以物聯網技術驅動數字油田建設的建議

熊立為

摘要：物聯網技術驅動數字油田建設是實現數字油田智能化發展的有效路徑，不僅有利于實現數據信息的充分共享和深度利用，而且可以促進油田公司降本增效，提升企業核心競爭力。在分析物聯網技術驅動數字油田建設必要性的基礎上，從建設物聯網管控中心、建立智能生產設施、收集海量數據、存儲并使用數據信息等方面探討了以物聯網技術驅動數字油田建設的實踐，并以中國石油A油田公司為例，介紹了物聯網技術驅動數字油田建設的主要實踐，為其他石油公司以物聯網技術驅動數字油田建設提供參考。

關鍵詞：物聯網技術；數字油田；數據信息

一、前言

物聯網是由感知層、網絡層、平臺層和應用層組成的一個體系，通過感知設備將物理世界中的各種物體與互聯網相連接，實現物品與物品之間的智能化通信和控制。物聯網技術的發展使得物聯網應用場景不斷增加，特別是隨著云計算、大數據、人工智能等新一代信息技術與油氣生產深度融合，使油氣生產實現了由傳統信息化向數字化、智能化的轉型。數字油田是未來油田公司數字化轉型的終極目標，需要物聯網技術與油氣生產深度融合，實現對海量數據信息的充分共享和深度利用，促進油田公司降本增效，提升企業核心競爭力，是油田公司數字化轉型的必然選擇[1]。

二、物聯網技術概述

物聯網是“物物相連的互聯網”，是隨著互聯網的發展而興起的新一代互聯網，其本質是利用射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，將任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理。

物聯網是“互聯網+”的高級階段，在國家“寬帶中國”戰略推動下，5G技術逐步成熟，為物聯網發展提供了有力支撐。隨著以云計算為代表的新一代信息技術飛速發展，物聯網產業呈現出爆發式增長態勢。在能源行業，隨著油氣生產從傳統的人工監控向自動化、智能化、無人化轉變，需要利用物聯網技術將生產設施中的各種傳感設備、傳感器、智能儀表等進行聯網，實現對油氣生產過程的全面實時監測，以促進油田數字化、智能化建設。

三、以物聯網技術驅動數字油田建設的戰略意義

（一）數字油田建設是促進油田公司數字化轉型的重要路徑

為有效應對當前低油價的嚴峻形勢，中共中央、國務院和國家能源局先后出臺了一系列能源政策，積極推進石油、石化企業數字化轉型，打造油氣全產業鏈智能開采、智能生產和智能服務的高質量發展模式。隨著物聯網、云計算等新一代信息技術的快速發展，“數字油田”概念應運而生。

“數字油田”是將物聯網、大數據、云計算等信息技術與油田生產深度融合，通過感知層、網絡層和應用層的數字化轉型，以智能數據為基礎，以智慧服務為支撐，形成生產數字化、管理智能化、決策科學化的生產運營新模式和新業態，從而推動企業降本增效，提高企業核心競爭力。通過對數字油田的內涵、外延進行分析，可知“數字油田”是一個整體，包含了感知層、網絡層和應用層三個層面，“數字油田”建設的最終目的是實現數據驅動下的生產運營新模式，即從傳統的數據驅動、經驗決策到數據驅動、智能決策轉變[2]。

（二）數字油田建設是應對復雜油田生產環境的現實需要

近幾年，受國內外市場環境、技術發展、疫情防控等多種因素影響，全球原油需求大幅下滑，國內原油供給和成品油消費也受到不同程度的沖擊。同時，隨著“雙碳”目標的提出，國內石油公司將面臨更為嚴峻的生產環境挑戰。油田公司作為國家油氣生產和消費主體，其生產和運行情況對國家能源安全、社會穩定具有重要影響。

從世界范圍看，隨著物聯網、云計算、大數據、人工智能等新一代信息技術的快速發展和廣泛應用，油田公司正從傳統油氣勘探開發向數字化油田轉型升級，從“數字油田”到“智慧油田”快速發展，并與油氣生產深度融合。從國內情況看，我國石油企業大多處于低油價階段，大部分油田公司受經濟形勢影響，經營壓力較大。同時，在“雙碳”目標的要求下，油田公司面臨的環保壓力日益加劇，部分油田公司還面臨著安全、環保和新能源利用等多方面挑戰。由此，數字油田建設是應對復雜油田生產環境的現實需要。

（三）物聯網技術是提升油田行業核心競爭力的技術支撐

石油是關系到國家安全和國民經濟命脈的重要戰略性資源，被譽為“工業的糧食”，石油安全是國家安全的重要組成部分。石油勘探開發是一個國家高科技技術水平的綜合體現，具有“高投入、高風險、高回報”的特點。油田勘探開發涉及油氣資源分布、地下地質結構、地面工藝系統等諸多要素，是典型的大規模復雜巨系統，勘探過程存在諸多不確定性因素，勘探開發難度極大。物聯網技術可以實現油氣資源的全面感知，以“數字化、網絡化、智能化”為目標，實現油氣資源的“實時化、可視化、數字化”，可以降低勘探開發成本，提升油氣資源采收率，對提高我國油氣勘探開發水平和保障國家能源安全具有重要意義。

四、以物聯網技術驅動數字油田建設實踐

（一）建設物聯網管控中心

物聯網管控中心是“數字油田”建設的指揮中心，實現了全廠設備資產管理、運行維護管理、生產控制管理、輔助決策管理等功能，為數字化油田建設提供了有力支撐。

1.實現全廠設備資產統一管理

物聯網管控中心建立了全廠設備資產數據庫，并根據實際運行情況，不斷進行完善更新，實現了全廠設備資產信息的集中統一管理。

2.實現生產控制管理功能

物聯網管控中心建設了生產運行實時監控系統、設備故障實時監測系統、生產控制實時監控系統，并將其與全廠自動化控制系統進行整合，實現了全廠生產控制管理的數字化、智能化。

3.實現輔助決策管理功能

物聯網管控中心建設了油田生產運行智能輔助決策系統，實現了油田生產運行狀況的全方位感知、動態分析與智能判斷，為油田開發建設提供了決策支持，為“數字油田”建設提供了有力支撐。

（二）建立智能生產設施

物聯網管控中心以智能生產設施為基礎，實現生產過程的數據采集、集成分析、控制決策，推動生產流程向數字化、智能化轉變。

智能生產設施的建設內容主要包括：建立基于物聯網的生產數據采集系統，包括油氣生產監控、地面集輸監控、計量與儲運監控等子系統，并在此基礎上建立覆蓋油井、油站及集輸系統的油氣生產數據采集網絡；建設基于物聯網的生產過程數據集成分析系統，包括油氣生產智能決策支持系統（OAM）和智能排產系統；建設基于物聯網的油井自動控制系統，實現井站（單井）自動控制；建立基于物聯網的集輸系統遠程監控與調度管理系統。

智能生產設施的建設成果包括：1.建成了以4個油氣生產監控子系統、6個集輸監控子系統為基礎，涵蓋地面工程、管網工程、生產運行三大系統的油氣生產數據采集網絡，實現了對油氣生產過程的實時動態監控；2.建成了覆蓋各油氣生產井場（單井）的自動化控制系統，實現了單井生產參數實時監測和動態控制；3.建成了集輸系統遠程監控與調度管理系統，實現對集輸系統的遠程監測和調度管理；4.建成了油氣計量與儲運監控子系統，實現對油氣計量、儲運數據的實時監測、動態管理，形成了覆蓋全油田的油氣生產數據采集網絡。

（三）收集海量數據

數據是一切業務的基礎，隨著物聯網技術的快速發展，大量傳感器、智能設備、視頻監控等不斷接入油田生產現場，采集到的數據量呈幾何級數增長。

對數據進行預處理，可以將海量數據轉變為有價值的信息。從油田生產管理和技術服務的角度看，主要是實現兩方面內容：一是生產信息自動采集、存儲與管理；二是通過對不同數據的分析，為油田業務決策提供參考。目前，油田企業已積累了海量的生產和管理信息數據，數據量占油田企業全要素數據量的90%以上。然而，這些數據只有部分進行了有效加工利用，大部分還處于“沉睡”狀態，亟待進一步開發和利用。主要體現在：

1.數據共享難度大，部門壁壘問題突出

當前油田生產信息化建設中，各部門形成的數據之間的“孤島”現象較為突出，導致不同部門之間存在信息“壁壘”。這就導致油田公司大量生產數據分散在不同的業務系統中，沒有充分發揮出數據的價值。

2.數據質量良莠不齊，缺乏統一規范

由于油田公司信息化建設起步較晚，系統建設中存在不同程度的技術、管理、操作等問題，導致部分油田公司生產和管理信息系統存在質量參差不齊的問題。

3.數據安全缺乏保障，保護機制有待完善

由于部分油田公司缺乏對數據的安全保障體系，導致在使用過程中存在數據泄露、丟失等安全風險。

（四）存儲并使用數據信息

物聯網的核心是將采集的海量數據進行存儲，并通過一定的方法使用這些數據。數據存儲的目的是為了提取和利用相關信息，同時也需要將相關信息進行存儲，并實現共享。

在存儲方面，目前國內的油氣行業應用較多的是結構化數據和非結構化數據（如各種報表、圖片、視頻等）。對于結構化數據而言，其可通過數據庫、關系數據庫等方式進行存儲，對于非結構化數據而言，可以通過大數據平臺等方式進行存儲。

在使用方面，主要通過 OLAP （聯機分析處理）系統實現對結構化數據和非結構化數據的分析與處理，并提供相關決策支持服務。例如，針對某一油田的勘探開發工作，可以利用 OLAP系統進行鉆井設計、地質建模等，并進行地震采集處理。此外，針對某一油田的生產情況、油氣儲量、油藏分布等，也可以通過 OLAP系統進行查詢、統計和分析；而在使用方面， OLAP系統可以將數據進行關聯和匯總，以此為基礎對其進行分析和決策[3]。

五、以物聯網技術驅動數字油田建設的實例分析

（一）總體概況

中國石油A油田公司是國內最大的陸上油田，已累計生產原油2.6億噸，連續24年保持世界第一產油規模。為充分發揮A油田的資源優勢和品牌效應，進一步提高油田的管理水平和經濟效益，建設數字油田是當前A油田公司發展的必然選擇。近年來，A油田公司已開始探索“數字油田”建設之路，以物聯網技術為驅動，重點圍繞數據采集、數據集成、數據分析、數據管理等方面開展工作。通過物聯網技術與油氣生產深度融合，建設以智能生產設施為基礎的數字油田，建立“數字油藏”“數字油井”“數字油氣田”和“數字管網”，實現數字化、智能化管理，促進企業提質增效。

（二）主要流程

油田數字化建設主要分為4個階段，即：建設階段、實施階段、驗收階段和維護階段。

1.建設階段

建設數字油田，基于物聯網技術實現生產和管理數據的自動采集、傳輸和存儲，為數據應用提供基礎；通過建設統一的數據中心，實現數據的集中存儲與管理。

2.實施階段

建立統一的生產管理平臺，通過遠程控制技術實現遠程監測、生產設備與裝置控制、生產運行的協調控制；通過對生產現場實時監控，實現對油氣生產過程的有效控制；通過對各單位、各崗位的實時監測，實現對異常狀態及時發現、及時處置，從而保證油田安全、高效運行。

3.驗收階段

基于生產管理平臺實現油田業務數據的集中存儲與管理，各單位、各崗位通過統一的平臺實現數據共享，形成一個完整的統一業務應用系統。

4.維護階段

在運行維護階段，需要根據生產數據中心的運行情況進行維護，包括：系統硬件維護、軟件升級和業務變更。

（三）關鍵應用

1.“智慧油田”建設

①大數據與云計算技術的應用

在油田生產過程中，對數據進行加工處理、分析研究，對油田生產數據進行優化配置，為油田生產管理提供數據支持。

②無線傳感器網絡技術的應用

對井下油氣井、油氣集輸管道、集輸站場、注水站等重要生產場所和重要設施實時感知，實現“感知油氣”。

③移動通信網絡技術的應用

在油田生產現場搭建移動通信網絡設施，實現“無處不在”的無線網絡覆蓋。

2.油氣生產安全監控

油氣生產安全監控系統是基于物聯網技術的智能巡檢系統，包括無線視頻監控、無人機巡檢、遠程監控等子系統。通過部署在井上的攝像機實現對生產現場的全天候監控，通過無線通信技術，實現井上人員和地面人員的雙向通信；通過視頻圖像處理技術，實現井下視頻圖像的實時顯示，同時支持現場情況遠程傳輸和記錄。

油氣生產安全監控系統可以及時發現并預防井下作業人員、車輛違章進入井場等生產安全事故；對于緊急情況下的撤離、搶修等情況可以通過應急平臺迅速控制井場周邊的車輛、人員；當井下出現火災、爆炸等險情時，可以在第一時間準確報警，并實現視頻和圖片記錄。

3.油田遠程監控

目前，國內的油氣生產過程中，許多作業都是在地面系統內完成的，并由地面系統統一管理和監控，如計量、輸油、氣井和注水井等。但在油田地面系統之外，還有其他重要的生產過程，如油氣集輸、油氣儲運等，需要根據具體情況來對它們進行實時監控和管理。

為了實現對上述各生產過程的集中監控，同時也為了在發生各種事故時及時準確地判斷、處理，采用物聯網技術來實現遠程監控是非常必要的。

以A油田為例，油氣集輸系統包含了輸油、輸氣、計量和儲氣庫4大部分，各部分通過管道連接到不同的站場和油田中心。每個站場都有自己的控制系統，各站場間通過管道連接，但在每個站場內部都有相應的控制系統，如儲氣庫控制系統，通過將每個儲氣庫內的天然氣壓力、溫度、流量等參數收集到中央控制系統，實現對整個儲氣庫的統一管理和監控。

在輸油站場，主要是通過 GPRS通信將油氣集輸數據傳輸到中心，同時中心可以通過數據庫對所有輸油站場的數據進行匯總分析，以判斷輸油站場是否存在泄漏、泄漏量是否超標等問題。

在計量站場，通過GPRS將所有計量站場進行連接，然后通過數據采集裝置將生產數據傳輸到中心，同時中心也可以對各站場的生產數據進行匯總分析，以判斷生產過程中是否存在異常等問題。

在油氣儲運站場，通過GPRS將各儲運站場的數據傳輸到中心，然后中心對儲氣庫、氣井站和 LNG儲配站等進行監控，可以及時掌握各儲運站場的工作狀態，及時發現生產過程中可能出現的問題，保證生產安全。

（四）應用效果

目前，采油廠通過“一張圖”展現所有井的實時生產狀況，數據通過“一張網”匯集到公司生產運營指揮中心，實現了數據的互聯互通、共享共用；通過“一張表”展示各類表務，實現了各類表務的標準化管理，為井場、工區、采油廠管理提供了有力支撐。油田數字化轉型工作自2020年9月啟動以來，已完成了70余口井的自動化改造，完成了多套表務管理系統的升級和集成，同時開展了集輸站場物聯網系統、油氣集輸系統智能控制系統、油氣田水處理系統物聯網改造等項目的建設工作，全面完成了數字化轉型建設任務?？傮w來看，采油廠數字化轉型工作成效顯著，主要表現在以下幾個方面：一是提升了油田的生產效率，降低了人力成本；二是促進了油田的安全生產，保障了油田安全高效生產；三是促進了油田的經營管理，為油田公司效益增長提供支撐；四是實現了油區管理的統一，統一規范了各類表務管理，提升了表務管理水平[3]。

下一步，采油廠將繼續以“數字油田”建設為主線，圍繞智慧生產、智慧油站、智慧管網、智慧運維等重點內容開展工作，通過物聯網技術驅動數字油田建設，逐步構建數字油藏、數字油井、數字油氣田和數字管網，將數字油田建設成為保障油田高效生產的重要支撐。在此基礎上，進一步推進數字化轉型工作。

六、結語

總而言之，數字油田建設是石油行業實現數字化轉型的重要途徑。通過物聯網技術與油氣生產深度融合，在系統構建物聯網管控中心的基礎上，建立智能生產設施，采集并存儲海量數據，并利用物聯網技術實現數據信息的共享和深度利用，最終構建以數據為核心的大平臺，為油田公司降低成本、提升效率、增強核心競爭力提供強有力的支撐。物聯網技術驅動數字油田建設是一項系統工程，需要在明確目標、制定總體規劃和具體實施方案的基礎上，充分結合行業特點和自身實際情況，構建標準化、系統化的技術體系，在實踐中不斷完善和優化方案，更好地推動數字油田建設。

參考文獻

[1]章玲，張娜，武瑛，等.基于物聯網技術的數字油田建設策略[J].信息系統工程，2023（02）：108-110.

[2]崔強，賈志鵬，胡俊濤.物聯網技術在數字油田建設中的應用[J].化工管理，2022（15）：165-168.

[3]艾鵬.物聯網技術提高劉官莊油田數字化水平的應用路徑研究[J].電子技術與軟件工程，2021（17）：5-6.

作者單位：中國石油天然氣股份有限公司吉林油田分公司數智技術公司

責任編輯：張津平