油氣田智能化管理建設及其應用研究

□ 文/張光一 楊甲玉 惠寧

我國從石油凈出口國轉變為凈進口國后，石油對外依存度一路攀升，目前油、氣對外依存度已超過70%、40%，油氣生產行業保障能源安全供給的壓力越來越大。2020年年初以來，新冠肺炎疫情和油價暴跌疊加影響對油氣田開發企業帶來了前所未有的困難和挑戰，與此同時，現已探明的油氣資源品味不斷在下降，新探明儲量的增長難以接替動用儲量，這也是油氣田開發企業不得不面對的一個長期問題。但是，也給油氣田開發企業的轉型升級提供了難得的機遇，近年來隨著數字化、信息化技術在油氣田開發領域應用的成熟，以及油氣田生產行業在數字化建設方面的投資近年來持續增加，已成為油氣田開發企業提升管理、增加生產能力的一個重要舉措，提高油氣田開發企業的數字化、信息化水平，加強現代信息產業與傳統石油工業的深度融合，已成為油氣生產行業創新發展和轉型升級的必然選擇，油氣田的智能化管理建設也正成為油氣田開發企業實現轉型升級的主要路徑。

1 智能油田建設現狀及問題分析

1.1 智能油田建設現狀

本世紀以來，油氣田開發企業緊跟時代發展，持續加快數字化設施投入，部分油氣田開發企業已逐步實現井下作業、井站生產現場遠程實時監控，通過信息化設備將海量實時數據上傳至生產指揮中心，并構建形成在線技術支撐、遠程實時指揮的油田智能化應用體系。從2006年開始了涉及智能油田建設相關的油氣生產指揮信息系統、勘探技術數據系統、經營管理信息系統及行政黨委系統等幾個方面的應用系統，并都實現了較高程度的系統集成、數據共享。從2015年起，各油氣生產企業陸續對各系統進行優化整合，增加和提升數據模擬與分析、預測與決策、實施檢測控制的能力。目前，與生產有關智能油田建設的相關研究仍處于積極發展的趨勢，單井生產診斷、油氣管網的自動控制、油藏動態模擬、生產過程的實時監控優化、油氣田開發方案與產量部署等已在部分油氣田應用，對油田企業應對當前困難處境、實現提質增效逐漸發揮出極為重要的作用。從本質上看，智能油田建設是油氣勘探開發技術、油田開發配套技術、油氣田生產指揮體系、企業運營決策機制、現代信息技術應用等多種業務智能化、協同化發展的必然結果。智能油田建設就是以上述多種技術，全面感知油氣田生產經營動態，替代傳統人工的統計、分析等相關工作，提高油氣田開發管理的效率和決策質量。

1.2 目前智能油田建設中存在的問題

1.2.1 缺乏適應智能油田建設的專業人才。智能油田建設需要的是既懂油氣專業相關知識、熟悉油氣田開發流程、了解油氣生產現場情況，又能掌握人工智能技術、掌握多種領域技能的復合型人才。

1.2.2 已建成數據資源不能滿足智能油田建設。在前期各個業務領域自行建設信息系統基本上是在數據采集、加工處理、綜合查詢和報表統計為重點，后期升級智能診斷、預警、輔助決策等功能，但數據采集和應用方面、各個系統之間數據通用方面、各業務系統之間支撐方面，以及系統本身智能化的方面都存在一定的不足之處。

1.2.3 還沒有形成一個完整管理系統。油氣田開發涉及到勘探、鉆井、壓裂、產建、試油試氣、生產管控等諸多業務領域，需要整合企業資源、做好頂層設計、形成高效系統管理機制、發揮出整體優勢，國外油氣田開發企業的智能油田建設側重于現場技術層面，主要解決勘探、開發等專業領域的應用問題。與國外油氣田開發企業相比較，國內石油企業目前仍是局限于一定資源區域內數字化建設為主，側重于構建高速網絡傳輸平臺、信息化基礎設施、信息管理系統等軟硬件建設，均未從企業油氣田勘探開發、建設、生產、運營、服務這一完整產業鏈的整體管理出發，系統考慮全面應用數字化管理技術。從目前實踐情況來看，還沒有形成油氣田勘探開發全業務流程的系統性管理系統。

2 智能油田特點

2.1 多種技術綜合應用。有學者通過對國內外諸如殼牌、中國石油等企業數字化建設的典型案例進行了分析研究，指出我國油氣田開發企業的智能化建設，其核心是要制定與企業人力資源，以及企業發展戰略相結合的數字化、信息化的轉型升級路徑，并以現有已開發的老油田為基礎，設計實施與之生產規模相適應的智能油田建設項目，進行技術創新與油藏智能評價、生產智能控制、物流智能管理、技術方案智能選擇等緊密結合。智能油田建設是跨信息技術技術、石油工程、控制工程、管理等多個學科，并實現多學科融合發展和應用的系統性工程，具有典型的協同化、一體化、共享化特征。

2.2 企業條件決定了不同投資建設方向。有關智能油田建設的投資，在油氣田開發企業總投入中的占比不斷升高，但不同規模、不同類型、不同地質條件的企業，所關注智能油田建設側重方向或領域有著較大差別。目前智能油田建設，主要圍繞油田自動化生產優化、預測性維護、技術方案的支撐等。

2.3 數據對于智能油田建設賦能作用凸顯。隨著智能油田建設不斷推進，油氣生產數據呈爆炸式增長。對于企業數據挖掘、處理在企業智能化建設中起決定性作用。劉平峰等以華為公司為案例，提出“創新環境——創新主體——創意開發”理論分析框架，深入分析外源數據賦能的知識積累、內源數據賦能的知識交流和內外源數據聯合賦能的知識創新等三個階段有關大數據，和企業管理創新之間內在機理。檀朝東等通過搭建復雜油氣生產過程的大數據挖掘平臺，根據特定的挖掘目標，建立相應的數據庫，快速定制相應數據挖掘算法和石油工程業務模型，形成適應油氣田開發企業實際需求的數據挖掘應用系統，實現油氣生產智能化診斷、預測、優化及輔助決策。楊午陽等結合油氣產業中物探技術與人工智能相結合的現狀，提出了要做好前期規劃、分步分層、合理人才體系，進而推進“應用地球物理+AI”的智能物探發展策略。

3 智能油田建設實踐應用

長慶油田是我國目前最大的油氣田開發企業，結合其“低產、低效、低滲的三低”油氣田資源特性及其分布面廣、區塊跨度大、生產組織分散、地質賦存條件復雜、開發難度大、成本高、單井產能低、穩產難度大、油氣開采高危險性、環境保護壓力大等特點，積極推進工業化與信息化融合、建設智能油田。

3.1 應用領域及范圍。涉及企業油氣田勘探開發、建設、生產、管理、運營、服務完整產業鏈，小到油氣田井場、站點、道路、管線、作業區（聯合站），大到廠處、總部機關部門。

3.2 技術原理。應用相關的權變、激勵、戰略管理、系統原理、信息論等管理學理論，以及國內先進企業探索開展的工業化與信息化融合、數字油田、智能油田、數字化管理等，結合長慶油氣田開發與管理實際，以建設智能油田為目標，研究建立了三端（五系統）、三輔助的數字化管理體系,實現了管理方式人本化、企業運營知識資源化、管理方案制定智能化、應急管理指揮精確化、安全（生產）管理控制實時化、油氣藏模擬動態化、管理組織精簡化、發展戰略綠色化。

3.3 建設成果及創新點。一是全面構建了長慶油田數字化管理體系，即“三端五系統三輔助”數字化管理架構，如圖1所示。前端以基本生產單元過程控制為核心，以站為中心輻射到井，構成了基本生產單元。中端以基本集輸單元運行管理為核心，以聯合站為中心，輻射到站和外輸管線，構成基本集輸單元。后端以油氣藏研究為中心，輻射延伸到經營管理和決策支持，涵蓋油氣藏勘探、開發效益評價、開發方案部署、經營和決策的過程管理。五大系統分別是生產管理系統、生產運行指揮和安全應急預警系統、油氣藏經營管理決策支持系統、企業資源計劃系統和管理信息系統。三輔助分別是通信網絡基礎設施、交互式高清視頻系統、信息安全管理系統。

圖1 “三端五系統三輔助”數字化管理架構

長慶油田數字管理架構充分利用現代先進的科技手段對氣田各個場站的各項生產指標參數和安全參數進行遠程數據采集及監控。它集先進的自動控制技術、計算機網絡技術、數據整合技術、數據共享與交換技術于一體，是提高采氣生產力以及采氣管理水平的有效手段和體現。并且通過數字化管理平臺，氣田各開發單元能實現真正意義上的數據分析、數據整合和數據共享，結合各種數字模型、經驗數據、專家系統，對采氣生產管理過程進行智能化指導，大大提高氣田的生產管理水平。

二是研究開發了油氣田統一的智能化管理平臺，如圖2所示。管理平臺基于信息化基礎設施和相關保障標準體系，實現了全域數據集成與管理，支持集成化、可視化、自動化、智能化應用服務，涵蓋油氣田管理的各個業務領域。在油氣田智能化管理上實現了氣田數字化覆蓋率100%、油田數字化覆蓋率91%，大幅度提升了運行管理與油氣生產效率。

圖2 油氣田智能化管理平臺

三是按照“軟件標準化、應用智能化、功能模塊化、維護便捷化、決策數字化”建設思路，構建了集油氣集輸、安全環保、重點作業現場監控、應急搶險、輔助生產保障等多項功能于一體的生產一線運行指揮系統。主要負責對數字化前端傳來的實時數據進行匯總、分析和處理，并將一部分實時數據轉變成管理數據，提供給不同崗位的管理人員，作為生產一線數據集散中心，并將相關數據上傳至長慶油田數字化生產指揮管理系統。

四是建立六大技術系列，即電子巡井、電子執勤、數字化集成控制、智能控制、數據鏈技術、數字化系統管理。獲得了64項國家專利。

五是研究形成了智能油田項目建設標準造價體系，構建了智能油田管理建設的標準體系，并形成了6項智能油田建設的企業標準，即《作業區數字化生產監控終端建設要求》《水源井、供水站數字化管理建設要求》《井場和增壓點數字化管理建設要求》《聯合站數字化管理建設要求》《數字化生產管理系統建設要求》《注水站數字化管理建設要求》。

3.4 直接經濟效益和社會意義。長慶油田通過信息技術、自動化技術與管理技術深度融合，建立了完善的數字化管理機構、數字化管理培訓保障機制、智能油田三級運維體系、標準化的智能油田建設流程，保證了油氣田產量的持續增長和油氣藏有效開發。有效地解決了油氣藏經濟有效開發與穩產增產、安全環保風險、控制勘探開發運維成本、控制用工、提升企業生產組織與運行管理效率、企業集約化管理、人本管理、和諧發展之間矛盾，實現了生產過程實時監控和遠程操控，提高生產運行效率。同時，實現了人力資源優化配置，有效降低人員勞動強度，減少用工數量，節約生產成本，提高了經營管理水平，以人為本理念得以落實。自主創新能力大幅提升，資源利用與安全生產水平有效提升，提高了大站、大庫、管線的實時管理監控能力，初步建設形成了大型智能油田，徹底轉變了企業的發展方式、管理方式、生產方式、組織方式，進一步推進了管理現代化轉型和現代化油氣田建設，2020年油氣當量突破6041萬噸。

4 加強智能油田建設建議

2020年12月召開的全國能源工作會議提出要著力推進能源科技創新，加快核心技術裝備新優勢，深化建設能源科技創新平臺，努力打造能源新技術裝備優勢，持續提升油氣勘探開發力度。“十四五”數字化轉型和人工智能加快發展，使工業企業實現數據自動化采集、建立共享機制，以及相關標準的修訂制定為通過油田智能化建設，促進中國油氣田開發企業持續提升油氣生產管理和勘探開發水平打造了堅實的基礎。

一是在油氣田勘探開發工作中，應該拋棄以前那種粗放的發生產理念，通過改變原有生產模式降低成本、費用，提高企業的盈利能力。數字化轉型成為油氣田開發企業保持行業競爭力，實現高質量發展的重要舉措。油氣田開發技術的創新，及信息化所帶來管理水平的提升對克服近年來外部經營環境惡化具有重要的推進作用。

二是在智能油田建設中，要做好頂層設計，要根據油氣田開發企業的實際情況，建立統一的數字化平臺，系統開發與生產經營緊密結合，在注重應用系統的專業性、適用性基礎上，還要從油氣田勘探開發及生產經營管理的整體性、通用性、高效性做好設計。

三是智能油田的發展更加傾向于數據的深入加工和利用，因此油氣田開發企業在智能油田建設中要注重數據的采集質量和提升數據分析能力，研究提高數據標準，切實解決預測、診斷、優化、控制等功能對于高質量數據要求的難題，充分利用高質量的數據、高水平的分析來提高輔助決策水平。

四是加強綜合性人才的培養，智能油田的建設對企業信息技術人員的綜合素質提出了更高的要求，也對專業技術人員、一線操作人員及各級管理人員也提出了更高的要求。需要培養一批掌握智能油田相關的信息技術，又熟悉油氣田生產技術、經營管理知識的復合型人才。

智能油田是數字油田發展到一定階段的高級形態，是油氣行業發展的必然趨勢，體現了油氣生產行業發展的客觀規律，是油氣田開發企業在生產、技術及管理經營的主要發展方向。隨著油氣田鉆井、勘探、生產、集輸等各業務領域最新的關鍵技術與發展趨勢，以及云計算、大數據、人工智能等在油氣田開發企業的成熟應用，預計到2030年油氣生產行業將陸續進入全面智能化時代，我國油氣田開發企業要認真落實習近平總書記關于大力提升勘探開發力度、保障我國能源安全的批示精神，積極開展跨學科和新興學科研究，利用大數據、生物識別、分布式技術、區塊鏈與5G技術等提升油氣勘探開發能力，力爭在能源開發領域有新突破，發現新的油氣田，克服新冠肺炎疫情和油價暴跌疊加所帶來的不利影響，推動我國油氣田開發企業的可持續發展。