油氣田地面工程數字化信息模型建設方式探討

呂莉莉 楊寶榮 吳浩 李慶 侯博文

1中國石油規劃總院

2青海油田采油三廠

當前中國石油作為中國最大油氣田企業，把信息化納入創建世界一流示范企業的目標體系，把數字化轉型作為貫徹習近平總書記關于建設網絡強國、數字中國等重要指示精神的具體行動，作為推進公司治理體系和治理能力的重大戰略舉措，應大力推動互聯網、大數據、人工智能等與油氣業務融合應用，著力培育新的增長點，加快形成新動能，驅動公司高質量發展[1]。

隨著油氣田地面工程建設項目的逐步推進和完成，短期建成的油氣田地面工程設施順利移交給油氣田生產管理單位，并為二十年、五十年甚至更長時間的油氣田地面工程設施改造、生產運營、安全應急、儲運管理、能源管理、HSE管理、設施延壽及棄置管理等提供有效服務和保障，這也是油氣田地面工程建設面臨的重要課題。本文基于數字化油氣田轉型需求，探討油氣田地面工程數字化信息模型建設和落地方法，研究如何通過建立油氣田地面工程數字化信息模型，實現對油氣田地面工程建設及運維的數字化管理和應用提供支持。

1 需求分析

1.1 研究背景

油氣田地面工程企業在油氣田地面工程建設和運維過程中需要管理不斷產生與變化的龐大數據[2]，如何把大量初始采集數據轉化為可用信息，進而提升運營效率，降低運營成本（OPEX）是油氣田地面工程數字化轉型的關鍵研究方向[3]。在數字化建設中，借助IT技術并與OT融合是油氣田地面工程企業必須思考的問題，也是企業進一步發展的源動力。數字化轉型、智能制造、智能工廠等作為更加廣泛的課題，國內外各類研究機構和大型企業進行了深入的研究和實踐，并給出了可參考的實踐路線。

德國工程院研究報告指出“工業4.0 的發展路徑以數字化為開端，而計算機化和連通性是實現數字化的基本要求”（圖1）[4]。

圖1 工業4.0與數字化的關系Fig.1 Relationship between Industry 4.0 and digitalization

SMLC（智能制造領導力聯盟）提出智能制造（智能工廠）的實現應分為5 個步驟：①將數據轉化為信息，關注建模標準、數字化環境與信息基礎設施；②將信息轉化為模型，關注智能化的工藝建模、仿真、分析與優化；③將模型轉化為關鍵工廠資產，關注工廠級的智能工藝實施與智能制造管理；④關鍵工廠資產的全球化，關注企業（聯盟）級的智能制造；⑤建立關鍵績效指標，關注面向智能制造的教育與技能。從以上步驟可見，建立滿足業務需求的數字化信息模型是實現數字化轉型的基礎。

以中國石化為例，中國石化企業智能工廠的探索和實踐經歷了兩個發展階段：一是智能煉廠1.0，總體以煉化企業信息系統建設與應用為核心；二是智能煉廠2.0，以智能化優化技術研發與應用為核心。未來的智能煉廠將以具有較高知識結構的專業技術人員為基礎，以生產管控一體化優化為主線，以自主學習和智能預測為最終目標[3]。

1.2 業務需求

油氣田管理業務既有流程行業的特點，又有自身的特殊性。油氣田地面工程作為其重要的組成部分，其業務特點偏向于流程行業（圖2）。

圖2 油氣田業務分析Fig.2 Oil-gas field business analysis

不同行業的數字化轉型都應從實際業務需求出發，油氣田地面工程數字化信息模型應能夠為數字化應用需求服務，包括油氣田地面工程規劃設計、建設、生產運維業務數字化應用，油氣田數字化綜合管理業務數字化應用。

地面工程業務在執行中有很多問題，例如：當前油氣田地面工程業務相關的資料基本上以紙介質或電子版保存，未能集中整理或數字化存儲，隨著業務執行結束，一些過程資料散失，造成寶貴的信息資產流失；信息的變化不能及時更新，給規劃設計、生產維護帶來不便，導致工作效率降低，相關成本上升[5]；對安全應急事件缺乏可視化信息以及相關資料，從而影響對事件的應急指揮等。

2 總體設計

智能油氣田以感知、互聯、數據融合為基礎，為實現生產過程“實時監控、智能診斷、自動處置、智能優化”的油田業務新模式的要求[6]，應從數字化信息管理的角度搭建合理的油氣田地面工程數字化信息管理和應用總體架構（圖3）。

圖3 油氣田地面工程數字化信息管理和應用總體架構Fig.3 General framework of digital information management and application for oil-gas field surface engineering

油氣田地面工程數字化轉型的基礎應是建立滿足油氣田地面工程業務需求的數字化、智能化動態信息模型[7]（包括資產信息、基礎生產信息模型），所形成的數字化信息模型應符合油氣田地面工程全生命周期的信息規范要求，并以此為基礎逐步實現油氣田地面工程數字化轉型。

3 數字化信息模型

3.1 模型的構成

油氣田的數字化建設首先需要為相關人員創造一個“環境”（油氣田地面工程數字化信息模型），使不同來源的信息有效地聯系起來，而不必關心這些信息的來源和最終用戶位于何處[3]，使規劃設計、工程建設、運行維護等企業所有員工在同一個環境下都能迅速找到相關信息，并在業務數字化執行過程中能夠充分利用這些信息。

從滿足油氣田地面工程規劃設計、建設和運維角度出發，需明確采集數據來源，并在不同系統間生成相關聯的數字化信息模型是滿足數字化業務需求、推進數字化油田建設的探究重點（圖4）。

圖4 滿足油氣田地面工程業務需求的信息Fig.4 Information to meet the business needs of oil-gas field surface engineering

油氣田地面工程管理是對實時變化的規劃設計、工程建設、運行維護以及生產等進行指令的下達，類似人體的大腦對器官、血管和神經的控制（圖5）。在油氣田地面工程業務數字化轉型中，其載體和作用體是油氣田地面工程資產，它的組成及其作用猶如人體。地面設備設施猶如人體的器官，實現相應的生產和輔助功能；串聯起設備設施的工藝系統和管路猶如人體的血管系統，輸送介質并完成工藝聯通；負責控制的工控網絡猶如人體的神經系統，對控制信號和反饋信號進行傳輸，使設備設施和工藝系統正常工作。以上各部分產生的信息組成了油氣田地面工程管理所需的資產信息。

圖5 數字化信息及應用虛擬說明圖Fig.5 Digital information and application virtual illustration diagram

3.2 信息模型組織

油氣田地面工程所涉及的設備設施是最基礎的管理單元，以設備設施為基礎形成所需的工藝系統和工控系統，再加入其他相關生產環境和生產信息，逐步形成油氣田地面工程數字化信息模型。

油氣田地面工程數字化信息模型應該以資產對象為核心，實現不同來源信息的網狀關聯，建立可視化信息模型。同時，它需要將現階段以圖紙文件工作為核心的思路，轉變為以設備設施、工藝、工控、生產環境、生產信息的完善和應用為中心（圖6）。

圖6 油氣田地面工程數字化信息模型示例Fig.6 Example of digital information model for oil-gas field surface engineering

油氣田地面工程數字化信息模型基于不同信息的產生和變化特征，分為兩個不同的部分。第一部分是可調整、可迭代、階段性變化的油氣田地面工程資產數字化信息模型，根據不同業務需求形成。其中，設備設施信息模型反映油氣田地面工程設備設施的基礎信息和關聯的相關信息，體現設備設施的全生命周期變化；工藝系統信息模型反映工藝設備設施的關聯和工藝連接，體現生產工藝的全生命周期變化；工控網絡信息模型反映工控設備設施的關聯和連接關系，為用戶提供對工控系統的透視能力，體現工控系統的全生命周期變化。第二部分是不同物理資產對象產生的動態變化的油氣田地面工程基礎生產數字化信息模型，該模型需反映不同物理資產對象動態變化所產生的實時數據、圖像、位置等信息。

3.3 信息模型規范

信息規范是數字化信息模型建設的基礎，是指在油氣田地面工程規劃、建設、運維、退役過程中，為保證數字化業務應用和數字化轉型，其所管理的信息應遵循的標準和原則[8]。

為標準化運營方、合同商、設備制造商與供貨商的項目信息交付規范，世界知名的業主公司、工程企業等（如BP、Shell、Chevron、Woodside 等）聯合發布了CFIHOS 標準，以在整個供應鏈中使交付信息各方均受益。

2010 年，中海油開始開展其海上油氣田數字化的探索和研究，構建了EDIS 系統，并根據其業務需求制定了《工程信息數字化移交規范（固定生產平臺分冊）》；2019年，中國石化在國家頒布的《石油化工工程數字化交付標準》的基礎上，根據其中、下游業務特點，制定了更加詳細的《石油化工工程數字化交付執行細則》。

油氣田地面工程數字化信息規范是每個階段信息傳遞和管理的基礎，是數字化信息模型建設的必要保障。信息規范包括信息標準、基礎標準數據及信息管理要求。基于油氣田地面工程建設和維護業務需求，信息標準包括滿足設備設施信息完整性管理所需的對象屬性模板、對象類別劃分、信息結構、信息創建的深度規則等，滿足信息唯一性管理所需的設備設施、工藝系統、工控系統以及業務應用需求相關的編號以及各類涉及的文檔編號規則等；基礎標準數據包括實現滿足工程規劃、設計標準化、一致性所需的標準化元件，滿足物資全生命周期管理所需的工程材料編碼等；信息管理要求包括數字化信息模型相關信息的創建和修改原則，滿足建立數字化信息模型需求的信息移交方式和移交原則，滿足數字化信息模型管理和多系統間信息傳遞的規則定義。

4 數字化信息模型的應用

遵循油氣田地面工程數字化信息規范，針對不同的項目類型可采取不同的方式完成油氣田地面工程數字化信息模型的建立。

4.1 新建項目

隨著國內外業主和工程企業對數字化認知的深入，新建項目越來越多地采用數字化交付的方式，在交付給業主物理工廠/建筑/油氣田設施的同時，交付一個與此對應的數字化孿生模型。

近期較有代表性的項目包括中國石化的中科、中沙、古雷、海南煉化項目等，中國石油的廣東煉化、俄羅斯AGPP項目等，中海油的大部分海上油氣田項目，以及大量的國外石油石化項目。

對比和研究這些正在執行和已經完成的針對新建項目類型的數字化交付項目的情況，能夠看到石油石化類型項目的數字化信息管理PIM（Plant Information Management）與建筑行業廣泛推進的BIM（Building Information Modeling）方式，其側重點和應用方式有所不同。BIM 強調建筑結構三維可視化，以建（構）筑物為核心的全周期信息管理。石油石化PIM強調工廠或油氣田包含對象的數據集成和管理；以設備設施為核心的全周期信息管理，可包含BIM的內容[9]。

隨著業務數字化應用的深入，石油石化類型項目的數字化交付已經從“三維可視化”逐步向“數據可視化和應用”過渡。

新建項目的數字化交付大部分還是獨立于新建項目工程管理之外執行，多為建設項目結束后才能交付委托方，通過數字化交付形成的數字化信息模型對建設期業務支持有限。通過數字化交付形成的數字化信息模型以設備設施信息模型為主，工藝系統模型和工控網絡模型不完整，造成其在運維期的應用支持范圍及深度不足。

針對油氣田地面工程業務特點和目前油氣田地面工程相關企業的信息化、數字化建設程度，油氣田地面工程新建項目的數字化信息模型建設，可采用如下的步驟，隨新建項目進度逐步完善。同時，應充分利用油氣田已建數字化系統和數據庫成果。

（1）定義項目信息規范。在項目開始之前，應以油氣田地面工程數字化信息規范為基礎，針對不同類型的新建項目和實際項目情況，補充和完善形成新建項目信息規范。

（2）明確資產信息來源。對新建區塊或項目的規劃、建設采用數字化執行方式產生所需的數字化成果。即在規劃設計中采用相關數字化應用系統產生規劃設計數字化成果；在建設過程中充分利用規劃設計的數字化成果，采用相關數字化建設應用系統產生建設數字化成果；信息模型還應包括能充分反映現場情況的動態、可視化環境信息。

（3）實現信息交付。需搭建油氣田地面工程數字化信息管理平臺，實現信息規范的數字化落地，強調以設施設備為核心的信息關聯、可視化管理。應明確交付時間，強調隨項目進度，以數字化交付方式逐步獲取所需的規劃設計、建設產生的數字化成果（包括二三維模型、設計文檔和數據等）；應隨油氣田地面工程項目建設進度實現連續數字化交付，而不應在建設項目結束后集中交付，使數字化交付真正成為建設項目管理的有力輔助手段。做好交付管理，即通過平臺實現基于項目進度的數字化交付過程和質量管理。數字化交付應是工程數字化管理的副產品，不應把數字化交付與項目管理分離。

（4）構建資產信息模型。資產信息模型包括設備設施、工藝系統、工控網絡信息模型。在數字化信息管理平臺上，首先形成基本的以設備設施為核心的不同來源信息的自動關聯、可視化設備設施信息模型[10]；其次，基于設備設施信息模型（需含智能P&ID 模型和智能三維模型），通過工藝系統分析、按系統類別重組等形成所需的工藝系統信息模型；再次，基于設備設施、工藝系統信息模型，以及智能儀表模型和所采用的工控硬件，通過儀表分析、工控分析等形成所需的工控網絡信息模型；考慮到油氣田地面工程設施分散，網狀結構的特點，資產信息模型還應將其“放置”于其所處的周邊環境中，即與環境信息相融合才是完整的。資產信息模型應隨油氣田地面工程物理資產的變化進行更新，使其具有長久的可信度；資產信息模型的建立和完善工作建議主要由工程建設企業負責。

（5）實現資產轉移。在建設項目結束后，工程建設企業應在交付物理資產的同時，把建設完成的資產信息數字化模型同步交付予運維管理方。工程建設企業應通過提供持續性的服務來保證資產信息模型全生命周期完整性。

（6）構建基礎生產信息模型。油氣田地面工程設施的持續性生產維護管理業務（設備、工藝、生產、儲運、HSE管理等）所需的基礎信息是隨時變化的動態信息，如來自工控硬件、計量設備的實時生產運行數據，來自視頻硬件的現場數據，來自監控硬件的人員、車輛位置數據等。這些實時變化的數據，實際是物理資產對象隨時間序列的一系列時間點數據，這些數據構成了基礎生產信息模型。基礎生產信息模型可采用集中大數據或獨立數據庫管理方式，但必須保證其所對應的物理資產編號符合油氣田地面工程數字化信息規范的要求。

（7）構建完整的油氣田地面工程數字化信息模型。油氣田地面工程數字化信息模型為業務數字化應用提供唯一數據來源，并隨工程業務的推進不斷豐富和完善，同時與其他數字化應用進行雙向信息傳遞。完整的油氣田地面工程數字化信息模型應該是以資產信息模型為基礎，通過物理資產編號（涉及設備設施、工藝系統、工控網絡對象）為索引，實現與基礎生產信息模型關聯，形成動態變化的數字化信息模型。

4.2 已建項目

油氣田地面工程經過多年的建設和發展，存在大量的已建油氣田地面設施，必須同時考慮已建項目的數字化信息模型的建立。

對于已建項目，應根據已有的專業化運維系統和信息要求，補充、完善并形成已建項目信息規范。已建項目數字化信息模型建設重點是已建設施的數字化轉換。

（1）現場實際情況獲取。當前三維激光掃描方式可支持高精度、快速獲取現場實際狀況。

（2）對已有技術資料進行整理，包括大量分散存儲的設計、采購、施工技術資料，各類設備設施的廠家資料，改擴建形成的變更資料等。

（3）進行數字化轉換。對于普通的技術資料，例如紙質資料可通過掃描形成電子化文件，利用Excel 等軟件對設備設施基礎屬性進行整理；基于已有工藝系統圖紙，使用智能化二維設計軟件翻版繪制所需的智能P&ID；基于現場三維激光掃描形成的點云模型，使用智能化三維設計軟件進行選擇性轉換，形成所需的智能三維模型；基于實際業務需求，選擇性對儀表信息使用智能儀表設計軟件進行數據轉化，形成基礎的智能儀表模型。

實現數字化轉化后，已建項目油氣田地面工程數字化信息模型構建過程與新建項目相同。

5 結束語

為實現油氣田地面工程數字化轉型，必須首先建設完整的油氣田地面工程數字化信息模型，為數字化轉型提供堅實的基礎。油氣田地面工程數字化信息模型不應是簡單的數據累計和可視化，必須是基于實際業務需求所形成的資產信息、基礎生產信息以及環境信息模型的融合體。借鑒了國內外實施方案的油氣田地面工程數字化信息模型構建方法對油氣田數字化建設提供了可行的行業解決方案。