慶城油田頁巖油智能化配套技術開發應用研究

［摘 要］針對頁巖油開發過程中面臨的油藏隱蔽性強、儲層致密、產量遞減快、單井投資大、投資回報期長、效益開發難等突出問題，本文以鄂爾多斯盆地慶城油田為例，基于頁巖油在開發地質、工藝技術、地面建設、生產運行、安全環保和效益評價等方面的特殊性，以推進“兩化”深度融合為主線，采用優化地面智能化采集設備及通信鏈路，提升站點智能化建設標準，搭建工業互聯網云平臺，建立地質地面一體化管理等方法，提高該類油藏整體智能化建設水平。結果表明，該技術體系有力地支撐頁巖油效益開發，實現百萬噸用工控制在300人以內，豐富油田企業及能源領域互聯網建設經驗，具有較好的應用推廣價值和實踐意義。

［關鍵詞］頁巖油；智能化；工業互聯網；效益開發；互聯網

doi：10.3969/j.issn.1673-0194.2024.23.036

［中圖分類號］F272 ［文獻標識碼］A ［文章編號］1673-0194（2024）23-0115-06

0 " " 引 言

目前，由于常規油藏開發進入低效階段，新資源接替困難，儲采比大幅下降，油田開發穩產形勢更為嚴峻，導致油氣勘探由淺層向超深層、由淺海向深海、由常規向非常規進軍，開發對象向“超、非、老”方向發展，開發成本不斷上升[1]。因此，非常規油藏領域在全球范圍內呈現快速發展趨勢。我國陸相頁巖油資源基礎豐厚、潛力巨大，當前又面臨能源安全的嚴峻挑戰，原油和天然氣對外依存度居高不下[2]，使得頁巖油成為一種較現實的石油能源的替代品。作為第一大油氣田的長慶油田，近年來錨定非常規頁巖油資源勘探開發目標，歷經早期勘探、評價與技術攻關、規?？碧介_發三個階段，在鄂爾多斯盆地長7生油層已經探明了大量的頁巖油地質儲量，2022年，長慶頁巖油產量達到221萬噸，占國內頁巖油總產量的70%以上，歷年累計產量突破1 200萬噸，其中慶城油田達到164萬噸，占油田公司頁巖油產量的70%以上，占中石油產量的60%以上[3]。然而，與常規油藏相比較，由于其低滲透、低壓、低豐度、巖性致密等特征，具有儲層、開發、生產等方面的特殊性，造成開發頁巖油面臨更快產量遞減速度、更大征地面積、更大環保壓力、更高開發成本等挑戰[4]，甚至單井綜合運營成本約為3 000

元/噸[5]。因此，為應對能源短缺挑戰，降低頁巖油開發成本，創新開展智能化技術探索與研究，構建數字化運營模式，將信息技術、管理方式與油田生產場景緊密結合，通過智能化油田開發手段建立扁平化組織管理模式，有助于提高開發效率，降低開發成本[6]，已成為頁巖油高質量發展的重要支撐和必然選擇。

此外，隨著數字經濟浪潮席卷全球，驅動傳統產業加速變革。特別是以工業互聯網為代表的信息技術的發展，逐漸成為制造業數字化、網絡化、智能化的重要載體，也正成為領軍企業競爭的新賽道、全球產業布局的新方向、制造大國競爭的新焦點。而油氣田生產業務復雜、覆蓋面廣，國內外注重管理提升實現提質增效已成為必然，生產管理精細化程度要求越來越高，因此，基于頁巖油在開發地質、工藝技術、地面建設、生產運行、安全環保和效益評價等方面的特殊性，以推進“兩化”深度融合為主線，采用優化地面智能化采集設備及通信鏈路，提升站點智能化建設標準，研發具有業務屬性、云邊協同的工業互聯網平臺，對生產全業務進行聯結，有助于實現生產監視、數據整合、數據分析、問題預警、診斷優化、現場控制的全閉環管理，從而助力油氣田企業高質量發展，支撐頁巖油規模效益開發。

1 " " 建設內容

針對頁巖油開發及生產特點，長慶油田提出涵蓋“研究+分析+決策”完整鏈條的設計思路，將大數據、云計算、人工智能等技術與頁巖油開發模式相結合，提高建設水平。在頁巖油率先采用“云邊”協同管控新體系，構建云原生控制新平臺（圖1），全面集成工業控制、軟件系統，在行業內首次實現油氣田生產控制領域平臺化建設，打破了生產領域系統、數據孤島。通過構建油氣行業云（工業互聯網平臺智能管控）、邊（生產現場自主運行）協同管控體系，在前端實現油井自主穩定運行、管線智能安全運行，場站無人值守運行的小閉環管理方式；后端以互聯網云平臺為核心，形成基于模型算法、遠程控制，多部門、多學科協同大閉環管理方式[7]。實行“多層閉環管理”，優化了用工指標，形成了新型扁平化管理模式，實現該類油藏安全、高效、經濟、環保、智能開發的目標。

運用一體化設計理念，通過油藏地質、鉆錄測試、儲層改造、開發生產全業務數據采集，高速通信鏈路傳輸以及區域數據湖建設，建成四維油藏、地質工程一體化、油井與地面智能化、生產運營閉環管理，進行全生命周期經濟評價[8-9]，實現油藏地質、鉆井工程、儲層改造、采油工藝、地面集輸、生產管理、安全環保和經營管理八個方面集中控制。一鍵登錄公司現有系統，復用公司已有成果，形成全生命周期管理體系，打造基于工業互聯網的油氣云平臺（圖2），建立頁巖油智能化管控新模式。

此外，形成了以“油藏地質、采油工藝、地面集輸、安全環保、經營管理”等十二大功能模塊的一體

化、綜合性、全業務的頁巖油工業互聯網云平臺，突破傳統應用系統在數據處理、云端架構、專業中臺、閉環連鎖等方面有明顯的局限性，提升智能化配套建設水平，實現了全業務數據共享、油井自主穩定運行、場站無人平穩運行、管線智能安全運行，降低開發成本，提高開發效益。

1.1 " 油藏地質

油藏地質是頁巖油隨鉆分析及智能化提升的前提。針對頁巖油隨鉆分析系統研究效率低下、動態分析手段單一等問題，應用三維儲層資料，通過井震結合構建平臺地質模型，生成單井相連井剖面、儲層性質柵狀圖、深度域地震解釋剖面及隨鉆測井地質剖面四種圖件，結合巖屑錄井、全烴顯示、鉆井工程參數等綜合分析，開展水平井軌跡設計及三維地質導向，提高水平井優質儲層鉆遇率[10]。并結合單量儀、動液面、含水率等實時數據，建立開發數據共享環境，完成數據采集近50萬條，建立單井卡片500余張，有效支撐了不同專業協同遠程決策，提升了油藏開發水平。

在工業互聯網云平臺建設中，依據頁巖油開發油藏地質專業人員分析需求，建設“產量分析”和“油井分析”兩個模塊，即通過外輸波動、外輸差異快速定位產量異常情況，云平臺可“一鍵式”定位產量波動分析的平臺和單井，并輔助決策，產量差異對比降至30min處理完成，進而集成數字化油氣藏研究與決策支持系統（RDMS），滿足油藏地質的初步分析和應用需求（圖3）。同時，依據三維儲層資料，構建頁巖油特色數據挖潛工具，立足工業互聯網云平臺實時數據，基于模型算法實現油藏高效快速診斷，提高了分析效率。

1.2 " 鉆井工程

鉆井工程是頁巖油開發投資最高、風險最大的部分。通過采集鉆井液流速和流量、井深、井眼溫度、壓力和振動等數據，在系統中快速建立鉆井提速學習曲線，制定鉆井事故與復雜問題知識數據庫，為鉆井現場和管理人員提供預防措施。針對具體井進行單井技術措施細化，開展提速模板優化設計和軌跡實時遠程監控工作，實現實時鉆井數據采集和鉆井提速模板優化，持續優化鉆井工藝技術，最終形成各區塊針對性提速模板，指導鉆井工程優化設計及現場施工。

1.3 " 地質工程

初步建成地質工程一體化系統，實現對鉆井工程和壓裂工程智能監控。其中，地質導向模塊可開展遠程集中分析，提示斷層位置，預測漏失段，根據儀表各項參數進行風險預警；壓裂監控模塊通過實時、準確、完整地采集壓裂現場施工數據，將壓裂現場請進壓裂決策中心，實現秒級還原現場施工壓力、施工排量、入地液量、加砂量等關鍵參數，形成集實時監控壓裂曲線、壓裂層段切換、關鍵參數實時預警、重點井曲線對比等功能于一體的壓裂工程遠程決策系統，從而完成由傳統“單人單井”現場監控向“單人多井”遠程決策的模式轉變。

1.4 " 采油工藝

建立無桿泵井閉環控制和有桿泵井結蠟預測及熱洗兩大智能體系。

1.4.1 " 無桿泵井閉環控制

針對無桿泵井采油井，通過連鎖生產數據采集、設備狀態監控、視頻AI分析、智能調參、遠程啟停和電控柜六大功能，形成無桿泵智能閉環控制方式，建立以快速感知為基礎的閉環管理，實現多設備和系統聯動，達到自主穩定運行、異常工況自動推送等效果。

1.4.2 " 有桿泵井結蠟預測及熱洗

針對有桿泵井采油中面臨的結蠟嚴重問題，通過智能功圖診斷分析技術，建立以井筒為核心的態勢感知分析機制，自動判斷油井結蠟情況并推送油井熱洗計劃，實現有桿泵井全流程自動化熱洗，有效降低熱洗準備時間，提高生產效率。

1.5 " 地面集輸

1.5.1 " 增壓站聯鎖控制

在常規無人值守標準上，通過加熱爐自動點火集成，加熱爐自動補水，緩沖罐液位和外輸泵聯動平穩輸油，進橇三通閥自動切換緩沖罐或者事故罐，事故罐來油外輸流程控制和自動排污進入流程六大聯鎖閉環控制，實現增壓站全閉環控制，并結合應急巡護模式，實現全站智能巡檢，大幅降低人工巡檢頻率，有效減少增壓站人工成本。

1.5.2 " 聯合站無人值守模式

首次在非常規生產管理領域綜合性應用數字孿生、智能裝置、智能控制技術，開發形成了油氣工業互聯網平臺。生產現場兩大關鍵邏輯控制技術、增壓站七大閉環聯鎖控制、聯合站“127”管理模式的應用，其中，兩大流程自動切換，包括原油外輸橇電動三通閥將原油自動切換，含水率高于設定值時自動切入沉降罐；七大自動聯鎖控制，包含三相分離器油室、水室液位自動控制，凈化油罐液位自動控制，凈化水罐液位自動控制，注水泵出口壓力超壓停泵控制，三相分離器進口進液流量自動控制，水處理定時自動排污控制，污水污泥池轉子泵自動啟停控制；“127”無人值守模式，即1套機器人巡檢系統，指通過機器人實時監測聯合站內各種參數，并內置了跑冒滴漏、紅外熱成像等算法，替代人工巡檢，實現異常情況實時報警推送[11]，將原本應急巡護人員由12人降至3人，使場站無人及少人值守運行更穩定、更安全、更智能、更高效，大幅提高生產運行效率，為非常規油藏開發系列標準制定奠定一定的技術及實驗基礎。

1.6 " 生產管理

（1）生產一張圖：實現油田生產情況、站點運行工況和管線運行情況的全流程感知，方便上、下游開展聯動分析，極大提升了管理效率。

（2）數字孿生：將無人機采集數據，通過二維、三維GIS技術變為生產現場數字孿生體，實現場站當前運行工況實景展示，既完善了智能油田安全管控體系，又建立了全域感知、融合聯動和輔助決策的智慧油田平臺。

1.7 " 安全環保

（1）智能管道：通過無人機對固定管線進行巡檢，及時辨別可疑泄漏點，并結合應用負壓波、集群化泄漏監測、光纖振動預警等管道智能化技術，實現管道運行數據實時監控、泄漏預警，持續提升管道風險防控體系，極大降低了風險損失。

（2）視頻AI分析：通過收集生產現場視頻數據、周界報警、有毒有害氣體報警等數據，結合AI視覺算法提取人物、煙霧、火焰等監測模型特征和“高后果區”

“打孔盜油”等場景特征，監控分析作業現場合規性，從而實現對輸油管道進行全天時、高效率保護，減少誤報、漏報等情況，提高生產報警準確度[12-13]。

1.8 " 集成應用

針對目前油田應用系統復雜，不同系統間數據不能互通、數據孤島眾多等問題，通過全域數據集成共享體系（圖4）、單點登錄等深度集成長慶油田公司安眼工程、設備管理系統、功圖3.0（智能油井系統）、RDMS（數字化油氣藏研究與決策支持系統）、OCEM2.0（生產指揮與應急管理系統）等9套公司統建系統，豐富云平臺業務領域，建立基于工業互聯網云平臺的集成應用，極大地支撐項目部各項工作有力開展，為工況診斷、報表自動生成、預警預測提供更優的數據支撐，使生產數據準確率提升至99%，工況診斷準確率提升至99%，處置響應時間提高近96%，大幅提高了頁巖油線上處理能力和經營管理效率。

2 " " 建設成果

2.1 " 組織架構扁平化

通過穩步推進井場及站點無人值守建設，將“廠部—作業區—井區—井站”優化為“廠部—中心站”新型二級組織架構運行管理模式，管理層級由4級壓縮為2級，井場及站點崗位用工總數、基層隊級管理單元得到大幅壓縮，實現了“100萬噸300人”勞動用工目標，達到增產、增井、增站不增人的目的，產生效益高達億元以上，生產效率高效，應用效果及管理效益顯著[14]。

2.2 " 生產監控集群化

工業互聯網云平臺于2022年5月正式發布上線，目前共集成430余口油井、20余條管線、近30座場站、10余個統建系統的10萬多點生產數據，取消監測點近20處，優化用工19人，報警準確率提升68%。相對于傳統數字化管理模式而言，在作業區推行大監控模式后，預警告警信息由人工查找變為自動推送，實現了精準報警、分級推送、閉環處置的管理流程，形成智能化視頻預警分析平臺，全面支撐新型“油公司”模式，達到4 000噸/人的人均產量。

2.3 " 現場管理閉環化

采用“云—邊—端”協同理念，融合云端模型增量學習算法，修改模型加權聚合策略，持續優化聯合模型，形成非常規油藏全業務生產鏈閉環控制新模式，實現油井、管線和場站自主平穩運行，大幅優化了用工需求、減少了生產能耗支出、降低了現場巡檢成本，年直接利潤2000余萬元。其中人工成本、人均利潤、井下作業費、電費、材料費等年降本增效800萬元以上。

2.4 " 運行效益最大化

為響應國家“十四五”規劃號召，促進信息技術與制造業深度融合，發揮數字經濟新優勢[15]，打造頁巖油示范工程，建設與應用工業互聯網云平臺，支撐新型管理區試點建設。以數字化轉型驅動油氣產業高質量發展，實現“數字中國石油”建設目標，引領非常規油藏智能化建設先進水平，可推動陸相頁巖油智能化建設標準制定，打造了隴東地區數字化轉型、智能化發展典范，降低了員工勞動強度及安全事故，減少了社會經濟損失，對相關油藏及行業智能化建設具有很好的借鑒意義，引起社會高度關注，提高了企業知名度和影響力[16]。

（1）提升數據獲取效率，賦能數據價值發掘。管理人員在數據獲取和數據清理方面花費時間占比為60%～70%，采用工業互聯網新思路，將數據鏈路由5級壓縮至3級，生產數據由分散調整為統一監控，規避了SCADA系統應用的不足，實現了跨網數據及組態同步和應用快速構建及上線，數據獲取和清理時間占比可下降至20%～30%，將工程技術人員從“找數據、要數據、核數據”的困境中解放出來，充分挖掘數據價值，有效降低生產損失，提升技術管理水平，運行效率提升40%以上。

（2）提升本質安全水平。多級監視、遠程截斷、統一應急調度使人員遠離風險區域，同時實現對生產設備狀態的實時監控，確保安全、環保受控運行。

3 " " 結 論

隨著中石油、中石化和中海油開啟智能化建設新步伐，面向油氣田生產業務的工業互聯網平臺應用范圍廣闊，與其他產品形成差異化競爭優勢，未來市場機會巨大，其不僅可以替代傳統SCADA系統，還能廣泛應用于智能化油氣田建設場景，具有廣闊的應用前景。在后期的研究工作中，需進一步加強。

（1）中國頁巖油資源儲量潛力巨大，隨著常規油氣藏勘探開發難度不斷增大，以及新能源快速發展帶來的挑戰，利用云計算、互聯網、人工智能等技術，實現管理變革，助力頁巖油效益開發成為必由之路。

（2）無人機、機器人等智能設備在現場作業、前端數據采集等領域中應用普遍，能有效代替人類進行重復性勞動，具有解決降本增效難題的巨大開發潛力。

（3）智能油田重點應該是對數據的統計、分析、挖掘，大數據、AI技術在油田生產數據分析處理領域能代替人類更高效作業。同時，企業也應加強對數據的管理工作，構建一體化云平臺，實現數據治理從點到面全覆蓋。

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