情況，預測工程施工的進度變化情況，并自動推薦處理方案進行及時糾偏，保障施工進度。

（4）智能專家問答。施工過程中，遇到疑難問題時，多需人工查找相關資料或咨詢本單位內的專家，資料信息獲取方式比較局限?？赏ㄟ^集成國內外工程建設的經典案例，基于大數據技術提取關鍵節點進行數據分析整合，為工程項目建設過程中的疑難問題進行智能推薦或回答，實現優質經驗的分享推薦[4]。

3.3 生產管理

自2013 年1 月油氣生產物聯網系統啟動建設以來，各油氣田公司積極開展數字化建設，截至2020 年底，已累計建成數字化井17.3 萬余口、站場1.89 萬余座，井、站數字化覆蓋率分別達到61%、72%，其中西南、長慶、大港等12 家油氣田基本實現數字化全覆蓋，助推了“油公司”模式改革，同時，海量實時數據急需高效利用。

（1）生產動態智能監控。基于人工智能、圖像識別、物聯網技術[5]，全面掌握生產裝置及設備的運行狀態、生產現場的工作環境。通過對站場、設備關鍵生產參數進行提取和匯總，實時對當前生產狀態進行分析判斷，一旦出現異常值，及時發布預警；通過圖像識別及時判斷是否存在明火、煙霧等異常，及現場人員是否有未佩戴安全帽、抽煙等不安全行為，并自動報警，保障安全平穩生產，減少安全隱患。

（2）智能優化運行。通過三維協同設計、數字化交付，建立孿生站場、孿生管網，通過仿真模擬調整運行參數，如控制溫度、壓力、加藥量等，實現管網調配最優方式[6]，達到能耗、成本、產量等綜合最優的生產目標，實現提高生產效率、降低能耗和成本、支撐精益生產的目標。

（3）生產分析預測。孿生站場、孿生管網分析除了可對當前工況進行模擬，更主要是可預測未來可能出現的情況（如低溫預警、超界面調整等），并模擬極限情況，為各級生產管理人員提供管道更換、站場改造、安全隱患治理等工作建議，指導工作安排、輔助決策、保障穩產增產。

3.4 完整性管理

完整性管理是為保障油氣田管道和站場完整、提高本質安全而進行的一系列管理活動。2016 年以來，勘探與生產公司啟動油氣田管道和站場完整性管理工作，持續開展試點工程，配套開展科研攻關，取得了良好的效果。完整性管理被證明是油氣田管道和站場提升本質安全、延長使用壽命、提高經濟效益的有效手段。管道完整性管理工作流程包括數據整合、高后果區識別和風險評價、檢測評價、維修維護、效能評價五個環節。通過上述過程的循環，逐步提高管道完整性管理水平[7]。

（1）減緩措施智能推薦。綜合分析管道風險評價結果，根據主要風險因素、周邊環境信息、防腐情況、修復記錄、失效記錄及未來風險趨勢等信息，推薦合適的風險減緩措施，輔助管理人員制定管理方案，有效降低管道風險，提高風險治理水平。

（2）維檢修計劃智能排定。根據人員、管道運行狀態、復檢周期、高后果區識別、風險評價結果等綜合信息，自動生成檢維修計劃，輔助日常維檢修工作的開展；自動分配每年度管道完整性檢測執行計劃，確定不同管道采取的檢測方法，估算檢測工作所需的費用[8]，合理分配人員及物資，便于總體測算年度完整性檢測工作預算和工作安排，提高完整性檢測評價工作的合理性和有效性。

（3）智能巡檢。可使用機器人在站場或小區域內進行數據采集及巡檢工作，讀取儀表參數，檢查設備運行狀況；使用無人機對大范圍的管道進行巡檢工作，檢測管道是否安全運行，并采集周邊環境數據。通過機器人代替值班人員完成巡檢任務，提高巡檢效率，保障人員安全，節省人工成本；通過無人機擴大巡檢覆蓋范圍，提高巡檢頻率，降低巡檢人力需求。

（4）檢測結果智能抽提。完整性檢測評價報告一般為紙質或電子版文檔，通過建立數據自動抽提機制，基于知識圖譜，搭建知識標注平臺，訓練對應的知識抽提模型，可將完整性檢測報告中的關鍵信息抽取，形成結構化成果保存，為后續完整性管理補充數據，形成數據成果再利用的循環。

（5）能效智能評價。通過對比管道失效率變化、更新改造維護費用變化、高后果區識別率、風險評價率等指標，基于業務規則、智能算法，自動推算評價效果，并提出問題及改進措施，為下年度的完整性管理工作提供指導。

（6）管理建議智能推薦。根據年度完整性管理工作開展的情況，綜合分析完整性管理執行情況及各類評價結果，有針對性地提出管道剩余壽命、維修維護措施、未來檢測計劃等管理建議，提高完整性管理的水平。

4 結束語

上游油氣田地面工程領域的智能化建設處于起步階段，需要堅實的信息化、數字化基礎，基于海量數據，基于先進、開放、安全、智能的技術平臺，基于資深專家的經驗和智慧，需要業務專家、IT 技術工程師、數據分析工程師共同大膽設想、大膽實踐、不畏失敗，共創、共建、共享智能化建設成果。隨著油氣工藝技術、IT 信息技術、人工智能技術的發展，油氣田智能化應用建設必將助推上游業務提質增效、數字化轉型、智能化發展。