數字化技術在氣田生產管理中的應用

汪洋，汪玙然

(1.中國石油西南油氣田分公司川東北氣礦，四川 達州 635000；2.西交利物浦大學，江蘇 蘇州 215028)

0 引言

某氣田圍繞數字化轉型背景下的定位及發展方向、跨業務數據共享應用等涉及氣田生產的各個方面進行了深入的分析。有效利用以物聯網、大數據分析、自動控制等為代表的數字化技術，驅動業務模式重構、管理模式變革和核心能力提升，大力推進氣田站場集中管理模式，加強無人值守站的建設，推動生產組織模式和管控方式的轉型升級，助力高質量發展［1］。通過氣田區域集中管理模式的建立和推廣，氣田區域集中管理下屬井站大范圍實現無人值守，大幅降低操作數量和頻次，減少服務用工需求。實現效率效益和管理水平的同步提升，有效保障地面生產系統安全平穩高效運行。

1 天然氣生產管理數字化需求

在數字化轉型統一架構下，圍繞領導層、業務層及執行層不同管理要求，支撐天然氣生產日常管理決策等場景落地。某氣田建立了一套監控和數據采集系統(SCADA)，覆蓋了氣田所管轄的主要站場和管網，用于數據傳輸和處理。利用數字化技術，實現設備自動控制和數據自動采集、分析、報警、處置。完善視頻監控自動分析、處理和報警功能，實現氣田開發的智能化管理。

天然氣開發生產新模式主要采用“氣田區域集中管理+無人值守井站”組織模式，由氣田區域集中管理站場對管轄范圍內的井站實行集中管控，氣田分區實現聯鎖控制。圍繞無人、少人條件下工藝系統優化簡化、生產系統深度感知、周邊危害有效探測、工藝控制安全可靠等方面進行調整和改造。

氣田區域集中管理站場作為一個片區的中樞，主要承擔片區范圍內的生產組織、巡護維保、安全管控、班組培訓、人員調配、綜合協調等業務，負責片區內所有生產站場的管理工作。為了氣田區域集中管理的功能作用發揮，實現無人值守站的安全平穩生產，需要圍繞集中調控、現場數據采集、生產工藝控制、腐蝕監測和安防設置等方面大量應用數字化技術，進行優化調整。

2 數字化管理實踐情況

圍繞“業務主導、技術支撐”工作思路，加快推進管道、場站生產管理數字化轉型步伐，全面提升管道、場站生產數字化管理水平。

2.1 氣田區域集中管理現場數據采集

在站場生產管理方面，實現了有人值守站向無人值守站的轉變，在保證安全管控的同時實現了人力資源優化，為實現氣田區域集中管理創造了條件。為準確、及時、全面掌握現場的生產情況，需要安裝大量的現場儀表及變送器，將產量、壓力、溫度、液位、閥門開關狀態等關鍵控制參數采集到SCS進行集中處理。為了高效采集現場數據，氣田區域集中管理建設完善了生產物聯網系統［2］。利用物聯網技術，實現氣田單井站、集輸站生產數據、設備狀態信息在生產指揮控制中心集中管理和控制，由調度監控中心主計算機與多套分布在各氣田區域集中管理場的遠程終端相連的系統實現，氣田區域管理物聯網系統結構如圖1所示。

圖1 中心站物聯網系統結構

集輸氣管道進行腐蝕檢測和陰極保護智能檢測系統技防措施完善，采集并上傳腐蝕監測和陰極保護數據。安裝具備數據遠傳功能的腐蝕數據采集系統獲得實時管道內腐蝕數據，將腐蝕數據上傳至氣田腐蝕數據管理平臺。構建在線腐蝕監測網絡，根據腐蝕速率的高低來優化緩蝕劑的加注制度，改善防腐效果［3］。

原管道陰保測試樁采用普通鋼質測試樁，管道陰保數據需要通過人工周期性采集。需要常態化實施智能動態監測，在管道起止點和線路上每隔約5 km設置1套電壓電流智能測試樁。智能測試樁采集的數據通過內置4G通信傳輸模塊上傳至新建智能陰極保護數據處理平臺統一存儲、處理。成套陰極保護電位自動采集儀系統具備將陰極保護參數按設定要求進行自動采集、儲存、上傳的功能。并能根據電位情況自動調整恒電位儀保護參數，實現了陰極保護的智能化管理。

2.2 工藝自動控制

無人值守站場主要對自動開關井、進出站緊急截斷、分離器自動排液及緊急截斷、藥劑自動加注等方面進行優化調整。

設置自動開關井系統，信號接入原有站控系統，實現自動開關井、遠程開關井、壓力調節功能。在站場出現事故或緊急情況時，保證安全的重要措施是迅速截斷氣源，因此設置進出站緊急截斷閥，采用氣動執行機構，完善聯鎖控制功能，實現緊急狀態下的快速關斷。

分離器自動排液的后端氣田水罐未設置壓力、液位遠傳，無法監測氣田水罐的壓力和液位，存在氣田水罐液位滿后還在排液的風險，容易造成氣田水外溢，影響周邊及站場環境。為了防止高壓原料氣通過分離器自動排液進入低壓排液系統，在自動排液前增加分離器排液緊急截斷閥。

部分無人值守站場連續生產時需要加注防凍劑、起泡劑、消泡劑，需不定時啟停泵。原設備加注方式為巡井人員定時到現場進行人工兌藥加注，工作效率較低。為了實現無人值守和提高工作效率，增加藥劑儲罐液位遠傳功能，實時掌握藥劑儲罐內藥劑量；對藥劑加注設備及自控儀表進行改造，使其具備自動加注和遠程啟停功能，并對電機電流、電壓、溫度等加注泵狀態、供電能耗等數據進行監測。設置藥劑智能化配兌裝置，以實現氣田區域集中管理對單井站的遠程控制及對自動配兌加注過程的監控。

2.3 數字化管道

在管道管理數字化轉型方面，運用數字化管道平臺和電子沙盤聯動的方式，全面展示全面感知、精準預警、智能調配和高效應急的管道完整性管理體系，實現天然氣管道本質安全全面掌控、外部風險精準受控。通過對天然氣管道基礎空間信息、勘察設計信息、施工信息、檢測信息、安裝記錄、設備設施等信息的采集、整理和錄入，建立面向完整性管理的規范、完備、集成、共享的數據庫。搭建管道數字化管道地理信息系統平臺，融合線路、場站的二維、三維地理模型，直觀展示相關信息，為管道運營系統的擴展提供數據和應用基礎，為天然氣管道的安全、平穩運行提供輔助決策支持。數字化管道管理平臺如圖2所示。

圖2 數字化管道平臺

2.4 安全設施設置

對生產現場工業電視監控系統、門禁系統、社區報警系統等進行優化調整。

原部分站場采用模擬攝像機，監控點圖像分辨率低，監控效果差，攝像機使用時間較長，設備老化、故障頻繁。且視頻監控以純監控為主，只解決看的問題，不能對圖像進行分析處理，不能對外來闖入人員實時跟蹤報警。需對原站場視頻監控進行改進，并同時對站場入侵報警和語音對講功能進行完善。更換網絡高清攝像機，攝像機帶日夜自動轉換型的紅外照射功能、移動偵測和被動入侵報警功能，并可聯動相應聲光或語音報警設備進行驅趕和提示，將抓拍圖片或抓錄視頻上傳至氣田區域集中管理。

原無人值守站無門禁系統，無法對人員出入進行智能管理。在站場設置智能門禁系統，有效的控制人員的出入，提高重要場所的安全防范能力。在調控中心DCC設置1臺中心服務器，搭建安全管控一體化平臺，在氣田區域集中管理分別設置1臺數字管理機，實現對下屬井站的遠程監控、對講、記錄查看等功能。

在發生站場管道硫化氫泄漏緊急情況時，原有氣田區域集中管理應急處置人員無法第一時間通知站場周邊人員。需要對站場周邊設置社區報警，全IP式廣播系統的使用便于在發生硫化氫泄漏的緊急情況時，通知站場周邊人員迅速撤離。

3 應用成果分析

以“自動化生產、數字化辦公、智能化管理”為目標，通過生產數據實時采集、關鍵流程自動聯鎖、工藝流程遠程可控、生產區域自動布防，利用自動控制、人工智能等技術深化數據分析應用，實現了氣田區域集中管理對區域內無人值守站的全面受控，推動了管理轉型升級，助力主營業務高質量發展，實現全業務鏈的數字化轉型［4］。

3.1 天然氣生產站場管理能力提升

通過對生產現場信息化設備的建設完善，在氣田區域集中管理內能夠對生產現場狀況、實時數據進行監控和報警，對關鍵閥門遠程控制或自動聯鎖，數據報表實現自動采集。頻繁開關的間歇生產井實現自動開關井，起消泡劑加注井站實現藥劑自動加注，人工工作量大幅減少；井站井口安全截斷閥、進出站截斷閥、分離器自動排污緊急截斷閥等實現遠程控制，且與氣田水罐液位、壓力等實現聯鎖，在異常情況下可通過站控系統自動或遠程截斷，保障地面生產系統安全可控。加裝管道在線腐蝕監測儀和陰保智能測試樁，在平臺上在線監測、分析站場腐蝕動態數據，適時掌握站場腐蝕動態狀況，實現管道管理智能化，做到腐蝕及時發現、準確定位、快速處置，減少人工現場工作量，降低運行成本，全面提升管道站場管理水平。深入應用天然氣管道安全管控技術、推動大數據智能化創新發展，數字化管道建設和智慧化管理取得豐碩成果。

3.2 安全管控保障

氣田區域集中管理管理實現了組織機構的精簡和人力資源的優化配置，現場問題處置效率得以有效改善，確保天然氣管道、站場在事故狀態下能快速預警與處置，提升了氣田生產現場的安全管控水平。

從自動開關井、進出站緊急截斷、分離器自動排液及緊急截斷、腐蝕監測、陰極保護、站場控制系統、工業電視監控系統、門禁系統、社區報警系統等方面實現對生產場所異常狀態實時管控的目的。在視頻監控改造的同時，完善站場入侵報警、語音對講功能，實現了對現場情況的實時掌握。對不同人員的進出權限進行嚴格的限制，可以進行相應的查詢、統計等功能。社區報警系統在硫化氫泄漏時及時預警，疏散撤離，減少人員傷害和次生傷害，保障站場人員和周邊居民的人生安全。在優化應急處置流程同時提升氣田站場與地方的應急聯動效果。

數字化技術的大量應用，減少了人工操作環節，降低了人身傷害可能，能夠及時處理場站生產過程中產生的各種問題，減少了安全隱患，最大程度避免安全事故發生。在保障生產一線站場的安全、可靠、高效生產方面將會產生積極的作用，極大提高了氣田HSE管控能力，安全效益較為明顯。

3.3 成果及效益分析

提高生產管理的工作效率。現業務流程為“無人值守站-氣田區域集中管理”，在這樣的流程中，生產第一線的信息通過氣田區域集中管理直接到達上級調度管理中心，確保信息的時效性。通過減少信息滯留的環節和時間，可以極大地提高生產指揮和調度的效率。

需頻繁開關井的間歇生產井實現無人值守，可實現從人工操作向遠程操作、智能操作轉型升級，進一步減輕對人工的依賴。通過對分離器自動排液及緊急截斷閥的改造，可減少作業人員去生產現場的巡檢頻次。通過對藥劑系統自動加注的改造，提升站場的工藝控制覆蓋率，促進井站產能的發揮。在線腐蝕數據采集和陰保數據自動上傳，無需現場人工采集，可對采集的數據西東整理行成報表，定時向相關部門及人員自動發送，無需人工干預，可顯著降低人工檢測的勞動強度。無人值守模式的全面推行，可減少作業人員去生產現場的巡檢和操作頻次，優化巡檢作業制度，減少人工失誤的出現，提升無人值守現場可靠性。自動視頻巡檢流程如圖3所示。站場巡檢頻次由原來的1次/8小時降低為1次/天，人工工作量大幅降低，同時降低班組定員，提升氣田開發效益。人員素質不斷提高，單兵作戰能力明顯增強；生產管控能力顯著增強，現場安全環保風險得到進一步削減。

圖3 自動視頻巡檢

4 結論及建議

目前，某氣田對轄區站場信息化設備設施、物聯網、SCADA及通信系統進行了改造升級，實現生產數據采集、遠程監控、生產預警，優化油氣生產過程管理。信息化、智能化讓管理鏈條縮短、管理層級減少、管理效率提高。“氣田區域集中管理+無人值守井站”生產組織模式轉型成果顯著，深化無人值守站場管控手段，天然氣開發生產管理工作水平、效率顯著提升。今后將進一步運用好數字化新技術和智慧管道管理平臺，不斷提升管道安全管控能力和應急處置效率，全力保障天然氣生產。

數字化技術的大量應用，在優勢明顯的同時，也有一些問題需要引起重視。

4.1 強化員工業務能力

隨著氣田開發生產的數字化程度持續提高，一線員工從大量繁瑣的現場巡檢操作中解脫出來時，也讓員工逐漸疏于操作，導致其技能水平與現場管控要求不匹配，沒有認識到數字化生產發展對自身素質提出的更高要求。需要持續強化員工能力素質培訓，推進復合型大工種管理，按照氣田區域集中管理的實際崗位，進一步提升員工隊伍的綜合能力素質。努力確保員工在數字化條件下會操作、會排查處理異常情況，提升員工的操作技能和應急處置能力。

4.2 加強設備設施維護保養

生產現場大量數字化設備設施的使用，在減輕現場操作工作的同時，對設備設施本身的可靠性也提出了很高的要求。現場管控系統一旦出現故障，就會造成生產異常甚至發生事故。因此，需要及時建立比較完備的設備設施管理機構，構建完善與生產組織模式相匹配的管理制度，加強現場風險管控。形成一定規模的自動化設備管理應用維護維修隊伍，滿足各級現場設備設施維護保養、故障處理的要求，確保設備處于良好的工作狀態。

4.3 持續提高數字化水平

今后，將進一步夯實天然氣管道、場站生產數字化管理基礎，加大數字化技術應用力度，持續提升管道及場站的管理水平，為下一步數字孿生體建設奠定基礎［5］，實現氣田生產智慧化管理。基本實現重大風險預警和生產安全自動分析診斷，達到生產管理智能化水平。氣田地面生產系統達到風險全方位感知、綜合性預判、一體化管控、自適應優化，打造智慧化氣田。