我國油氣工程技術裝備智能化和智能制造的探索與實踐

賀會群 張行 巴莎 于楠 張慧筠 王逸達 汪潔

經過數十年發展，我國油氣工程技術裝備整體水平步入國際先進行列，實現了從初期的機械化到自動化和信息化，以及目前部分數字化與智能化的跨越。分析和描述了萬米特深井鉆機、“一鍵式”自動化鉆機、智能鉆井系統、5G加持的壓裂機組、自動化連續管裝備、連續管作業智能支持中心、智能導向鉆井控制系統、萬米自動化頂驅、智能鉆桿等國內典型油氣工程技術裝備的關鍵技術特征和智能化水平。認為國內油氣工程技術裝備的智能化依然以第一代“自動化”、第二代“數字化+網絡化”為主，要全面實現第三代智能化，任重道遠。論述了智能制造的內涵、國內油氣工程技術裝備智能制造的發展概況，認為國內油氣工程技術裝備的智能制造取得了長足進步，尤其是在應用層面已經跟上了全球發展步伐，在某些方面形成了中國特色。以連續管作業裝備為制造對象，構建了“基于工業互聯網的連續管裝備智能制造整體解決框架”，剖析了智能工廠、制造知識、精益生產、智能裝備、工業軟件等關鍵要素。研究結果可為全面實現油氣工程技術裝備智能制造提供參考。

油氣工程技術裝備；智能化；智能制造；萬米深井；國內發展；典型案例

Exploration and Practice of Intelligence and Intelligent Manufacturing

of Oil and Gas Engineering Equipment in China

After decades of development，the overall level of oil and gas engineering equipment in China has entered the international advanced ranks，achieving a leap from early mechanization to automation and informatization，and then to part of digitization and intelligence at present.In the paper，the key technical characteristics and intelligence level of typical oil and gas engineering equipment in China，including the 10 000 m deep well drilling rig，“one click” automated drilling rig，intelligent drilling system，5G supported fracturing unit，automated coiled tubing equipment，intelligent support center for coiled tubing operation，intelligent steering drilling control system，10 000 m automated top drive and intelligent drill rod，were analyzed and described， believing that the intelligence of oil and gas engineering equipment in China is still dominated by the first generation of “automation” and the second generation of “digitalization + networking”，and there is still a long way to go to fully achieve the third generation of intelligence.The connotation of intelligent manufacturing and the development overview of intelligent manufacturing of oil and gas engineering equipment in China were discussed，believing that the intelligent manufacturing of oil and gas engineering equipment in China has made significant progress，especially in terms of application，it has caught up with the global development pace and formed Chinese characteristics in some aspects.Moreover，taking coiled tubing operation equipment as the manufacturing object，an “integrated solution framework for intelligent manufacturing of coiled tubing equipment based on industrial internet” was constructed，and the key elements such as intelligent plant，manufacturing knowledge，lean production，intelligent equipment and industrial software were analyzed.The research results provide reference for fully realizing the intelligent manufacturing of oil and gas engineering equipment.

oil and gas engineering equipment；intelligence；intelligent manufacturing；over 10 000 meters deep well;development in China；typical case

0 引 言

石油和天然氣是重要的戰略資源，能源安全關系到我國經濟社會發展全局。中國已成為全球第二大石油消費國和第三大天然氣消費國，原油和天然氣對外依存度長時間居高不下，巨量的原油和天然氣需求，對油氣資源勘探開發提出了更高要求。油氣勘探開發總體向“老、非、海、深、極、水”等領域拓展。以深層超深層為例，39%的剩余石油和57%的剩余天然氣分布其中，是我國油氣重大戰略接替領域。高效開發深層超深層油氣資源是踐行國家“四深”戰略的實際體現，也是國家能源接替戰略的重大需求。現代油氣工業正在從“資源優劣主導”向“技術裝備主導”轉變，技術裝備進步已成為推動油氣增儲上產、降本增效、清潔環保開發的關鍵。預計依靠科技進步帶來的油氣增量將占到剩余可采資源總量的10%，桶油成本降幅將達到30%以上。

油氣勘探開發新領域、新趨勢和新挑戰給油氣工程技術裝備提出更新、更高的要求。在國家創新驅動發展戰略、國家能源技術革命創新行動計劃與中國制造2025戰略的引領下，亟需開展一場從理念到應用的全方位創新，快速突破復雜工況環境下油氣工程技術裝備研發所面臨的諸多理論與技術難題，形成一批走向國際市場的高端自主品牌裝備，大幅提升油氣勘探開發規模和效益。

我國油氣工程技術裝備歷經了20世紀80年代初期的大規模引進消化吸收、仿制改進提升，到自主創新研制、整體步入國際先進行列的蛻變，實現了從初期的機械化到自動化和信息化，以及目前部分數字化與智能化的跨越。特別是近年來，12 000 m特深井自動化鉆機、7 000 m“一鍵式”自動化鉆機、智能鉆井系統、5G加持的壓裂機組、電驅自動化連續管作業裝備、連續管作業智能支持中心、智能導向鉆井控制系統、15 000 m自動化頂驅、智能鉆桿等一批油氣工程裝備利器相繼問世，有力支撐了萬米特深層油氣資源勘探開發等重大工程技術項目的實施［1］。同時，智能化和智能制造成為油氣工程技術裝備加速迭代升級、持續打造國之重器的重要途徑和手段。

1 油氣工程技術裝備智能化發展

針對油氣工程技術裝備智能化，主要存在以下3種認識。①認為只要具備自動控制元素和功能，就是智能化技術裝備。②認為只有做到全要素、全過程無人干預，才有“資格”稱之為智能化技術裝備。例如，成套鉆井裝備從基地移運至井場，完成安裝、鉆井、完井，全過程無人值守，這才能稱得上智能鉆井裝備和智能鉆井。③或許因為產品宣傳的需要，或許因為認識的局限，經常將電氣化、自動化、信息化、數字化、網絡化、智能化等詞匯，任性組合，用以定義和描述油氣工程技術裝備智能化。前2個認識過于“極端”，第三個認識較為普遍。

借鑒國家智能制造專家委員會對智能制造3種范式的定義與界定，可以將智能化油氣工程技術裝備劃分為3代：第一代智能化油氣工程技術裝備的典型特征是“自動化”，第二代智能化油氣工程技術裝備的典型特征是“數字化+網絡化”，第三代智能化油氣工程技術裝備的典型特征是“數字化+網絡化+人工智能”。目前，國內油氣工程技術裝備的智能化依然以第一、二代為主，想要全面實現和達到第三代智能化水平，依然任重道遠。

1.1 全球首臺12 000 m特深井自動化鉆機

經過279 d的艱苦努力，2024年3月4日，中國石油塔里木油田深地塔科1井鉆探深度突破10 000 m，成為世界陸上第二口、亞洲第一口垂直深度超萬米井，創造了當今世界上鉆探萬米深井用時最短紀錄，標志著中國自主攻克了萬米級特深井鉆探技術瓶頸，深地油氣鉆探能力及裝備配套能力躋身國際領先水平［2］。

為了完成這口萬米深井的鉆探任務，中國石油集團協同我國油氣技術裝備產業鏈“產學研用”核心企業攜手攻關，配置了寶雞石油機械有限責任公司自主研制的全球首臺12 000 m特深井自動化鉆機（見圖1），這臺鉆機在電動化、自動化和國產化方面均有突破性進展［3］。

12 000 m特深井自動化鉆機關鍵技術特征體現在［4］：基于材料優選、結構優化、非線性動載仿真分析計算等，揭示了重載工況下大型桁架結構的應力分布與變形規律，研制了滿足萬米鉆探工程的新型塔形井架；基于狀態空間優化方法，攻克了超高鉆臺大載荷提升系統關鍵技術；研制了15 m超高鉆臺，滿足了超高壓井控設備的安裝需求；配置了6 000馬力、最大鉤載9 000 kN的絞車，實現了關鍵部件的參數強化與國產化；基于“機-電-液-數”控制技術，開發了鉆臺機械手、二層臺排管裝置、電動輔助絞車、電驅鉆井液閘閥組等自動化設備，提升了控制精準性、運行環保性和低溫適應性，實現了超大容量管柱的全流程自動化處理與遠程操控；基于狀態空間重構和整機布局優化，綜合分析了國內道路運輸和井場條件，解決了萬米鉆機關鍵裝備對國內山地、沙漠、戈壁、平原等全區域的適應性和移運難題；配套了9 000 kN頂驅裝置、智能化井口自動化設備，創新研發了220 ℃超高溫鉆井液、抗高溫螺桿鉆具、高性能PDC鉆頭、抗230 ℃高溫和175 MPa高壓測井儀器、高抗擠毀管材等高端技術裝備和高性能鉆井器材，儲備了萬米取芯裝備、175 MPa特高壓壓裂車等一批關鍵核心裝備，形成了12 000 m自動化成套鉆井裝備與系統，充分展示了中國油氣鉆探技術裝備的實力和技術水平。

1.2 “一鍵式”人機交互7 000 m自動化鉆機

寶雞石油機械有限責任公司研制的“一鍵式”人機交互7 000 m自動化鉆機（見圖2）繼入選2022年全國油氣勘探開發十大標志性成果之后，又成功入選國家高端裝備陣列。該鉆機突破了多設備聯動協同控制等技術瓶頸，首創了具有并聯作業模式的獨立建立根系統，突破了虛擬重構、視覺識別等關鍵技術，開發了智能安全管控系統，建立了鉆機在線監測與遠程運維平臺，實現了“流程自動化、作業少人化、操控一鍵化”［4］。

該鉆機主要技術特點為：動力排管系統采用了液壓同步控制技術，具備了多層鉆具排放及倒運功能，實現了堆場鉆具輸送與回收作業的無人化和自動化，明顯降低了場地工的勞動強度；新型堆場管柱吊運及自動化處理裝置實現了鉆具在地面排管區到貓道間的自動化、非滾動輸送作業，解決了井場作業區域受限、井隊現場人工輔助作業勞動強度大、安全性差等諸多難題；動力貓道采用電液控制及自動化遠程操作技術，實現了鉆具輸送作業的自動化，解決了井隊現場鉆具輸送效率低、安全性差等問題；鐵鉆工（見圖3）

實現了鉆具的自動上、卸扣作業，集成了對扣、涂抹螺紋油及鉆井液防噴等輔助功能，解決了建立根、起下鉆需要人工輔助、自動化程度低、井口作業風險大等問題；扶管機械手實現了管柱處理的遠程控制和一鍵自動精準排放，解決了井隊現場立根及甩單根依靠人力完成的問題；二層臺排管裝置（見圖4）實現了二層臺無人化，有效降低了高空作業風險，明顯改善了作業環境。整機集成控制系統采用了“功能復用、一鍵多能、人機交互”的設計理念，實現了對鉆機各設備全集成化操作、信息統一管理、工序動態銜接及智能化安全管控。

1.3 鉆機控制系統Unison和智能鉆井系統OPERA

傳統鉆井作業中，常常因為個人經驗、精力等人為因素影響鉆井工程質量。東方宏華開發的智能鉆井系統OPERA（見圖5）能夠將鉆進、起鉆、下鉆等重復性鉆井工序制成標準流程，寫入系統，并且自動優化鉆井參數。通過搭載鉆機控制系統Unison，布署智能鉆井系統OPERA，可以實現鉆機的“自動駕駛”。

作為油氣工程技術數字化鉆井解決方案的重要組成部分，智能鉆井系統OPERA將鉆井作業從基本的功能控制、設備控制升級至鉆井工藝控制、流程控制。平臺不僅集成了鉆井過程中常用的起下鉆、鉆井流程，還包括AI試鉆、旋轉導向指令下傳、自動滑動定向等高階APP。在搭載數字化鉆井解決方案的鉆井平臺上，操作人員只需簡單點擊幾下屏幕，就能完成接單根和鉆井操作。

基于自動控制技術和人工智能算法，可建立鉆井參數優化、鉆井工藝過程精準協同控制的數字化鉆井解決方案，該方案能夠將數千米乃至萬米的復雜鉆井操作“孿生”到操控屏上，簡化了司鉆操作，提高了鉆井效率和安全性，現已應用于海內外。

此外，東方宏華的遠程專家系統Drill Studio實現了鉆井作業的“遠程駕駛”，用戶能夠在辦公室集中監控多臺鉆機，在線瀏覽和查詢各個井隊的井場數據，遠程在線調整鉆井參數，實現“云鉆井”，滿足鉆井信息管理、用戶管理、日志管理、文件管理、數據分析、遠程定向、數據監控等需求，實時通信鉆井現場端OPERA系統，安全上傳參數和下發指令，實現專家資源的最大化利用［9］，讓傳統鉆機搖身一變成為“會思考”的智慧型鉆機。

1.4 數字化賦能大功率壓裂機組

近年來，中國石化機械公司針對油氣工程技術成套裝備智能化進行了嘗試與探索，且成效明顯。自主開發的“基于工業互聯網的石油成套裝備智能化平臺”具備裝備定位、運行工況監控、指標分析、備件管理、運維檢修管理等功能，為油氣裝備運維和診斷提供數據支撐，入選湖北省基于互聯網的制造業“雙創”平臺（企業）試點示范項目；“SOFELink石油裝備工業互聯網智能云平臺”入選工信部2022年工業互聯網平臺創新領航應用案例，為客戶打造裝備物聯網平臺，實現裝備全生命周期管理；充分利用5G、物聯網、大數據、智慧云平臺等技術，推動油氣裝備數字化轉型發展。

在5G應用上，布署可移動、輕量化5G網絡終端，滿足各類油田現場網絡通信需求。2024年1月6日，該公司開發的大功率壓裂機組及5G無線控制系統（見圖6），在勝利油田壓裂施工作業成功應用。現場壓裂施工作業規模大、設備布署集中、作業時間長，共布署16套壓裂設備，包括12臺主壓電驅壓裂橇、2臺泵送電驅壓裂橇、1臺雙擴數字化控制中心和1套低壓全流程系統，設備及視頻全部接入壓裂機組5G系統，引領壓裂增產作業邁入全機組5G無線時代。

現場試驗進一步驗證和展示了5G控制大功率壓裂機組的技術特點：①高帶寬、低時延、廣連接，能滿足現場可視化遠程監控需求，可實現高清視頻并發傳輸；②控制操作及時準確可靠，實時監測與控制現場設備；③機組設備統一高速率、低時延的集群控制，提升控制系統承載能力；④系統穩定運行40余天，各項功能和指標達到預期。

1.5 連續管技術與裝備的自動化

這些年，中石油江漢機械研究所有限公司、中石化石油機械股份有限公司、煙臺杰瑞石油服務集團股份有限公司均先后研制了電驅、自動化、智能化連續管作業裝備（見圖7），且相繼投入了實際應用［5-6］。總的來說，電驅+自動化的特征略顯突出，智能化程度與水平明顯不足。具體體現在以下幾點。①連續管裝備自動化（或部分智能）控制系統將連續管實時模擬分析、連續管缺陷檢測、電動控制、智能維護保養等多系統深度融合，實現了連續管從動態入井到動態出井的實時監測與分析。當檢測到超載、超壓、超速、失速、井控失效等異常狀況時，可智能化啟動應急安全控制系統，自動降速或停機，確保作業安全。②與柴油機驅動的連續管裝備相比，裝載iMill智能低速控制單元的自動化電驅連續管裝備擁有更佳的低速穩定性和最低速度運行表現，能夠更好地滿足油氣井測試、水平井鉆磨等作業需求。③人性化智能座艙，內設集成式控制座椅，化繁為簡，將操控桿和屏幕集成在座椅上，使控制觸手可得。④實現了GPS跟蹤、實時設備狀態監控、歷史數據查看，以及遠程系統維護和移動端實時設備狀態監控等功能。⑤綜合能耗相比柴油機驅動的連續管裝備下降60%以上，節能效果顯著。

連續管技術與裝備因連續管而“得名”，因此，連續管的制造、使用和狀態監測備受關注。洛陽威爾若普檢測技術有限公司基于工業互聯網+磁記憶弱磁感知技術+機器視覺AI監測技術（見圖8），開發了連續管智慧監測裝置，該裝置展示了連續管的狀態感知、監測、預警、處置和評估能力，實現了連續管從靜態分析向動態感知、事后應急向事前預防、人工檢測向智慧監測的轉變，提升了連續管在油田作業過程中的本質安全水平。

該裝置的機器視覺識別技術功能尤其值得關注。利用成像設備對連續管表面進行采集，經過圖像預處理、高質量的增強和減噪之后，應用圖像分割、特征提取和分類等技術，將連續管表面圖像中的細節和異常部分進行快速準確地識別和提取。然后，基于機器視覺的連續管制造缺陷精密檢測算法，在對連續管圖像邊緣進行空間矩陣亞像素定位的基礎上，利用相鄰分辨率邊緣像素的亞像素位置關系，精確計算質量缺陷，包括鋼管通孔、凹坑、刻槽缺陷、表面劃傷、橢圓度、直徑誤差和撞擊坑等，實時進行大數據量化分析，從而實現對連續管安全狀態的有效評估。

1.6 連續管作業智能支持中心（EISC）

中石油江漢機械研究所有限公司開發的連續管作業智能支持中心（EISC）（見圖9），基于中國石油集團工業互聯網體系，以遠程風險管控與技術支持為重點，以EISC技術架構為基礎，完全自主研發了連續管作業智能支持平臺［7］。該平臺充分利用物聯網技術，圍繞井、井筒、裝備、區塊、人員組織等主數據，以及鉆井、測井、井下等工程數據與成果數據，將連續管作業現場產生的生產數據、裝備數據、作業實時視頻等信息，通過遠傳網絡實時傳入工程技術連續管專業數據湖，構建了以“業務中臺”和“數據中臺”為基礎支撐的協同工作平臺，實現了數據集成、分析、共享應用等功能。通過打通連續管一級技術支持中心與各二級支持中心及油田作業隊信息傳遞通道，形成了多級協同體系，保證數據共享和業務協同，完善了連續管作業動態管理、設備維保、生產安全、知識共享等功能，形成了連續管作業數據的采、存、算、管、用等一體化能力，保障了中國石油連續管作業大數據的及時性、準確性、完整性和一致性。在此基礎上，提供了統一的數據共享服務，促進了業務產生數據、數據服務業務的閉環管理，打造了連續管作業裝備協同、維保服務、實時監測、設計與優化分析、現場安全監控、專家支持等6大應用場景。各級遠程支持中心能夠利用平臺功能，充分享用專家資源，實現集團內專家協同“把脈”的技術管理模式創新，實現連續管遠程技術支持與全業務鏈數字化管理，助力連續管技術專家指導作業由“現場”模式向“現場+遠程”前后方聯動的遠程智能支持模式轉變，由此推動生產模式轉型，實現連續管作業高質量發展，支持中國石油連續管作業的數字化轉型。

目前中國石油已經完成新疆、川渝、大慶、長慶等4個二級遠程支持中心的建設并投入使用。特別是在西部鉆探井下作業公司的全面推廣應用與成效受到了用戶高度評價，提升了現場作業效率和業務運營效率，促進了連續管作業的數字化轉型和智能化發展，重塑了管理架構和業務流程，展示了連續管作業生產管理過程的精準決策、實時交互、高效共享和緊密協同。

1.7 首臺15 000 m自動化頂驅

隨著國內油氣勘探不斷向深層、超深層挺進，開展15 000 m特深井鉆機配套頂驅研究，掌握超深井關鍵裝備配套與應用關鍵核心技術，支撐我國鉆井技術向深地鉆探進軍刻不容緩。北京石油機械有限公司研制的15 000 m自動化頂驅（見圖10）承載能力達到11 250 kN，整機功率2 200 kW，本體質量達45 t。該頂驅多項技術指標達到國際領先水平，在安全性、可靠性、便捷性方面實現大幅提升頂驅。頂驅首次采用了雙提環+雙負荷通道的全新結構設計，保障承載安全，提升了抗沖擊性能；采用雙電機冗余設計和新型單級減速傳動結構，有效降低了長周期作業過程中頂驅電機失效導致的停機概率，可大幅提高系統可靠性；其首次采用具有自動浮動和實時位置檢測功能的新型背鉗，可大幅降低更換保護接頭和IBOP作業的工作復雜度和操作時長；采用102 mm通徑、70 MPa超高壓主循環通道，可滿足超深井作業中大排量、高泵壓的要求；創新形成了自翻轉頂驅運移裝置，提高頂驅安裝便捷性，降低大型吊裝作業風險，集成了扭擺減阻、軟扭矩等北京石油機械有限公司獨創頂驅先進技術。

此外，北京石油機械有限公司首創了頂驅智能化監測與維護系統，基于頂驅多參數傳感器，搭建了頂驅機電液虛擬仿真平臺，結合鉆井作業運行歷史數據，建立了頂驅數字鏡像系統；研發了多通道復合通信技術，可確保特深井鉆井作業中頂驅信號的可靠傳輸，頂驅的自動化和智能化顯著提升。

1.8 旋轉導向鉆井與隨鉆測井技術

旋轉導向鉆井與隨鉆測井技術是極其復雜的高難度油氣工程技術，涉及1 000余道高端工藝，橫跨20多個學科，軟件代碼多達數百萬條，自1995年問世以來，一直被西方3家知名油服公司壟斷［8-9］。面對西方的技術封鎖、專橫壟斷、居高難下的服務費用（每年近2億美元），中國海洋石油集團油田技術服務公司歷經7年艱苦卓絕的攻關，成功研發了旋轉導向鉆井與隨鉆測井系統并實現海上作業（見圖11）。該系統實現了精準控制幾千米地下鉆具在0.7 m薄油層中橫向或斜向穩定穿行1 000 m以上的“遙控駕駛”功能，同時可以實現對地層資料的實時分析，使我國成為世界第二個擁有此項“代表當今世界鉆井、測井技術發展最高水平”技術的國家［10］，為高效開發海洋油氣資源、大幅降低油氣田開發成本提供了重要工程利器。

基于此項石油鉆井、測井領域的顛覆性和革命性技術，在廣東佛山正式建成投產了我國首條旋轉導向鉆井與隨鉆測井系統智能化生產線，這也是中國海洋石油集團公司建設高端油氣勘探開發裝備智能制造產業鏈的核心內容之一，標志著由我國自主研發的系統正式邁入規模產業化新階段，制造能力躋身國際一流。

1.9 智能鉆桿

隨著旋轉地質導向鉆井技術、鉆井動態參數的井下診斷和控制技術的不斷發展，對鉆井過程中地質和井眼的各種信息采集、傳輸、處理、反饋的時效性要求也越來越高。油氣鉆井工程逐步進入信息化、自動化和智能化階段，對井下隨鉆測量數據與地面的實時傳輸速率提出了更高要求［11］。傳統隨鉆數據與信息的實時傳輸主要通過鉆井液脈沖方式，其實際傳輸速率僅為2～5 bit/s，遠遠不能滿足眾多參數隨鉆實時快速傳輸要求，智能鉆桿呼之欲出。

中國石油集團工程技術研究院黃衍福教授團隊依托國家重大科技專項，攻關研制了有纜信息傳輸鉆桿（智能鉆桿）。其實質是一種內置電纜的鉆桿，單根鉆桿間的電纜通過鉆桿接頭端面預埋的磁感應耦合環實現軟連接，也就是將帶電纜的細長承壓管嵌入鉆桿兩端接頭，經拉緊并貼于鉆桿水眼內壁的一側；而鉆桿兩端接頭螺紋采用雙臺階結構，且端面各預埋裝有磁感應耦合環；鉆桿連接后，兩耦合環雖沒有物理接觸，但可以依靠電磁感應原理實現信息在鉆桿間的高速傳輸，如圖12所示。

井下有纜信息傳輸系統的構成不僅包含有纜信息傳輸鉆桿（若干），還包含井口旋轉短節、方鉆桿、旋塞閥、中繼鉆桿（若干）、止回閥、加重鉆桿（若干）、鉆鋌（若干）、震擊器、減震器、隨鉆測量工具等均要具備有纜通道及兩端磁耦合結構，如圖13所示。

經過10多年的持續攻關和現場試驗，中國石油集團已經建成了有纜信息傳輸鉆桿制造、檢驗試驗、維護保養、系統集成等生產體系。產品性能與美國Intelliserv公司（美國Grant Predico公司與Novatec工程公司成立的合資公司）最新2代各項指標相比，除無中繼傳輸距離（200 m）不及后者外，其余指標均與之相當或略優，比如傳輸速率（100 kbit/s）是后者（Intelliserv傳輸速率是57 kbit/s）的1.75倍。國產智能鉆桿已分別在大慶油田、吉林油田成功應用。

2 我國油氣工程技術裝備智能制造探索

2.1 智能制造的內涵與發展概況

美國能源部對智能制造的定義是：智能制造是先進傳感、儀器、監測、控制和過程優化的技術和實踐的組合，它們將信息和通信技術與制造環境融合在一起，實現工廠和企業中能量、生產率、成本的實時管理。廣義而論，包括油氣工程技術裝備在內的智能制造是一個不斷豐富的大概念，一個不斷演進的大系統，是新一代信息技術與先進制造技術的深度融合，貫穿于產品、制造、服務全生命周期的各個環節，實現制造的數字化、網絡化、智能化，不斷提升企業的產品質量、效益、服務水平，推動制造業創新、綠色、協調、開放、共享等高質量發展［12］。全球工業革命歷經18世紀末的機械化時代、20世紀初的電氣化時代、20世紀70年代的數字化時代之后，如今正在邁向智能化時代。如果說“數字化+網絡化”制造是新一輪工業革命的開始，那么新一代智能制造的突破和廣泛應用將推動形成這次工業革命的高潮，引領真正意義上的第四次工業革命［13］。

國際智能制造聯盟榮譽主席、中國工程院院士周濟指出，幾十年來，在實踐中不斷發展的智能制造，演化形成了諸多范式，包括計算機集成制造、并行工程、柔性制造、精益生產、數字化制造、敏捷制造、網絡化制造、云制造、智能化制造等，在制造業的智能轉型中發揮了指導和推動作用［14］。目前，可以認為智能制造包含3個基本范式：第一范式是數字化制造，稱之為第一代智能制造；第二范式是“數字化+網絡化”制造，或者互聯網+制造，稱之為第二代智能制造；第三范式是新一代智能制造“數字化+網絡化+智能化”［8］。工業人工智能時代，智能制造將被賦予新內涵：智能制造是以賽博（CyberPhysical Systems）物理系統為物質技術基礎，數字技術、制造知識和智能裝備深度融合，貫穿產品全生命周期各個環節，具有自感知、自學習、自決策、自執行、自適應等功能的新型制造方式，其本質特征是信息系統增加了認知和學習功能（見圖14）。

經過近10來年探索與實踐，我國包含油氣工程技術裝備在內的智能制造，取得了明顯進步，注重了應用成效，形成了中國特色。培育了140余家主營業務收入達10億的系統解決方案供應商；建成了2 500余家具備相當水準的智能化工廠或數字化車間，培育了209家具備世界智能制造先進水平的示范工廠；自主攻關研制了一批以工業機器人為典型代表的智能裝備和年均復合增長率達到11.4%的工業軟件；形成了網絡協同制造、共享制造、個性化定制、遠程運維等諸多新型制造模式［1］。針對油氣工程技術裝備智能制造，寶雞石油機械有限責任公司、北京石油機械有限公司、三一集團有限公司、煙臺杰瑞石油服務集團股份有限公司等知名公司均有不俗表現，但總體來說，仍處于第一、第二范式，要實現第三范式的“強智能化”，依然需要“跋山涉水”。

2.2 智能制造的系統構成與關鍵要素

智能制造的系統構成頗為復雜、要素繁多、功能完整。經常出現的偏見是，將智能制造完整系統構成中智能工廠的某條自動化生產線當成整個智能制造的全部。在種類繁多的油氣工程技術裝備中，選擇連續管及連續管作業裝備為具體對象和案例，討論油氣工程技術裝備的系統構成和關鍵要素。

制作連續管的原材料鋼帶經過自動化生產線的諸多工序后，完成連續管的生產，如圖15所示。圖15展示的是一條典型的連續管自動化生產線，盡管其自動化程度頗高，但不能稱之為連續管智能制造系統。

構建與描述智能制造系統的方式和角度有多種，有的圍繞智能工廠構建，有的重點針對數字孿生展開，有的按照智能制造的學科構成描述。在此，基于工業互聯網和連續管裝備自身特點，綜合考慮營銷、研發、生產、經營、管理等方面，構建了“基于工業互聯網的連續管裝備智能制造整體解決框架”（見圖16）。

智能制造的關鍵要素主要有智能工廠、制造知識、精益生產、智能裝備、工業軟件等。其中，智能工廠是智能制造的精髓［1］，是智能制造的基本載體，賽博物理系統（CyberPhysical Systems，CPS）是智能工廠的物質技術基礎。利用數字孿生、人工智能等技術，通過物聯網連接，在虛擬空間對物理實體進行全息重建和數字重構，實現物理實體與數字虛體的相融相生和精準映射，虛擬制造平臺、物理實體工廠、智能決策系統共同組成了智能工廠。以連續管作業裝備為例，物理實體工廠包括連續管全自動化生產線，連續管注入頭軸承總成、鏈條總成、特殊軸的智能加工中心，注入頭夾持塊數控線切割機床，組裝調試平臺及現代化廠房；虛擬制造平臺是基于這些制造資源和制造過程的數字化模型；智能決策系統既可以在虛擬制造中對制造過程進行迭代優化，也可以在實際制造中實時監控和優化制造過程。

制造知識是智能制造的靈魂，制造知識只有融入制造體系中才能發揮出價值。例如，體現連續管作業裝備智能制造知識的數學模型如何建立，數學模型所需數據如何獲取，這些數據如何表征、如何分析、如何驅動、如何賦能等。要回答與解決這些問題需要依賴制造知識，不掌握核心技術、不懂得制造機理、不了解工藝特點，就無法構建完善的智能制造系統。制造知識不斷生成和積累，不斷自我學習、自我進化而產生新的制造知識，新制造知識的應用不斷推動生產方式創新與變革。由此可見，制造知識是智能制造中起決定和主導作用的因素。

精益生產是一種管理方法和哲學，旨在通過消除浪費、提高價值流程和持續改進來提高生產效率和質量。其核心思想是在需要的時候，按需要的量，生產所需的產品。連續管作業裝備是個性化特征十分鮮明的油氣工程技術裝備，特別適合精益生產、量身定制。精益生產把“完美”作為不懈追求的目標，即持續不斷地改進生產，消除廢品，降低庫存，降低成本，實現產品品種多樣化。精益生產是推行智能制造必須具備的基本功。

智能裝備、工業軟件是智能制造系統不可或缺的關鍵要素。制造設備的智能化、制造知識的軟件化、制造流程的數據化、制造過程的自動化是智能制造的基本標志，杰出的工業軟件源于豐富的工業技術積累。特別值得關注的是，緊密連接、驅動上述“4個化”的是數據，構建賽博物理系統和數字孿生模型的基礎也是數據，創建數字虛體源于數據驅動，物理實體和數字虛體的數據完全相同，從而實現從基礎材料、產品設計、工藝規劃、生產計劃、制造執行到使用維護的全過程數字化，通過集成設計和生產，幫助企業實現全流程可視化、規劃細節、規避問題、閉合環路、優化整個系統。

3 基本結論和發展建議

工程技術裝備肩負著直面油氣勘探開發嚴峻挑戰、保障國家能源安全提供裝備支撐的時代重任。油氣工程技術裝備的智能化和智能制造將成為產品和技術加速迭代升級的重要抓手，加速推進油氣工程技術裝備智能化和智能制造已成為行業共識。

油氣工程技術裝備的研發、制造與應用不斷創新，相繼成功研制和應用了萬米特深井鉆機、7 000 m“一鍵式”自動化鉆機、智能鉆井系統、數字化大功率壓裂機組、自動化連續管作業裝備、智能導向鉆井控制系統、萬米頂驅等一批工程裝備利器，油氣工程技術裝備智能化整體水平快速提升，但依然處于第一、二代智能化“段位”。

發展油氣工程技術裝備智能制造是個長期戰略，做好頂層設計、明確正確方向顯得至關重要。要切實瞄準油氣工程技術裝備智能制造的場景模式推廣、系統解決方案攻關、標準體系建設等3大要素［15］，精準發力，逐一突破。要客觀評價和科學評估油氣工程技術裝備企業的智能制造能力，辨析其強項、短板和漏項，為決策的制訂提供科學依據。

國家制訂了發展智能制造的2個目標階段：到2027年，規模以上企業基本實現數字化轉型，這是第一階段；從2028—2035年，規模以上企業基本實現智能化升級，此為第二階段。對于油氣工程技術裝備裝備企業而言，推行智能制造是一個艱難而痛苦的涅槃重生過程，需要充分提高認識，打破傳統意識束縛，沖破重重障礙和藩籬，分階段分層級不斷探索、實踐、推進。油氣工程技術裝備企業推動智能化轉型的節奏，總體應與國家發展智能制造的2個階段和目標協調一致。同時，還得基于自身的發展基礎、發展水平、環境差異和實際痛點，探索適合本企業智能化轉型的實際目標、計劃和實施路徑。要重點激勵支持發展基礎好、成熟度高、資源條件優良的專精特新企業、隱形冠軍企業和頭部企業先行先試、快速推進，為其他規模以上企業和中小企業打造示范工程，展現示范效應，實現油氣工程技術裝備智能制造的全面推進與發展。

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