油田地面系統(tǒng)數(shù)字化建設(shè)虛擬技術(shù)應(yīng)用

李興國(guó) 闞寶春 李佶曄 印重 顧行崛

1大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠

2中國(guó)石油華北油田公司第四采油廠

大慶喇嘛甸油田正積極推近油田數(shù)字化建設(shè)，為數(shù)字油田發(fā)展為智能油田最終建成智慧油田奠定基礎(chǔ)。喇嘛甸油田位于大慶長(zhǎng)垣最北端，目前已進(jìn)入“雙特高”開(kāi)發(fā)階段，是典型老區(qū)整裝油田。油田近40 年的開(kāi)發(fā)建設(shè)，先后經(jīng)歷了層系調(diào)整、全面轉(zhuǎn)抽、穩(wěn)油控水、注聚開(kāi)采及三次采油等開(kāi)發(fā)階段。油田經(jīng)過(guò)多期開(kāi)發(fā)建設(shè)，油井加密，地面設(shè)施擴(kuò)大，建成了包括集輸、污水、注水、配制、注入、供配電、排水及道路等龐大的地面設(shè)施，井站管網(wǎng)密度加大，地面設(shè)施交錯(cuò)縱橫，各系統(tǒng)生產(chǎn)場(chǎng)景交互聯(lián)系，生產(chǎn)管理點(diǎn)多，信息數(shù)據(jù)龐大，數(shù)字化建設(shè)難度較大[1]。地面系統(tǒng)實(shí)施分層、分系統(tǒng)的數(shù)字化建設(shè)，投資大、建設(shè)周期長(zhǎng)，難以滿足油田進(jìn)行數(shù)字化管理的迫切需求，同時(shí)分散的系統(tǒng)改造難以建立起地上、地下及地面系統(tǒng)間的有效關(guān)聯(lián)，以及油田數(shù)字化的全方位管理。因此在數(shù)字化建設(shè)整體規(guī)劃階段，需首先建立起與生產(chǎn)場(chǎng)景完全相符合、能夠真實(shí)反映地面系統(tǒng)全部工藝環(huán)節(jié)、地面和地下設(shè)施之間相關(guān)聯(lián)，對(duì)油田進(jìn)行全面管理的數(shù)字化虛擬場(chǎng)景[2]，通過(guò)各生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)和設(shè)施的矢量化、圖形化、虛擬數(shù)字化建設(shè)場(chǎng)景對(duì)地面系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化建設(shè)的頂層設(shè)計(jì)，為開(kāi)展數(shù)字化建設(shè)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 數(shù)字化虛擬場(chǎng)景建立

數(shù)字化虛擬場(chǎng)景要真實(shí)反映油田數(shù)字化管理狀態(tài)，必須以圖型、數(shù)據(jù)矢量化為基礎(chǔ)，通過(guò)油田地形地貌、井網(wǎng)、站庫(kù)、管網(wǎng)等全系統(tǒng)的準(zhǔn)確測(cè)繪及建模，建立起集圖形、數(shù)據(jù)于一體的地面系統(tǒng)數(shù)字化管理體系[3]。地面系統(tǒng)生產(chǎn)場(chǎng)景較多，設(shè)施錯(cuò)綜復(fù)雜，要真實(shí)模擬生產(chǎn)狀態(tài)極為困難，因此虛擬場(chǎng)景需要結(jié)合以下思路開(kāi)展建設(shè)。

1.1 以油井矢量化為中心的一體化管理體系

油井是地面、采油及油藏的三大系統(tǒng)中心環(huán)節(jié)，其中油井分布圖形、坐標(biāo)及相關(guān)參數(shù)，是采油工藝、油藏工藝確定采油方式，進(jìn)行井網(wǎng)布局及調(diào)整開(kāi)發(fā)的重要依據(jù)。因此要實(shí)現(xiàn)地上、地下一體化管理，必須首先建立起油井的虛擬場(chǎng)景。為滿足地面、采油及油藏三位一體的管理需求，油井的虛擬化需要油井地形、井位及生產(chǎn)數(shù)據(jù)的真實(shí)描述。

為建立油井的地形、地貌虛擬場(chǎng)景，通過(guò)應(yīng)用無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)和Skyline Terra Builder 影像處理技術(shù)，構(gòu)建了喇嘛甸油田全區(qū)域三維地形地貌矢量圖，實(shí)現(xiàn)全廠范圍定位測(cè)量[4]。通過(guò)建立喇嘛甸油田GPS 測(cè)繪控制網(wǎng)，為航拍測(cè)量、勘察測(cè)繪提供控制坐標(biāo)，形成了以C 級(jí)控制點(diǎn)為中心，全區(qū)域大環(huán)均勻分布、局部區(qū)域小環(huán)均勻分布的合理布局，為航拍測(cè)量、勘察測(cè)量提供了準(zhǔn)確依據(jù)。三維地形地貌圖形建設(shè)包括無(wú)人機(jī)航拍提取數(shù)字地面模型DTM（Digital Terrain Model）和影像處理兩方面內(nèi)容。通過(guò)提取帶有空間位置特征和地形屬性特征的數(shù)字地面模型DTM，生成帶有公里格網(wǎng)、圖廓整飾和注記的數(shù)字正射影像DOM（Digital Orthophoto Map）單元，最終建立了MPT 格式的喇嘛甸油田三維地形地貌矢量圖背景（圖1）。

圖1 全區(qū)域地形地貌矢量圖的建立Fig.1 Terrain and geomorphological vector map establishment of the whole region

油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)中石油油氣水井生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（A2）、地理信息系統(tǒng)（A4）、采油與地面工程運(yùn)行管理系統(tǒng)（A5）等生產(chǎn)數(shù)據(jù)，地面系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)全覆蓋，匯集多家權(quán)屬單位數(shù)據(jù)，打破信息孤島，實(shí)現(xiàn)信息共享，使各單位之間的業(yè)務(wù)配合緊密無(wú)縫，實(shí)現(xiàn)地面工程生產(chǎn)、管理數(shù)據(jù)的統(tǒng)一，為管理決策提供了數(shù)據(jù)支持。

1.2 地面系統(tǒng)全區(qū)域三維可視化

原油生產(chǎn)過(guò)程從油井采出經(jīng)集輸管網(wǎng)進(jìn)入站庫(kù)進(jìn)行處理，再輔以供配電、道路設(shè)施等構(gòu)成了地面系統(tǒng)的主體網(wǎng)絡(luò)，要模擬復(fù)雜的地面系統(tǒng)，建立起地面系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)，首先應(yīng)建立起站庫(kù)、管道、供配電及道路等主體網(wǎng)絡(luò)的虛擬場(chǎng)景，再輔助其他設(shè)施，才能實(shí)現(xiàn)地面系統(tǒng)全區(qū)域管理[5]。主體網(wǎng)絡(luò)的虛擬化場(chǎng)景采用圖型與數(shù)據(jù)的交互模式。

（1）建立全比例三維站庫(kù)工藝模型。采用激光掃描三維建模和3D MAX 建模相結(jié)合的方式，以現(xiàn)場(chǎng)工藝和設(shè)計(jì)圖紙為依據(jù)，建設(shè)全比例三維站間工藝模型和設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)行可視化管理。首先，采集三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。利用激光相位掃描儀，通過(guò)合理設(shè)置掃描站點(diǎn)、掃描路徑、掃描參數(shù)，獲取原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)。利用激光相位掃描儀內(nèi)置集成同步相機(jī)獲取物體表面高清紋理信息。然后通過(guò)點(diǎn)云拼接、去噪、賦色、紋理處理完成原始點(diǎn)云優(yōu)化拼接，利用Kubit Point Cloud 和3D Max 模型編輯軟件完成三維仿真模型建設(shè)。

三維激光掃描點(diǎn)云拼接是應(yīng)用Faro SCENE 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件，根據(jù)已設(shè)置的掃描參數(shù)，將原始三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)拼接，將集成相機(jī)拍攝的場(chǎng)景紋理信息與黑白點(diǎn)云匹配，生成具有真實(shí)色彩信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。將拼接優(yōu)化后的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出，應(yīng)用Kubit Point Cloud 和3D Max 三維模型編輯軟件進(jìn)行修整，完成站間三維模型建設(shè)（圖2）。

圖2 站庫(kù)三維圖形建模過(guò)程Fig.2 3D graphic modeling process of station

通過(guò)建設(shè)站庫(kù)全比例三維工藝，實(shí)現(xiàn)了站庫(kù)可視化管理，使地面三維工藝和生產(chǎn)動(dòng)靜態(tài)信息同步展示，為油田生產(chǎn)在三維可視化基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控提供了技術(shù)平臺(tái)。

（2）建立地上、地下設(shè)施信息矢量圖。對(duì)地面設(shè)備、設(shè)施進(jìn)行探測(cè)及測(cè)繪，建立地面集輸、天然氣、污水、注水、配注、供配電、給排水及道路全部8 個(gè)專業(yè)系統(tǒng)矢量圖，在平面和空間上實(shí)現(xiàn)精確定位管理。一是埋地管線探測(cè)。在喇嘛甸油田地面系統(tǒng)技術(shù)管理平臺(tái)建設(shè)中，采用了準(zhǔn)確性較高的電磁探測(cè)法，開(kāi)展2GPS-RTK 測(cè)繪，通過(guò)建模軟件繪制二維、三維系統(tǒng)矢量圖[6]。二是測(cè)繪建模。根據(jù)管道探測(cè)點(diǎn)及電網(wǎng)、排水渠、道路的特征點(diǎn)，應(yīng)用GPS 測(cè)繪技術(shù)，采集地面設(shè)備空間位置信息，應(yīng)用Arc Map 建模技術(shù)，建設(shè)了管道、電網(wǎng)、水渠及道路等專業(yè)的二維、三維系統(tǒng)矢量圖。通過(guò)二維、三維系統(tǒng)矢量圖建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了站、間、井、管網(wǎng)及電網(wǎng)等地面設(shè)施精確定位，改變了“示意圖”的管理模式。

2 數(shù)字化管理平臺(tái)開(kāi)發(fā)

數(shù)字管理平臺(tái)以建立虛擬場(chǎng)景為基礎(chǔ)，通過(guò)油田三維系統(tǒng)圖、樹(shù)狀網(wǎng)頁(yè)運(yùn)行視窗、統(tǒng)一數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了地面系統(tǒng)生產(chǎn)管理信息化[7]。平臺(tái)采用數(shù)據(jù)、服務(wù)、邏輯及應(yīng)用四層設(shè)計(jì)，包括數(shù)據(jù)信息提取、服務(wù)邏輯統(tǒng)計(jì)梳理，通過(guò)二維、三維系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能展示。其中二維地圖、三維地圖、數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用及三維模型共享服務(wù)是功能實(shí)現(xiàn)的核心。一是充分利用測(cè)繪成果數(shù)據(jù)的空間拓?fù)潢P(guān)系。以地圖數(shù)據(jù)為載體，深挖地面系統(tǒng)的應(yīng)用功能，建立了空間目標(biāo)實(shí)體點(diǎn)、線、面之間的鄰接，關(guān)聯(lián)和包含關(guān)系，即空間拓?fù)潢P(guān)系，使之成為數(shù)據(jù)處理和空間分析的基本原則和法則。根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系，不需要利用坐標(biāo)或距離，可以確定一種空間實(shí)體相對(duì)于另一種空間實(shí)體的位置關(guān)系，有利于空間要素的查詢。二是應(yīng)用空間拓?fù)潢P(guān)系開(kāi)發(fā)專項(xiàng)功能。以空間拓?fù)潢P(guān)系為索引，開(kāi)發(fā)管網(wǎng)查詢統(tǒng)計(jì)、產(chǎn)量查詢統(tǒng)計(jì)、埋地管道穿孔分析及供配電網(wǎng)斷電分析等應(yīng)用功能。三是建立規(guī)范的數(shù)據(jù)流程體系。通過(guò)研究地面系統(tǒng)實(shí)體對(duì)象與生產(chǎn)運(yùn)行環(huán)節(jié)之間的關(guān)系，進(jìn)行數(shù)據(jù)信息關(guān)聯(lián)，建立了含數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)規(guī)約、數(shù)據(jù)清理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等一整套地面數(shù)據(jù)管理流程體系。

通過(guò)平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）以油井?dāng)?shù)據(jù)為中心，多系統(tǒng)數(shù)據(jù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一。生產(chǎn)管理過(guò)程中，綜合應(yīng)用各平臺(tái)數(shù)據(jù)，當(dāng)信息節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)生變化，都可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的影響，從而做出及時(shí)有效的調(diào)整。如供電系統(tǒng)中線路發(fā)生故障后，可對(duì)下游供電設(shè)備影響范圍、產(chǎn)量影響作出統(tǒng)計(jì)；管道發(fā)生穿孔后，對(duì)下游油水井影響、上游站庫(kù)影響都可做出快速統(tǒng)計(jì)。

（2）二維、三維相結(jié)合，改變了傳統(tǒng)管理模式。通過(guò)建立地面系統(tǒng)集輸、天然氣、污水、注水、配注、供配電、道路及給排水8 個(gè)專業(yè)二維、三維系統(tǒng)矢量圖，建立站、間、井、管網(wǎng)及電網(wǎng)等地面設(shè)施的精準(zhǔn)圖文信息，將動(dòng)靜態(tài)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、二維線劃圖、三維場(chǎng)景相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了油田實(shí)體在虛擬世界的展現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)油田智能化管理奠定了基礎(chǔ)。全比例的三維站庫(kù)模型為油田生產(chǎn)管理提供了虛擬場(chǎng)景，拓展傳統(tǒng)二維平面的管理方式，以真實(shí)的狀態(tài)來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)及生產(chǎn)運(yùn)行狀況，通過(guò)平臺(tái)真實(shí)模擬規(guī)劃、改造、管理等相關(guān)過(guò)程，為油田未來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制打下基礎(chǔ)。

3 數(shù)字化管理平臺(tái)應(yīng)用

（1）全比例三維站庫(kù)工藝為集中監(jiān)控、無(wú)人值守提供了技術(shù)平臺(tái)。喇嘛甸油田數(shù)字化建設(shè)實(shí)施分層級(jí)、分系統(tǒng)的數(shù)字化改造[8]。其中聯(lián)合站、污水站及配制站等大型站場(chǎng)按照多崗合并、集中監(jiān)控的建設(shè)思路，進(jìn)行站場(chǎng)集中監(jiān)控改造設(shè)計(jì)，通過(guò)設(shè)置中心控制室，整個(gè)站場(chǎng)的生產(chǎn)過(guò)程在中心控制室進(jìn)行集中監(jiān)控，值班人員采用定期巡檢的方式對(duì)生產(chǎn)崗位的生產(chǎn)設(shè)施進(jìn)行例行檢查。實(shí)現(xiàn)大型站場(chǎng)內(nèi)所有工藝生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)的自動(dòng)采集及控制功能，實(shí)現(xiàn)大型站場(chǎng)集中監(jiān)控、少人值守建設(shè)模式。轉(zhuǎn)油站、注入站等中型站場(chǎng)按照區(qū)域巡檢、無(wú)人或少人值守模式進(jìn)行改造，除增設(shè)必要的數(shù)據(jù)采集及參數(shù)控制外，為保證站庫(kù)運(yùn)行安全，需增加重要節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程控制，確保在中心控制室進(jìn)行緊急突發(fā)處理。單井及小型站場(chǎng)按照區(qū)域巡檢、無(wú)人值守模式進(jìn)行改造。目前，喇北東塊兩崗以上已實(shí)施4 座站庫(kù)的合崗設(shè)計(jì)、集中監(jiān)控，區(qū)域內(nèi)喇十七污水、注水站、配制站及周邊注入站實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，節(jié)省改造投資7 191 萬(wàn)元，節(jié)約生產(chǎn)運(yùn)行成本1 175 萬(wàn)元，核減崗位定員95 人。

（2）利用三維地形地貌矢量圖升級(jí)改造油田道路。利用喇嘛甸油田地面系統(tǒng)技術(shù)管理平臺(tái)道路查詢統(tǒng)計(jì)功能，對(duì)全廠油田專用公路、井排路、進(jìn)站路等破損情況進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)（圖3），經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查核實(shí)，2016—2018 年共安排改造道路73.8 km。其中砂石路升級(jí)改造39.9 km，瀝青路大修33.9 km，改善了喇嘛甸油田的道路環(huán)境，為雨季油田井下作業(yè)及原油生產(chǎn)提供了便利的交通條件。

圖3 二維道路線劃圖及二維地形地貌矢量圖Fig.3 2D road line drawing and 2D topographic and geomorphic vector map

（3）利用地面設(shè)施精確定位功能檢測(cè)、更換失效管線。對(duì)管線穿孔情況進(jìn)行定位查詢統(tǒng)計(jì)，利用系統(tǒng)預(yù)警提示功能，對(duì)全廠埋地管道失效情況進(jìn)行分類，對(duì)失效嚴(yán)重及單條管線穿孔達(dá)到10 次以上的管道，通過(guò)檢測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)后，進(jìn)行修復(fù)更換。自2016 年統(tǒng)計(jì)分析穿孔37 787 次，檢測(cè)管道防腐層742 km，更換失效管道658 km，有效降低了管道失效風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)穿孔失效分析統(tǒng)計(jì)功能，對(duì)管道穿孔失效重點(diǎn)腐蝕區(qū)域?qū)嵤﹨^(qū)域陰極保護(hù)，應(yīng)用自動(dòng)調(diào)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)采集數(shù)據(jù)、自動(dòng)調(diào)控功能[9]。建設(shè)了喇700 站等區(qū)域陰極保護(hù)站，保護(hù)轉(zhuǎn)油站、計(jì)量間共計(jì)371 km 管線，控制了埋地管道的腐蝕速率，保證了埋地管道安全平穩(wěn)運(yùn)行。

（4）利用斷電分析、產(chǎn)量分析功能優(yōu)化調(diào)整電力線路。應(yīng)用斷電分析功能（圖4）可快速查詢線路優(yōu)化施工中受影響站、間、井信息，查詢線路負(fù)荷，為規(guī)劃、設(shè)計(jì)提供依據(jù)；應(yīng)用區(qū)域產(chǎn)量分析功能（圖5）計(jì)算出在改造過(guò)程中因線路優(yōu)化調(diào)整影響的產(chǎn)量，從而合理安排施工進(jìn)度，保障對(duì)產(chǎn)量影響最小[10]。綜合利用兩種功能，優(yōu)化調(diào)整供配電線路11.6 km；線路優(yōu)化運(yùn)行加裝聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)19 座；安裝高、低壓計(jì)量監(jiān)測(cè)等，實(shí)現(xiàn)年節(jié)電262×104kWh。2016—2018 年累計(jì)節(jié)電786×104kWh，節(jié)約成本500.7 萬(wàn)元。

圖4 斷電分析功能快速查詢產(chǎn)量影響情況Fig.4 Quickly query of production impact by power failure analysis function

圖5 區(qū)域產(chǎn)量分析功能快速查詢站庫(kù)影響區(qū)域情況Fig.5 Quick query of station affected area by regional output analysis function

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）為加快油田數(shù)字化管理進(jìn)程，地面系統(tǒng)的數(shù)字化建設(shè)應(yīng)結(jié)合虛擬場(chǎng)景技術(shù)，模擬真實(shí)的數(shù)字化管理狀態(tài)，為油田數(shù)字化建設(shè)進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)，為后續(xù)逐步實(shí)施數(shù)字化建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

（2）為解決地面系統(tǒng)設(shè)施龐大、系統(tǒng)管理復(fù)雜的問(wèn)題，數(shù)字化虛擬場(chǎng)景的建立應(yīng)以油井矢量化為中心，建立地上、地上系統(tǒng)縱橫向聯(lián)系，以系統(tǒng)主體網(wǎng)絡(luò)為骨干，建立起地面系統(tǒng)全區(qū)域三維可視化管理模式。

（3）結(jié)合虛擬場(chǎng)景的建立，開(kāi)發(fā)數(shù)字化管理平臺(tái)，以真實(shí)的狀態(tài)來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)及生產(chǎn)運(yùn)行狀況，通過(guò)平臺(tái)進(jìn)行真實(shí)模擬規(guī)劃、改造、管理等相關(guān)過(guò)程，為油田未來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制打下基礎(chǔ)。