油氣田生產一體化管控軟件的研發及應用

王鵬

(石化盈科信息技術有限責任公司，北京 100020)

數字孿生技術自1969年形成概念并在美國NASA阿波羅計劃中得到應用以來歷時50余年，陸續被美國空軍研究實驗室、通用電氣、達索和西門子等公司接受并推廣應用[1]。直到2020年，中國工信部電子技術標準化研究院牽頭編寫了《數字孿生應用白皮書》，在發改委、住建部、國資委和工信部的大力支持下得以在智慧城市、智慧樓宇、工業生產等方面應用。數字孿生基于模型和實時數據，構建對物理對象或工藝裝置性能進行持續更新的數字化配置文件，進而用于優化業務績效。數字孿生可確保工廠在建模時嚴格使用了工藝模型，并通過嵌入了成本與風險模型的AI技術得以增強效果[2]。

“十三五”期間，中國石化集團按照“中國制造2025”和“互聯網+”行動計劃加快推進兩化融合，在工信部的大力支持和推動下，陸續建成了具有示范意義的智能油氣田企業。以某氣田為例，截至2020年底，天然氣產量1.583×109m3/a，共有氣井490余口，集氣站17余座，處理廠17 座，氣井數字化無人值守率100%，新建站場無人值守率100%，老舊站場無人值守改造率近 95%，13座集氣站實現無人值守，形成了適合該氣田信息化建設的技術標準。實踐成果鑒定了圍繞生產一體化管控建設應用生態的數字化轉型思路，實現“廠直管班組”的新型勞動組織模式，推動企業數字化轉型，探索兩化深度融合，提高了勞動效率和生產時率，確保氣田安全生產保障能力，對氣田智能化建設具有一定的借鑒和參考意義。其中，ProMACE[3]油氣田生產一體化管控軟件發揮了舉足輕重的作用，它利用數字孿生技術實現油氣田井、站的數字化與通信、網絡的可視化感知，將油氣田全部井場、集氣站、處理站的無人值守及集中管控變成現實，實時掌控現場維護作業人員和應急指揮資源，支撐遠程操作和監控決策中心。

以下重點介紹ProMACE油氣田生產一體化管控軟件，并闡述在該氣田的應用實踐與成效。

1 油氣田企業數字化管理目標

智能化油氣田建設的重要目標之一是物聯網[4-11]，實現信息物理系統CPS(cyber-physical systems)，即工業互聯網的核心技術體系。該氣田開展智能化建設是在數字油田的基礎上，圍繞上游的油藏、井、管網、設備設施等核心資產，借助信息技術提升整個管理水平，實現整個管理的自動化、遠程化、流程化、智能化。全面輔助資產管理和效益優化，建立全面感知、集成協同、預警預測、分析優化四項能力，助力高效勘探、效益開發，達到資產價值最大化。

2 ProMACE油氣田生產一體化管控軟件的研發

2.1 云平臺

基于先進云生態系統的流程制造平臺ProMACE (process manufacturing advanced cloud ecosystem)，通過建設基本組件構建該氣田云平臺，對各類業務應用進行有效的支撐。該平臺可實現異構資源的整合調度；面向服務組件打造統一的能力開放中心，對上層的服務、模塊、接口、應用實現能力封裝，并向下連接基礎層的存儲、網絡與計算資源，起到承上啟下的支持作用；在充分借鑒該公司已有云技術和應用的前提下[12-15]，建設云平臺提供各類技術服務域： 應用接入域、統一交付域、統一運營域、技術服務域、業務服務域和數據服務域。

各個服務域都是一組功能組件的集成。技術服務域、統一交付域、統一運營域為整個平臺提供技術支撐能力，對外提供平臺的軟件開發能力、運維能力、基礎技術能力等；業務服務域和數據服務域是平臺的業務數據核心能力中心，對外提供業務數據共享服務能力，并對該氣田平臺上未來所有應用發揮支撐作用；應用接入域是整個氣田生態圈建設的核心，通過API引擎和APP商店實現對整個生態圈體系的支持。通過建設信息云平臺中各類技術服務域等的核心能力，實現該氣田云平臺開放及可擴展的基礎服務能力，為未來實現氣田云生態圈奠定堅實基礎。ProMACE油氣田生產一體化管控軟件總體功能架構如圖1所示。

圖1 ProMACE油氣田生產一體化管控軟件總體功能架構示意

2.2 基于工業互聯網平臺的研發與服務

工業互聯網平臺包括網絡、平臺、安全三部分。平臺是工業全要素鏈接的樞紐，也是工業資源配置的核心，平臺下連設備、上連應用，通過海量數據匯聚、建模分析與應用開發，推動制造工藝和工業生產流程的標準化、軟件化、模塊化與服務化，支撐工業生產方式、商業模式創新和資源高效配置，是構建制造業新生態體系的核心。

國際上領先的工業互聯網平臺有美國GE的Predix平臺、德國西門子的MindSphere平臺和國內的石化盈科ProMACE平臺、航天云網INDICS平臺等。GE和西門子基于自有設備開發了工業互聯網平臺，實現設備連接、數據采集、數據分析、設備健康及可靠性管理，從服務于自身向服務于行業滲透；航天云網依托于中國航天科工集團，打造平臺的資源配置優化能力，服務于裝備、模具、家具、電子、汽車等制造行業和領域；石化盈科專注于能源化工行業，打造以物理信息系統為核心的工業互聯網平臺ProMACE，提供設備接入、邊緣計算、實時優化、工業AI等工業引擎和工業服務。ProMACE平臺體系架構如圖2所示。

圖2 ProMACE平臺體系架構示意

從工業SaaS，PaaS，云架構部署方式以及案例等方面對比可見，石化工業互聯網平臺ProMACE的特點和優勢在于以下幾個方面： 面向流程工業深耕細作，有行業領域知識的沉淀和積累；提供的工業PaaS服務能力和工業SaaS能力針對性強，覆蓋能源化工全產業鏈；云架構部署方式靈活，適合于中國國情，容易“落地”；承擔國家標準編制，引領和規范智能工廠和平臺健康發展；在理論、技術和實踐方面的成功經驗均很豐富。

2.3 油氣田生產一體化管控軟件功能設計

油氣田生產一體化管控軟件業務應用主要分為4個模塊，共計20余個功能，智能化應用功能架構如圖3所示。

圖3 智能化應用功能架構示意

2.3.1 一體化生產管控

基于實時數據庫，圍繞采氣生產從生產計劃、生產運行、生產分析、生產研究等業務流程，開發數字化、流程化的應用功能。在生產基層崗位全面應用，進而實現生產動態的全面掌握，以及生產運行的協同管理。

2.3.2 氣田裝置智能監測

基于氣田生產裝置的動設備運行的動態數據，建立設備模型，開發部署全方位監視設備實時/歷史運行狀態，統計分析啟停記錄、參數越限記錄，再現異常時間段的生產過程及相關參數越限趨勢等功能。

氣田裝置智能檢測功能主要包含： 實時監視，生產報表，報警統計與分析(實時報警、報警明細、報警統計、越限統計、報警原因維護)，設備狀態監測(設備狀態監視、啟停查詢、啟停統計)，測點管理(測點查詢、歷史查詢、條件查詢、測點收藏)，趨勢分析。

通過實時數據和安防監控數據的自動采集，可滿足氣田生產運行動態與安環風險的遠程管控的需要，大幅減少基層人員去井場的頻次，每年可節約人工成本約235萬元人民幣、直接成本(車輛使用費、燃料費、資料整理費等)近100萬元人民幣。

2.3.3 HSSE管控

健康、安全、安保和環境(HSSE)管控功能包括HSSE體系、風險分級動態管控、生產運行過程管控、承包商施工過程安全管控、環境敏感因素識別與分析等模塊，實現以風險分級、環境敏感因素分析為核心的安全環保管理體系。

2.3.4 安防綜合管理

基于安防網絡，集成現場視頻、周界防御、語音、門禁等安防子系統數據，進行數據采集、聯動處理和綜合監視管理。建立以“生產風險”為核心，識別企業生產過程風險、管理風險，建立企業安全管理標準，排查與治理隱患，消除作業和生產風險，提升本質安全。

HSSE管控和安防綜合管理的信息化，為打造安全、環保的油氣田提供了支撐。

3 應用效果

3.1 氣田經營經濟效益顯著提升

通過生產信息化建設，減少了基層人員大量的人工統計工作，優化了業務流程。通過生產物聯網的建設，信息平臺實現了對現場的實時監控，目前已累積實現13個集氣站的無人值守，節約用工50余人，為公司節約人力成本約人民幣828萬元/年，減少關于生活配套設施類直接投資資金人民幣550萬元。另外，在效益分析的基礎上，完善公司核算體系，實現“單元成本核算、單井成本評估”，建立有效的成本控制體系，從而達到增效的目的。

3.2 信息化引領生產組織模式管理的變革

生產過程信息化建設實現了對井站生產運行各流程節點的實時監控，以及單井工況、集氣站工藝等關鍵參數的實時監測、趨勢分析、預警報警，支持氣田井場、集氣站的無人值守及集中管控的管理模式。技術的進步打破了傳統的管理區理念，實行“中心控制室-巡檢班”運行的內操、外操生產組織模式，單井由人工巡井變為在線檢測，站內巡檢由每小時一次改為每天一次，大幅提高勞動生產效率，提質降本。

3.3 降低了勞動強度并提高了勞動效率

通過SCADA，DCS，PLC等自動化系統的部署，實現遠程監控裝置，省時省力；智能間開系統和遠程自動加藥系統，自動控制生產，提高了生產時率；智能氣田項目利用實時數據庫，自動采集生產數據及生成報表，把管理區技術人員花費2～3 h收集、分析、整理生產數據的時間減少到1 h之內，而且快速、準確。石油工程管控系統遠程監督生產現場，避免舟車勞頓且效率倍增。通過安裝HART協議卡，實現對儀器儀表及設備自身狀態的感知，使定期檢查維護設備變為實時在線檢測，預防性維護減少的維護成本十分可觀。

3.4 深挖數據，助力主營業務

電泵單井監控系統綜合電泵井生產特點實現遠程實時數據采集、傳輸、管理，支持自動監測、實時分析、實時調控和決策等業務。通過數據分析，構建工況診斷模型，探索地下、井筒、地面一體化，穩產增效，實現井筒地面一體化；智能化生產管控以油壓、套壓、流量、溫度為基礎參數，綜合井生產數據、井斜、氣藏物性以及管線運行等數據，采用神經網絡模擬，構建生產狀況智能分析模型，實現井筒積液、水淹等多種異常工況診斷，并自動調節針閥實現生產自動化。

3.5 信息化助力本質安全

智能氣田安防系統模塊與HSSE管理相結合，用開放式架構和先進的系統集成技術，集成了視頻監控、周界防護、語音對講、智能門禁、煙霧火氣報警等子系統，進行數據采集、聯動處理和綜合監視管理，實現安防系統內各系統之間的信息交換及聯動控制，確保井、站場生產過程的安全可控。

4 結束語

信息工程是企業發展的卓越之翼，掌握油氣行業信息化發展的最新趨勢，將信息化作為企業可持續高質量發展的核心動能，持續提升油氣生產精細化管控能力，打造一流智慧油氣田，是油氣田生產企業的重要建設內容。基于ProMACE的油氣田生產一體化管控軟件的成功應用是油氣田信息化建設的開端，仍需在以下三方面繼續開展研究和應用：

1)實現產學研全業務鏈管理，提升信息化覆蓋范圍和管控能力。在提升原有業務管理系統的基礎上，規劃建設決策分析、協同研究、工程項目管理等信息系統，提升信息化覆蓋范圍和管控能力，提高公司整體管理水平。

2)建設企業級集成應用平臺，提高數據共享和業務協同能力。開展企業級信息化架構設計，建設統一的數據中心和技術平臺，從根本上消除信息孤島和管理壁壘，實現信息系統“標準統一，數據唯一，業務協同，數據共享”，提高系統應用水平。

3)加強信息化基礎設施建設，提升自動化采集、預警和監控能力。加強單井、場站、管線等生產現場網絡及采集、監控設備的配備，滿足數據自動采集、問題預警和遠程監控需要，提高氣田生產自動化水平。