鄭成明 劉向陽 石詠衡 吳紅光

1中海石油（中國）有限公司湛江分公司東方作業(yè)公司

2國家管網(wǎng)集團(tuán)油氣調(diào)控中心

目前以網(wǎng)絡(luò)化、信息化與智能化深度融合為核心的第四次工業(yè)革命正在重塑油氣工業(yè)格局[1]。同時，面對突如其來的油價寒冬，全球各大油企不約而同地將智能化油氣田建設(shè)作為企業(yè)重塑競爭力、迎戰(zhàn)低油價的關(guān)鍵措施[2]。中國海油也積極融入數(shù)字化創(chuàng)新大潮，大力推動現(xiàn)代信息技術(shù)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)深度融合。在2020 年工作會議上提出“1534”的總體發(fā)展戰(zhàn)略，正式提出“傳統(tǒng)管理模式向現(xiàn)代化、數(shù)字化、智能化跨越”的發(fā)展思路。

南海某氣田共包含7 座井口平臺、3 座中心平臺以及1座陸岸終端，開采出來的天然氣在平臺進(jìn)行脫水處理，再通過兩條海管輸送至陸岸終端進(jìn)行組分調(diào)配后輸送至下游用戶。氣田具有良好的自動化控制基礎(chǔ)，2018 年被確定為海洋石油智能化建設(shè)的試點(diǎn)單位。

1 智能化建設(shè)總體思路

通過對氣田現(xiàn)有設(shè)施進(jìn)行自動化提升改造，即完善視頻監(jiān)控系統(tǒng)、引入智能巡檢機(jī)器人、激光對射泄漏監(jiān)測等智能化設(shè)備，最大限度地減少現(xiàn)場作業(yè)人員。同時建設(shè)陸地操控中心，對海上油氣生產(chǎn)全過程實(shí)時監(jiān)控、遠(yuǎn)程操作、協(xié)同作業(yè)、科學(xué)決策，最終實(shí)現(xiàn)降本增效、重塑企業(yè)低成本優(yōu)勢、實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的目標(biāo)?？傮w建設(shè)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)井口平臺無人化、中心平臺少人化、綜合管理一體化。

1.1 井口平臺無人化

井口平臺主要負(fù)責(zé)油氣生產(chǎn)，將井口產(chǎn)物（油、氣、水）通過海底管道輸送至中心平臺進(jìn)行處理。井口平臺具有工藝流程簡單、動設(shè)備少的特點(diǎn)，升級改造難度低。但由于客觀原因，需要人員長期駐守，通常采用守護(hù)船實(shí)現(xiàn)人員在中心平臺、井口平臺間每日轉(zhuǎn)運(yùn)，以維持平臺生產(chǎn)，平臺開發(fā)運(yùn)營成本高。因此井口平臺無人化是智能油氣田建設(shè)的首要目標(biāo)。

2018 年以來，中海油各大海域陸續(xù)開展海上平臺無人化建設(shè)，開發(fā)出一批以錦州20-2N/W 等為代表的無人井口平臺，降本增效成果顯著[3]。

1.1.1 主要思路

（1）全面感知。增加工藝系統(tǒng)遠(yuǎn)程參數(shù)監(jiān)測點(diǎn)位；增加關(guān)鍵設(shè)備如中壓開關(guān)柜、UPS等在線監(jiān)測系統(tǒng)；完善遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)；通過光纖在中心平臺實(shí)現(xiàn)對井口平臺的全面感知。

（2）遠(yuǎn)程操作。開展井口控制盤和采油樹油嘴改造；增加動設(shè)備如開排泵、閉排泵等遠(yuǎn)程啟停功能；實(shí)現(xiàn)遙控開井、關(guān)井和遠(yuǎn)程產(chǎn)量調(diào)節(jié)及生產(chǎn)控制。

（3）安防提升。增加消防泵遠(yuǎn)程操作功能；升級平臺登臨方式；增設(shè)防外部人員非法登臨平臺監(jiān)控和防護(hù)措施，強(qiáng)化井口平臺本質(zhì)安全[4]。

1.1.2 建設(shè)效果

目前已經(jīng)完成1座井口平臺改造工作。實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控、遠(yuǎn)程操控、遙控關(guān)斷、一鍵復(fù)產(chǎn)等功能，人員登臨平臺周期從每日延長至每月，實(shí)現(xiàn)真正意義上的無人化。

1.2 中心平臺少人化

相對井口平臺，中心平臺常設(shè)置有燃?xì)獍l(fā)電機(jī)、燃?xì)馔钙綁嚎s機(jī)、三甘醇脫水、脫烴系統(tǒng)等，工藝流程復(fù)雜、動設(shè)備多，如果進(jìn)行中心平臺無人化，則投資成本和安全風(fēng)險將大幅度提升，且國際上尚無實(shí)施案例。主要思路如下：

（1）減少現(xiàn)場巡檢人員。增加現(xiàn)場工藝參數(shù)監(jiān)測點(diǎn)位；完善視頻監(jiān)控；增設(shè)電動閥、電動油嘴等提升中心平臺自動化水平；利用智能機(jī)器人替代人工巡檢；降低現(xiàn)場人員巡檢工作量，最大限度減少巡檢人員。

（2）減少現(xiàn)場維修人員。增加智能設(shè)備管理軟件，實(shí)現(xiàn)儀表、閥門智能診斷和管理；實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、故障預(yù)警，減少設(shè)備非計(jì)劃停車次數(shù)，降低現(xiàn)場人員檢修工作量，最大限度減少現(xiàn)場維修人員。

（3）減少項(xiàng)目施工人員。采用“訂單式維修”模式，大型維修作業(yè)由陸地維修隊(duì)負(fù)責(zé)，在陸地實(shí)施預(yù)制，減少現(xiàn)場維修作業(yè)工作量，將項(xiàng)目施工人員后移至陸岸終端，減少現(xiàn)場項(xiàng)目施工人員。

通過中心平臺少人化改造，中心平臺現(xiàn)場人員預(yù)計(jì)減少30%。

1.3 綜合管理一體化

在陸岸終端建設(shè)綜合管理一體化平臺，集成相關(guān)管理平臺，避免形成“數(shù)據(jù)孤島”，可同時實(shí)現(xiàn)海上井口平臺、中心平臺、水下生產(chǎn)設(shè)施、陸岸終端全覆蓋，實(shí)現(xiàn)對油氣生產(chǎn)全過程的實(shí)時監(jiān)控、遠(yuǎn)程操作、協(xié)同作業(yè)、應(yīng)急管理、專家支持等，打破以往跨專業(yè)間封閉的工作模式，提高遠(yuǎn)程操作、生產(chǎn)運(yùn)行效率和決策水平。

海上平臺綜合管理一體化平臺之間的通信方式主要包括以下兩種：①衛(wèi)星通信。為保證生產(chǎn)穩(wěn)定，海上平臺和一體化管理平臺之前的相互通信通過衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過測試，當(dāng)帶寬達(dá)512 kb時，遠(yuǎn)程操控和現(xiàn)場操控?zé)o延遲，可實(shí)現(xiàn)海上平臺的遠(yuǎn)程操控。②微波通信。微波通信具有傳輸數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，海上平臺的視頻監(jiān)控、輔助檢測系統(tǒng)如振動檢測系統(tǒng)、能耗檢測系統(tǒng)、智能調(diào)配氣系統(tǒng)等均通過微波實(shí)現(xiàn)雙向通信。綜合管理一體化管理平臺與海上平臺共設(shè)計(jì)三條微波鏈路，每條鏈路設(shè)計(jì)通信能力為80 Mbit/s。

海上井口平臺與中心平臺之間的通信采用光纜的方式實(shí)現(xiàn)，綜合管理一體化平臺和陸地數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)傳輸采用運(yùn)營商專線實(shí)現(xiàn)（圖1）。

圖1 海上平臺與陸地通信示意圖Fig.1 Communication diagram between offshore platform and land

綜合管理一體化平臺共設(shè)置8大功能模塊，包括遠(yuǎn)程監(jiān)控、生產(chǎn)管理、資產(chǎn)管理、能耗管理、調(diào)度管理、安全管理、仿真培訓(xùn)、專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、生產(chǎn)可視化、跨專業(yè)協(xié)同作業(yè)、跨管理層級協(xié)同調(diào)度指揮、跨地域?qū)＜疫h(yuǎn)程支持，起到了海上與陸地油氣生產(chǎn)“作戰(zhàn)部”和“指揮部”的作用。

綜合管理一體化平臺的應(yīng)用將徹底改變原平臺設(shè)備管理、項(xiàng)目管理、人員作業(yè)的工作模式[5]。采用“訂單式維修”模式，由陸地操控中心統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一管理，為平臺提供物料、人員、技術(shù)、數(shù)據(jù)、管理等方面的支持，大幅度降低海上作業(yè)人員數(shù)量和技能要求，實(shí)現(xiàn)海上作業(yè)人員向陸地轉(zhuǎn)移。同時為各專業(yè)協(xié)同作業(yè)、應(yīng)急事件處置、專家輔助支持、不同層級管理人員指揮提供數(shù)據(jù)支持和可視化人機(jī)交互界面，大幅提高生產(chǎn)運(yùn)營效率。

2 智能化建設(shè)關(guān)鍵內(nèi)容

2.1 智能巡檢機(jī)器人

通過在平臺各層甲板以及終端部署智能巡檢機(jī)器人，利用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對壓縮機(jī)、泵、管道、容器等生產(chǎn)工藝設(shè)備的指針式壓力表、指針式溫度表、環(huán)境中氣體、噪聲、溫度進(jìn)行監(jiān)測，識別異常工況，并進(jìn)行預(yù)警，從而替代人工巡檢，減輕現(xiàn)場員工的勞動強(qiáng)度，降低人工巡檢的安全風(fēng)險，實(shí)現(xiàn)有效、可靠巡檢，提升設(shè)備的本質(zhì)安全管理[6]。

智能機(jī)器人具有5項(xiàng)功能：①圖像智能識別功能，通過對識別的圖像和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的圖像進(jìn)行對比，對異常工況進(jìn)行預(yù)警，并拍照取證[7]；②火災(zāi)識別功能，利用紅外頻譜功能準(zhǔn)確識別現(xiàn)場火源；③熱成像功能，利用熱成像技術(shù)檢測異常熱源，及時識別設(shè)備和管線的跑冒滴漏現(xiàn)象；④激光可燃?xì)鈾z測功能，選用高精度、高選擇性、快速響應(yīng)的激光可燃?xì)鈾z測儀器進(jìn)行天然氣泄漏檢測[8]；⑤音頻識別功能，實(shí)時檢測遠(yuǎn)傳環(huán)境噪音，后臺識別，檢測設(shè)備運(yùn)行工況。

2.2 智能調(diào)配氣系統(tǒng)

氣田共包括3 個氣田群、100 余口生產(chǎn)井，各平臺以及各單井之間組分差異巨大，單井組分甲烷含量范圍25%～81%（體積分?jǐn)?shù)）。下游共有5 個用戶，各用戶組分差異明顯，且用戶對于組分波動較為敏感，組分的異常波動會導(dǎo)致下游用戶跳車，經(jīng)濟(jì)損失難以估量。

智能調(diào)配氣系統(tǒng)采用兩級聯(lián)控的方式，即優(yōu)先通過對單井或井口平臺的調(diào)整，降低組分波動的幅度；組分波動氣到達(dá)陸岸終端后，通過自動調(diào)整工藝流程中的調(diào)節(jié)閥和脫碳系統(tǒng)的處理量，最終實(shí)現(xiàn)銷售氣滿足下游用戶的需求。

通過上線智能調(diào)配氣系統(tǒng)，建立全流程模型、單井供氣模型、海管儲氣和緩沖模型、調(diào)配氣控制閥流量特性曲線，并引入“大數(shù)據(jù)”“智能學(xué)習(xí)”等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)算法的自動優(yōu)化[9]。最終實(shí)現(xiàn)異常工況預(yù)警、單井氣量和銷售氣量的優(yōu)化調(diào)整、異常生產(chǎn)工況組分波動處理，在實(shí)現(xiàn)銷售氣量最大化的前提下，保證下游用戶穩(wěn)定生產(chǎn)，降低生產(chǎn)運(yùn)行成本。

2.3 綜合管理一體化平臺

綜合管理一體化平臺建設(shè)目標(biāo)是通過工作方式、管理機(jī)制的變革和流程的優(yōu)化，利用自動化、數(shù)字化和智能化等技術(shù)手段，建立一套決策系統(tǒng)，用于海洋油氣田遠(yuǎn)程監(jiān)控、生產(chǎn)運(yùn)行和應(yīng)急指揮；打破以往跨專業(yè)間封閉的工作模式，實(shí)現(xiàn)多專業(yè)高效協(xié)同作業(yè)和生產(chǎn)操作精細(xì)化管理；充分發(fā)揮各領(lǐng)域技術(shù)專家優(yōu)勢，共享系統(tǒng)內(nèi)知識與經(jīng)驗(yàn)；提升海上油氣田自動化和數(shù)字化水平；轉(zhuǎn)變現(xiàn)有生產(chǎn)運(yùn)營方式，實(shí)現(xiàn)決策點(diǎn)后移；利用大數(shù)據(jù)和人工智能算法深入挖潛數(shù)據(jù)價值，為生產(chǎn)運(yùn)營、指揮和應(yīng)急響應(yīng)提供數(shù)據(jù)支持，助推公司實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

綜合管理一體化的實(shí)施將全面推動海上平臺業(yè)務(wù)重構(gòu)、管理流程優(yōu)化、管理效率提升、管理機(jī)制變革，加快推進(jìn)海上氣田生產(chǎn)運(yùn)營數(shù)字化和智能化。

3 結(jié)論

（1）井口平臺無人化、中心平臺少人化建設(shè)將最大限度地減少現(xiàn)場作業(yè)人員數(shù)量，實(shí)現(xiàn)作業(yè)人員從海上向陸地的轉(zhuǎn)移，改善員工工作環(huán)境，體現(xiàn)公司以人為本的管理理念。

（2）綜合管理一體化平臺具有基礎(chǔ)服務(wù)、全面感知、整體協(xié)作、科學(xué)決策等特點(diǎn)，是對目前海洋油氣田海上生產(chǎn)裝置的運(yùn)營模式的創(chuàng)新與探索，將全面推動海洋石油平臺進(jìn)行業(yè)務(wù)重構(gòu)、管理流程優(yōu)化、管理效率提升，促進(jìn)海上油氣開發(fā)的變革和轉(zhuǎn)型。

（3）智能化新技術(shù)的探索與應(yīng)用將推動海洋石油與數(shù)字化、智能化技術(shù)的結(jié)合，有效降低海上油氣開采成本，同時實(shí)現(xiàn)降本、提質(zhì)、增效，重塑企業(yè)低成本優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展[10]。

（4）在智能化氣田的建設(shè)過程中將逐步建立和完善我國海上平臺油氣開采的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，同時促進(jìn)海上石油平臺在設(shè)計(jì)、建造、使用各個階段標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的更新。