宋旭 趙雪峰 李宏斌 邊孝琦 王永東

1大慶油田設(shè)計院有限公司

2大慶油田有限責任公司

中國石油上游資產(chǎn)總量巨大，擁有36 萬余口開發(fā)井、1.6 萬余座站場、30 多萬千米管道、近40萬臺/套設(shè)備，且逐年增加；因新探明資源品質(zhì)低，非常規(guī)開采工藝復(fù)雜、難度大，導(dǎo)致新油氣田效益開發(fā)難度增加，且單井產(chǎn)量下降；老油田區(qū)塊已進入特高含水期，生產(chǎn)成本升高，效益大幅降低，每年減員增效目標實現(xiàn)難度大。經(jīng)國內(nèi)外實踐證明，信息化是實現(xiàn)業(yè)務(wù)和管理目標、加快智能油氣田建設(shè)的重要手段。

為適應(yīng)新時代發(fā)展需求，2019 年中國石油勘探與生產(chǎn)公司開展了上游信息化頂層設(shè)計，根據(jù)中國石油戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃，從全局和戰(zhàn)略的高度，對信息化工作統(tǒng)籌考慮、總體設(shè)計，制定了全面建成智能油氣田的目標和三步走戰(zhàn)略[1]。2020 年及“十四五”期間，勘探與生產(chǎn)公司將強力推進信息化建設(shè)工作，以勘探開發(fā)夢想云為重要抓手，依托夢想云統(tǒng)籌各類信息系統(tǒng)，按照“強基礎(chǔ)、補短板、促應(yīng)用”的工作思路，持續(xù)夯實數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，加強業(yè)務(wù)應(yīng)用建設(shè)，堅持先進的信息化技術(shù)與主營業(yè)務(wù)深度融合，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化、管理協(xié)同化、研究智能化，促進上游業(yè)務(wù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型智能化發(fā)展。

1 建設(shè)基礎(chǔ)

1.1 業(yè)務(wù)基礎(chǔ)

油氣田地面工程業(yè)務(wù)領(lǐng)域已積累了大量的標準規(guī)范、管理規(guī)定、優(yōu)秀方案、技術(shù)成果、生產(chǎn)實踐、案例剖析、專業(yè)書籍等寶貴資源，其中涵蓋了海量的知識信息，通過對這些知識進行梳理，可形成全面的地面工程知識體系。以石油工業(yè)出版社為例，已積累地面類圖書115 種、標準214 種、音像制品8 種，管道類圖書458 種、標準1 396 種、電子制品1 種，集輸類圖書163 種、標準104 種，站場類圖書6 種、標準35 種，長輸類圖書47 種、標準53 種，儲氣庫類圖書39 種、標準39 種，石油科技論壇發(fā)布相關(guān)論文近百篇，對這些圖書、標準進行碎片化加工，整合形成資源管理平臺，可提供快速檢索、統(tǒng)計、分析等服務(wù)。

1.2 信息化基礎(chǔ)和成效

中國石油上游信息化建設(shè)歷經(jīng)30 多年的探索發(fā)展，建設(shè)了油氣水井生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（A2）、中國石油地理信息系統(tǒng)（A4）、采油與地面工程運行管理系統(tǒng)（A5）、勘探開發(fā)一體化協(xié)同研究及應(yīng)用平臺（A6）、油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（A11）、認知計算平臺（E8）等統(tǒng)建信息系統(tǒng)，已整合了地面工程關(guān)鍵業(yè)務(wù)流程及數(shù)據(jù)資產(chǎn)，在增油、降耗、增效、降本等方面已體現(xiàn)了效果與潛力；按照上游信息化頂層設(shè)計架構(gòu)，遵循“兩統(tǒng)一、一通用”和“四個一”原則建設(shè)的勘探開發(fā)夢想云，搭建了完整的信息化、智能化發(fā)展生態(tài)，為油氣田地面工程的信息化、數(shù)字化、智能化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[2]。

（1）助力穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)。應(yīng)用潛力井篩查分析縮短發(fā)現(xiàn)問題井時間，縮短措施實施時間；提高維護性單井設(shè)計、壓裂設(shè)計流轉(zhuǎn)效率，有效增加采油井生產(chǎn)時間，增加時率，達到增油目的。根據(jù)實際應(yīng)用情況，潛力井從提出到實施縮短3 天，維護性設(shè)計流轉(zhuǎn)時間縮短2 天，壓裂設(shè)計流轉(zhuǎn)時間縮短2.5天，提升工作效率50%以上。

（2）促進降本增效。通過在線管理長停井，并結(jié)合單井電子檔案信息，開展長停井管理及恢復(fù)工作，如華北油田，應(yīng)用系統(tǒng)自動統(tǒng)計出長停井的現(xiàn)狀信息并穿透單井顯示長停前產(chǎn)量及長停原因，結(jié)合油藏信息、工程措施手段，開展長停井管理及恢復(fù)工作，預(yù)計影響產(chǎn)能約45×104t。通過地面站場生產(chǎn)動態(tài)關(guān)鍵指標的對比分析、提醒預(yù)警，及時調(diào)整站內(nèi)設(shè)備運行參數(shù)，可全面掌握集輸與處理系統(tǒng)能耗情況，落實集輸系統(tǒng)節(jié)氣、節(jié)電指標，降低能耗及生產(chǎn)成本。

（3）提高工作效率。轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)線下管理的模式與方法，實現(xiàn)業(yè)務(wù)管理與操作的數(shù)字化、標準化、流程化。如井下作業(yè)管理模塊實現(xiàn)了壓裂、補孔、封堵及常規(guī)檢換泵等作業(yè)施工工作的單井方案在線設(shè)計、施工過程及總結(jié)的電子化和流程化；建設(shè)管理模塊實現(xiàn)了建設(shè)項目基本信息、合同信息的管理，開工報告等在線審批、相關(guān)資料上傳、檢索等全方位信息化；應(yīng)用管道電子檔案，縮短對管線隱患排查的時間，為管線風(fēng)險評價、維修改造更換提供依據(jù)，使開展管道檢測修復(fù)工作更科學(xué)、更便捷；根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動匯總、統(tǒng)計生產(chǎn)報表，實現(xiàn)報表規(guī)范化、數(shù)字化管理。僅上述四類工作可提高工作效率近75%。

2 總體方案

2.1 建設(shè)目標和建設(shè)策略

油氣田地面工程智能化建設(shè)的終極目標是實現(xiàn)資源共享、全面感知、遠程指揮、自動操控、智能分析、趨勢預(yù)測、專家智慧、優(yōu)化決策[3]。為夯實油氣田地面工程智能化建設(shè)，應(yīng)優(yōu)先頂層設(shè)計智能應(yīng)用藍圖、搭建智能應(yīng)用基礎(chǔ)框架、構(gòu)建地面工程知識圖譜、初步探索人工智能基礎(chǔ)應(yīng)用。

油氣田地面工程智能化建設(shè)是一項需要業(yè)務(wù)人員、IT 技術(shù)人員、人工智能技術(shù)人員多方協(xié)作完成的長期任務(wù)，業(yè)務(wù)人員提出智能化應(yīng)用需求，由人工智能和IT 技術(shù)人員具體開發(fā)實現(xiàn)，通過不斷迭代，最終實現(xiàn)地面工程智能化的全面覆蓋。因此，應(yīng)本著開放、合作、共建、共享的建設(shè)原則，按照頂層設(shè)計、長期規(guī)劃、分步實施、迭代完善的建設(shè)步驟，遵從全面思考、放眼未來、打好基礎(chǔ)、大步推進的建設(shè)策略，來開展油氣田地面工程智能化建設(shè)并實施。

2.2 智能化建設(shè)總體架構(gòu)

按照上游信息化頂層設(shè)計架構(gòu)，基于勘探開發(fā)夢想云，從統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫、統(tǒng)一技術(shù)平臺、業(yè)務(wù)應(yīng)用三方面進行總體設(shè)計（圖1），遵循信息系統(tǒng)應(yīng)用及運維規(guī)范、網(wǎng)絡(luò)安全等級保護技術(shù)要求、信息技術(shù)標準、數(shù)據(jù)保密辦法來保障系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行。

圖1 油氣田地面工程智能化建設(shè)總體架構(gòu)圖Fig.1 Overall framework of intelligent construction of oil and gas field surface engineering

（1）統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫?；跀?shù)據(jù)整合已建信息系統(tǒng)地面工程數(shù)據(jù)資源和各類知識條目，統(tǒng)一數(shù)據(jù)治理、管理、分析，形成油氣田地面工程知識體系，可有效為地面前期、施工、生產(chǎn)、完整性管理的全過程提供數(shù)據(jù)支持。

（2）統(tǒng)一技術(shù)平臺。根據(jù)油氣田地面工程業(yè)務(wù)活動需求，開發(fā)地面工程專業(yè)服務(wù)、專業(yè)軟件支持服務(wù)、系統(tǒng)服務(wù)、人工智能服務(wù)平臺，為油氣田地面工程智能化應(yīng)用提供信息技術(shù)支撐。

（3）業(yè)務(wù)應(yīng)用。根據(jù)油氣田地面工程業(yè)務(wù)流程將智能化建設(shè)，劃分地面前期、施工、生產(chǎn)、完整性管理四方面，包括輔助設(shè)計、智能推薦、智能數(shù)據(jù)、智能分析、智能監(jiān)控、智能文檔、智能工具、智能專家八類智能應(yīng)用。

3 功能設(shè)計

油氣田地面工程智能應(yīng)用結(jié)合地面工程業(yè)務(wù)鏈及業(yè)務(wù)流程進行設(shè)計，應(yīng)用樹示意圖如圖2 所示。

圖2 油氣田地面工程智能應(yīng)用樹示意圖Fig.2 Schematic diagram of intelligent application tree for oil and gas field surface engineering

3.1 前期管理

在油氣田地面建設(shè)中，精準細致的設(shè)計是施工生產(chǎn)的前提，提升設(shè)計質(zhì)量、抓好設(shè)計審查對保證生產(chǎn)安全、節(jié)約投資將起到重要作用。

結(jié)合地面前期可研（初設(shè)）編制、審查等工作環(huán)節(jié)，應(yīng)用知識圖譜、大數(shù)據(jù)、NLP 等人工智能技術(shù)，通過與歷史優(yōu)質(zhì)可研（初設(shè)）的對比分析，根據(jù)項目間的匹配度，自動推送工藝流程比選方案、先進設(shè)備引進方案等，自動推薦多方案編制建議及關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)濟指標，縮減設(shè)計人員翻閱大量文檔資料、人工分析判斷的耗時，輔助設(shè)計人員優(yōu)選先進的專業(yè)集輸、處理技術(shù)，開拓方案設(shè)計思路；通過對歷史可研（初設(shè)）專家審查意見、典型方案技術(shù)特點及項目后評價等信息進行整理和抽提，建立專家審查意見智能推薦應(yīng)用，為可研（初設(shè)）自查和審查提供智能支持。

3.2 施工管理

上游16 家油氣田公司地質(zhì)條件及開發(fā)方式各異，各油氣田地面工程技術(shù)要求多樣、建設(shè)方式差異大，隨著新的建設(shè)模式不斷涌現(xiàn)，油氣田地面建設(shè)、管理的難度與挑戰(zhàn)不斷增加，需進一步系統(tǒng)的、高效推進項目管理，借助信息化手段推動油氣田地面工程建設(shè)管理工作模式優(yōu)化和創(chuàng)新，提高地面建設(shè)工程項目的投資效益，實現(xiàn)工程建設(shè)項目工期、質(zhì)量、投資和安全環(huán)保目標的有效控制。

（1）承包商智能管理?？赏ㄟ^明確承包商選擇指標，建立承包商選擇體系，建立合理的量化方法及評價指標模型，自動根據(jù)承包商資源庫、業(yè)績庫、考核庫、誠信庫等資源抽取評價指標信息，推送評價結(jié)果，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)承包商智能推薦。

（2）智能物資管理。根據(jù)建設(shè)項目實際施工進展及所需物資的采購周期，實現(xiàn)施工現(xiàn)場物資及時供應(yīng)，有效降低工程物資的積壓及損耗，提高施工質(zhì)量和投資的管控水平。

（3）智能工期管理。根據(jù)項目計劃、施工進展及標準化工期，結(jié)合現(xiàn)場人員、物資和方案等情況，預(yù)測工程施工的進度變化情況，并自動推薦處理方案進行及時糾偏，保障施工進度。

（4）智能專家問答。施工過程中，遇到疑難問題時，多需人工查找相關(guān)資料或咨詢本單位內(nèi)的專家，資料信息獲取方式比較局限?？赏ㄟ^集成國內(nèi)外工程建設(shè)的經(jīng)典案例，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)提取關(guān)鍵節(jié)點進行數(shù)據(jù)分析整合，為工程項目建設(shè)過程中的疑難問題進行智能推薦或回答，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)經(jīng)驗的分享推薦[4]。

3.3 生產(chǎn)管理

自2013 年1 月油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)啟動建設(shè)以來，各油氣田公司積極開展數(shù)字化建設(shè)，截至2020 年底，已累計建成數(shù)字化井17.3 萬余口、站場1.89 萬余座，井、站數(shù)字化覆蓋率分別達到61%、72%，其中西南、長慶、大港等12 家油氣田基本實現(xiàn)數(shù)字化全覆蓋，助推了“油公司”模式改革，同時，海量實時數(shù)據(jù)急需高效利用。

（1）生產(chǎn)動態(tài)智能監(jiān)控。基于人工智能、圖像識別、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[5]，全面掌握生產(chǎn)裝置及設(shè)備的運行狀態(tài)、生產(chǎn)現(xiàn)場的工作環(huán)境。通過對站場、設(shè)備關(guān)鍵生產(chǎn)參數(shù)進行提取和匯總，實時對當前生產(chǎn)狀態(tài)進行分析判斷，一旦出現(xiàn)異常值，及時發(fā)布預(yù)警；通過圖像識別及時判斷是否存在明火、煙霧等異常，及現(xiàn)場人員是否有未佩戴安全帽、抽煙等不安全行為，并自動報警，保障安全平穩(wěn)生產(chǎn)，減少安全隱患。

（2）智能優(yōu)化運行。通過三維協(xié)同設(shè)計、數(shù)字化交付，建立孿生站場、孿生管網(wǎng)，通過仿真模擬調(diào)整運行參數(shù)，如控制溫度、壓力、加藥量等，實現(xiàn)管網(wǎng)調(diào)配最優(yōu)方式[6]，達到能耗、成本、產(chǎn)量等綜合最優(yōu)的生產(chǎn)目標，實現(xiàn)提高生產(chǎn)效率、降低能耗和成本、支撐精益生產(chǎn)的目標。

（3）生產(chǎn)分析預(yù)測。孿生站場、孿生管網(wǎng)分析除了可對當前工況進行模擬，更主要是可預(yù)測未來可能出現(xiàn)的情況（如低溫預(yù)警、超界面調(diào)整等），并模擬極限情況，為各級生產(chǎn)管理人員提供管道更換、站場改造、安全隱患治理等工作建議，指導(dǎo)工作安排、輔助決策、保障穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)。

3.4 完整性管理

完整性管理是為保障油氣田管道和站場完整、提高本質(zhì)安全而進行的一系列管理活動。2016 年以來，勘探與生產(chǎn)公司啟動油氣田管道和站場完整性管理工作，持續(xù)開展試點工程，配套開展科研攻關(guān)，取得了良好的效果。完整性管理被證明是油氣田管道和站場提升本質(zhì)安全、延長使用壽命、提高經(jīng)濟效益的有效手段。管道完整性管理工作流程包括數(shù)據(jù)整合、高后果區(qū)識別和風(fēng)險評價、檢測評價、維修維護、效能評價五個環(huán)節(jié)。通過上述過程的循環(huán)，逐步提高管道完整性管理水平[7]。

（1）減緩措施智能推薦。綜合分析管道風(fēng)險評價結(jié)果，根據(jù)主要風(fēng)險因素、周邊環(huán)境信息、防腐情況、修復(fù)記錄、失效記錄及未來風(fēng)險趨勢等信息，推薦合適的風(fēng)險減緩措施，輔助管理人員制定管理方案，有效降低管道風(fēng)險，提高風(fēng)險治理水平。

（2）維檢修計劃智能排定。根據(jù)人員、管道運行狀態(tài)、復(fù)檢周期、高后果區(qū)識別、風(fēng)險評價結(jié)果等綜合信息，自動生成檢維修計劃，輔助日常維檢修工作的開展；自動分配每年度管道完整性檢測執(zhí)行計劃，確定不同管道采取的檢測方法，估算檢測工作所需的費用[8]，合理分配人員及物資，便于總體測算年度完整性檢測工作預(yù)算和工作安排，提高完整性檢測評價工作的合理性和有效性。

（3）智能巡檢?？墒褂脵C器人在站場或小區(qū)域內(nèi)進行數(shù)據(jù)采集及巡檢工作，讀取儀表參數(shù)，檢查設(shè)備運行狀況；使用無人機對大范圍的管道進行巡檢工作，檢測管道是否安全運行，并采集周邊環(huán)境數(shù)據(jù)。通過機器人代替值班人員完成巡檢任務(wù)，提高巡檢效率，保障人員安全，節(jié)省人工成本；通過無人機擴大巡檢覆蓋范圍，提高巡檢頻率，降低巡檢人力需求。

（4）檢測結(jié)果智能抽提。完整性檢測評價報告一般為紙質(zhì)或電子版文檔，通過建立數(shù)據(jù)自動抽提機制，基于知識圖譜，搭建知識標注平臺，訓(xùn)練對應(yīng)的知識抽提模型，可將完整性檢測報告中的關(guān)鍵信息抽取，形成結(jié)構(gòu)化成果保存，為后續(xù)完整性管理補充數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)成果再利用的循環(huán)。

（5）能效智能評價。通過對比管道失效率變化、更新改造維護費用變化、高后果區(qū)識別率、風(fēng)險評價率等指標，基于業(yè)務(wù)規(guī)則、智能算法，自動推算評價效果，并提出問題及改進措施，為下年度的完整性管理工作提供指導(dǎo)。

（6）管理建議智能推薦。根據(jù)年度完整性管理工作開展的情況，綜合分析完整性管理執(zhí)行情況及各類評價結(jié)果，有針對性地提出管道剩余壽命、維修維護措施、未來檢測計劃等管理建議，提高完整性管理的水平。

4 結(jié)束語

上游油氣田地面工程領(lǐng)域的智能化建設(shè)處于起步階段，需要堅實的信息化、數(shù)字化基礎(chǔ)，基于海量數(shù)據(jù)，基于先進、開放、安全、智能的技術(shù)平臺，基于資深專家的經(jīng)驗和智慧，需要業(yè)務(wù)專家、IT 技術(shù)工程師、數(shù)據(jù)分析工程師共同大膽設(shè)想、大膽實踐、不畏失敗，共創(chuàng)、共建、共享智能化建設(shè)成果。隨著油氣工藝技術(shù)、IT 信息技術(shù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展，油氣田智能化應(yīng)用建設(shè)必將助推上游業(yè)務(wù)提質(zhì)增效、數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化發(fā)展。