油氣田高效開發數字化智能技術應用分析

陳 智，呂維平，張 炎，賈 夏，祝 葉，張 正

（中國石油江漢機械研究所有限公司，湖北荊州 434000）

根據《BP 世界能源統計年鑒》2019 年版，世界一次能源（primary energy）消費，石油占比34%，煤炭27%、天然氣24%、水電7%、核能4%、可再生能源4%。石油與天然氣合計占比58%。根據EIA、WEC、OPEC、IEEJ、ERIRAS、BP 多家機構預測，到2040 年石油和天然氣在全球能源消耗中合計占比仍高達53%。油氣資源的探明儲量和開采涉及國家能源安全。

油氣田開發是一項龐大的系統工程，包含油藏勘探、鉆井修井、采油集輸等眾多環節。各環節之間統籌優化、協調運行對油氣田的高效、安全、環保開發具有重大影響。斯倫貝謝（Schlumberger）、貝克休斯（Baker Hughes）、哈里伯頓（Halliburton）等國外石油公司以及國內多家單位都進行了相關研究和實踐[1-5，8-9，11-12]。實踐表明，數字化智能技術在油氣田開發中應用，可提高油藏儲量評價，提高鉆遇率，提升作業效率，減少勞動強度，減少生產事故，降低成本。

1 油藏地質數字化建庫

油藏地質數字化建庫包含油藏開發分類、地震勘探技術、數字化建模等幾方面的工作。

1.1 油藏開發分類

自然界油藏在其地質結構、儲集層特征、流體性質及分布、驅動能量與驅動類型等方面存在很大差別，這些差別對油田開發方式的選擇、開發效果和采收率都有巨大影響。裘懌楠等[6-7]從我國油氣田地質條件與開采特征出發，提出一個開發分類方案。該分類把己發現的油藏分成七大類20 個亞類，其中常見的有8 個亞類，其主要特征（見表1）。這個油藏開發分類意見吸收了國內外油藏開發分類的長處和優點，是迄今我國較完善、較科學、較合理的油藏開發分類方案。

表1 主要亞類油藏開發地質特征比較表

1.2 地震勘探技術

三維地震勘探技術是當前油氣資源的主要勘探技術。與重力、磁法、電法、放射性、測井、鉆井、地面地質等方法相比，地震勘探具有精度高、分層詳細和探測深度大等優點。在油氣勘探中，利用地震資料可確定構造形態、斷裂分布，還能了解地層巖性、儲層厚度、儲層參數，甚至直接指示地下油氣的存在。在油氣開發中，地震資料同測井、巖心資料以及其他地質資料結合能對油氣藏進行描述和監測。

2020 年，李海亮等[8]提出了面向超薄砂巖儲層的全頻帶深度域波形反演技術，能預測單砂體厚度2～5 m 的超薄儲層。該類儲層占松遼盆地大慶油田中淺層80%，經探明后，由石油地質儲量計算公式（1）可知，中淺層地質儲量可增加4 倍。

式中：N-石油地質儲量，104t；A-含油面積，km2；h-平均有效厚度，m；Φ-平均有效孔隙度，%；SWi-油層原始平均含水飽和度，%；ρo-地面脫氣原油密度，t/m3；Boi-原始原油平均體積系數。

目前地震勘探發展方向：（1）發展萬道地震采集技術；（2）發展數據處理和數據存儲技術。同時發展相關的靜校正處理、組合處理、疊前時間偏移、疊前深度偏移、全三維各向異性等處理技術，以提高地下成像精度和儲層描述精度及含油氣分析精度；（3）進行高精度精細地震解釋。三維可視化解釋技術的發展趨向是微機群，將以兩種形式存在：一種是集成并行機群，用于大數據量的計算和三維可視化分析；另一種是分布式機群，人手一臺，通過網絡連接，用于精細解釋研究。

1.3 數字化建模

地質建模在油田開發中的作用主要有三個方面：（1）地質體的數據化表述；（2）為數值模擬提供根底模型；（3）用于油藏的整體評價。地質建模技術在國外已經開展了幾十年，中國自20 世紀80 年代末開始引入EsrthVision。早期的EsrthVision，Landmark 中的startmod等軟件沒有在油田應用起來，直到Petrol，RMS，Gocad，Fasttracker 等軟件出現后才應用起來。

地質建模的主要研究內容和步驟（見圖1）：（1）根本數據集成。集成地質分層、各種圖形化數據、測井參數解釋數據，建立地質建模軟件數據平臺，生成層面圖。（2）三維網格建立。建立精細的三維地質框架，應用部分迭代算法和矢量場算法及斷層鋸齒化使模擬網格到達更好的正交性。設置不同的參數控制網格化程度、確保層位的一致性、防止層位的串層。（3）構造建模。以地震解釋成果為根底，在地質建模軟件中建立構造模型，對目的層位進行追蹤，并利用構造解釋成果。（4）巖石物性建模。利用測井數據、鉆井數據和趨勢數據對儲層物性進行模擬，定量描繪儲層參數的空間變化。確定性和隨機建模采用巖相模型等作為屬性模型的約束條件，從而建立可以反映地下儲層非均質性的孔隙度、滲透率、飽和度等參數模型。（5）數據分析及地質統計。進行多種數據轉換，描繪屬性在空間的分布規律。（6）模型檢驗和儲量計算。應用定性法和定量法對地質模型進行檢驗，在確定合理的地質模型的根底上，計算儲量，并與上交地質儲量進行比照分析，同時進行儲量評價。（7）模型后處理。對合理的地質模型進行網格粗化和后處理，為油藏數值模擬提供合格的地質模型。

圖1 儲層三維建模流程圖

中國儲層地質建模經過了30 年的發展[10]，前20 年引進、吸收國外建模技術。近10 年來,建模方法不斷進步，同時隨著開發階段和開發對象的深刻變革產生了3個方面的重大變化：（1）針對非常規儲層的地質建模技術得到了大力發展與應用；（2）許多油田進入中、高含水期或開發后期，針對老油田的儲層表征與建模技術不斷深化；（3）形成了一套針對天然氣開發需求的油藏描述與地質建模技術。

2 智能鉆井系統

斯倫貝謝1993 年推出IDEAL 系統，在北海成功應用；1999 年推出VISION LWD 系列；2005 年推出SCOPE LWD 系列，目前POWER DRIVE 系統代表其最高水平。貝克休斯1997 年推出的AutoTrack 地質導向鉆井系統，實現連續井斜、方位的調整，自動定向控制，使機械鉆速大為提高，適用于高開發難度的特殊油藏。AutoTrack G3 RCLS 系統代表其最高水平。哈里伯頓1997 年GeoPilot 在挪威、加拿大、墨西哥海灣等地區應用獲得良好效果。勝利油田1997 年引進FEWD技術，2001 年研制出帶伽馬和電阻率的LWD 儀應用50 余口井，2006 年研制出DQNBMSI，2007 年研制出CGDSI，2010 年研制出SL-NBGST。

2021 年9 月，自主研發的旋轉地質導向鉆井系統，在四川金秋氣田秋林220-8-H1 井實現鉆井作業，該系統首次搭載自研的專用鉆頭，可耐150 ℃高溫，140 MPa 高壓，儲層鉆遇率高達98%。2022 年4 月，長城鉆探地質研究院在蘇里格氣田蘇53 區塊，完成8 口水平井地質導向鉆井。相比去年同期砂巖鉆遇率提高9.4%、有效儲層鉆遇率提高18.1%。

3 智能采油和修井機器人

3.1 智能采油系統

在大數據、云計算、人工智能、物聯網等新技術的推動下，智能油田在全球范圍內獲得快速發展，在增儲上產、降本增效等方面起到了重要作用。如：荷蘭皇家殼牌公司Smart Fields 項目通過智能井、先進協作環境、整體油藏管理等實現了產量提升和運營成本的下降，整體收益達到50 億美元。英國BP 公司Field of the Future 項目大幅提高儲量、產量、鉆井效率以及公司績效。IBM 與挪威國家石油公司（Statoil ASA）聯合，推動智能油田建設。國內新疆、大慶、長慶等油田紛紛開展智能化建設。

英國BP 公司的Field of the Future 實時監測地下和地面設備數據，傳送到遠程中心進行快速分析和處理，提高管理效率，實現最佳維護性作業時機預測技術。法國Chevron 公司的i-Field 實時掌握生產狀況，遠程監控與報警，提前進行高效預防作業，減少井下事故，提高油井生產時率，突破工況預警技術，預測桿斷、管漏提前20 d。挪威Statoil 公司的Integrated Operation具有全新的流程框架，將整個生產鏈與實時傳感系統連接，通過大數據協同分析，優化生產，降本增效，實現采油方案自動設計。荷蘭皇家殼牌公司的Smart Fields將數字信息化技術與油田生產相結合，實現無人值守；通過監測連續的信息流，工程師可以快速決策指揮，優化作業，大幅縮短作業周期，突破油井健康性評價技術。美國Ambyint 公司將無線物聯網和大數據技術結合，實時監控載荷電流、云端分析工況、生產參數自動調整，新井機采方案在線設計。國內油田正在從數字化向物聯化和智能化快速過渡與轉型，在提高管理水平、降低成本、減員增效等方面初見成效。

2021 年，北京侏羅紀軟件股份有限公司與中國石油大學（北京）合作完成了一套智能采油管理系統，運用自主研發的核心技術，以數據流為主線，通過對生產數據在線自動采集、自動傳輸、自動存儲管理、機理研究、大數據分析與應用等先進技術，最終實現對電潛泵井的精細化分析和管理，預測電潛泵故障事件，延長電潛泵使用壽命，降低產量損失，提高經濟效益的目標。

3.2 修井機器人

中國科學院新松公司（SIASUN）研發的自動修井機，實現自動起、下管（桿）、自動上（卸）扣、自動甩管、整機自裝卸自對正等功能，還針對HSE 要求增加了自動搶噴功能。該設備采用交流變頻電機驅動，與傳統柴油機驅動相比具有低成本、易管理、減少環境污染的優點；采用自動化的技術，由控制室操作員即能控制起、下作業全部動作，實現了井口無人操作，達到降低勞動強度、提升本質安全和降低施工成本的目的。

2021 年9 月，由克拉瑪依市先進科技聯合研究院與西南石油大學等共同研發的“智能修井機”，在瑪湖油田18 井區MaD5824 井測試應用效果良好，綜合效率比傳統修井機提高了30%至40%。該作業系統集管桿輸送機、環保管排架、井口無人作業平臺、在線清蠟及檢測系統、數據采集和視頻監控系統為一體?？蓪崿F2～3 人/班常規小修作業，降低了修井人員作業安全風險，實現環保作業。還采用一鍵操作自動化防噴控制系統，遇到緊急情況，防噴短接自動旋轉定位搶裝，實現內防噴關井。

大慶油田于2018 年12 月首次引進智能修井機器人，至2019 年2 月已在現場作業4 口井。該智能修井機器人代替作業工80%的工作量，實現了自動進行油管的起下、上卸扣等工作，井口不需要工人操作，實現了起下油管過程中人員的本質安全，具備自動行走功能以適應不同井場條件、自動升降可與目前常用井口平臺進行配合、自動測量油管長度并生成表格、提高作業效率等功能。

4 油氣生產物聯網管理

4.1 行業人員車輛定位系統

定位系統實現對各類人員不安全行為進行識別、監測及管控，實現車輛的實時管理，規避因車輛的越界等違規造成的損失。每名職工都有一張“人員定位卡”。在緊急情況下使用一鍵求助的功能，配合企業的應急處置機制，大大提高應急處置效率。通過給車輛配備定位裝置，同一時間實現對廠區所有車輛的有效管控。當“超/缺員、車輛越界/滯留/超速、人員串崗/滯留/長時間靜止”等異常情況發生時，電子大屏實時呈現異常告警信息，幫助企業第一時間了解“人的不安全行為”，防范于未然。還能通過車輛的軌跡回放了解行車軌跡，優化行車路線，提升運輸效能。

4.2 智能二道門系統

“智能化二道門”系統著眼于企業日常安全生產與管理需要，利用實時定位、GIS 可視化、人臉識別等先進技術升級傳統門禁管理系統，通過對進入二道門區域內人/車/物資身份的唯一性識別，行蹤軌跡的可追溯管理等手段，幫助企業加強二道門內人車管控。智能化二道門采用實時定位技術，將定位卡和門禁卡集成為一張卡。當員工/車輛刷“一卡通”進入二道門時，系統通過人臉識別技術，甄別圖片、視頻等虛假人臉信息，智能識別是否為本人刷卡，防止出現“代打卡、尾隨溜入”等不安全行為。

4.3 運用5G 技術助力智能升級

5G 具備超高速、超大容量、超低時延三大特點，可大幅提高智能化水平。與傳統的4G/LTE 相比，5G 的傳輸里程是其10 倍以上，并且穩定性優良。與Wi-Fi 相比，5G 具有高可靠性，能夠保證一定時間內的響應。傳統有線網絡雖然有更穩定的高速通信，但布線成本高，很難靈活完成布局更改，5G 通信可靈活改變布局。國際電氣通信基礎技術研究所實驗證明，利用5G 更改生產線布局僅需10 min 左右，變更后即可正常運作。5G 技術規范將工業方面的運用納入考量范圍，有望利用物聯網（IoT）實現生產線詳細數據的收集和生產設備的實時控制。

5 結語

本文對當前油氣田開發過程中數字化智能技術的應用情況進行了總結，并對幾種典型技術應用給油氣田開發帶來的效益進行了分析評估。依據油氣田開發生產的規律，提出了將油藏數字化建庫、智能鉆井、智能采油和修井、油氣生產物聯網管理等技術綜合在一起的開發方案，為油氣資源全生命周期內高效、安全、環保開發提供新思路。