國內(nèi)外數(shù)字油田技術發(fā)展趨勢及策略

（中國石油勘探開發(fā)研究院）

技術創(chuàng)新是驅(qū)動油氣行業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展的核心，而數(shù)字化技術是當前最重要的技術發(fā)展領域。在前幾年的低油價及目前的中低油價形勢下，油公司越來越重視數(shù)字化轉(zhuǎn)型，致力于通過數(shù)字化降低運營成本，提升運營績效，獲取長期收益。

1 油氣行業(yè)上游數(shù)字化發(fā)展態(tài)勢

1.1 國外油公司注重數(shù)字化轉(zhuǎn)型

近年，受長期低油價影響，油氣行業(yè)上游資本支出減少，油公司資產(chǎn)負債表變差，現(xiàn)金流量減少，勞動力不穩(wěn)定，經(jīng)營面臨嚴峻挑戰(zhàn)。在此背景下，油公司日益重視數(shù)字化轉(zhuǎn)型，以此幫助石油公司提高運營績效，更好地適應不斷變化的行業(yè)商業(yè)環(huán)境。艾默生公司研究表明，油氣行業(yè)上游通過數(shù)字化轉(zhuǎn)型，可使營業(yè)表現(xiàn)從平均水平提升到中上水平，油氣產(chǎn)量可提高7%～8%，租賃和運營成本減少2%～3%，且運營的不確定性明顯降低[1]。

根據(jù)IHS Markit公司數(shù)據(jù)，近年國際石油公司數(shù)字化投資在科技投入中占比升高，已成為石油公司與服務商技術合作的首要領域。石油公司的投資構成表明，2014年以來的低油價并未阻礙石油公司的技術投資，2016年與2018年的技術風險投資甚至有較大增幅（圖1）。上游技術投資主要涉及清潔能源技術、勘探技術、開發(fā)技術、數(shù)字化技術4個領域，數(shù)字化技術的占比在2013年以后有明顯提升[2]。各類石油公司關注的領域有所不同，獨立石油公司更關注能夠短期見效、直接降低成本的數(shù)字化方案，跨國石油公司則偏好能夠給公司帶來整體效率提升的綜合平臺和一體化方案[3]。

圖1 油公司風險投資技術領域分布

1.2 油氣數(shù)字化技術發(fā)展狀況

油氣工業(yè)數(shù)字技術集中在大數(shù)據(jù)、高性能計算、用戶交互、自動化、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實、實時分析、仿真建模、智能設備、機器學習、移動終端、機器人等12個領域[4]。例如，物聯(lián)網(wǎng)可以通過功能強大的智能化軟件實施監(jiān)控；傳感器可以監(jiān)控石油鉆塔、煉油廠、車輛和電力系統(tǒng)，并傳輸數(shù)據(jù)、提供機械系統(tǒng)的數(shù)字表示。大數(shù)據(jù)軟件可對傳感器網(wǎng)絡產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)快速處理分析，建立并優(yōu)化仿真模型。

IHS Markit公司按技術成熟度由高到低，將油氣數(shù)字化技術發(fā)展分為4個階段：廣泛應用、技術可行、已論證概念、未論證概念。又將數(shù)字化技術分為6個類型：數(shù)據(jù)獲取、組合數(shù)字化、流程自動化、創(chuàng)新工作流、轉(zhuǎn)換工作流、資源生命周期[3]。BP公司則將數(shù)字化技術分為4個層級[5]：第一層級已在油氣領域得到廣泛應用；第二層級已在一些油氣領域開始部署，有進一步擴大的潛力；第三層級是油氣行業(yè)正在進行創(chuàng)新突破的領域；第四層級的數(shù)字技術還處于早期階段，在未來具備很大潛力。各層級主要技術詳見表1。

表1 BP公司數(shù)字化技術層級

美國艾默生公司設計了油氣上游數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)（圖2），通過提供綜合的遠程傳感，將預測分析和先進診斷相結合的軟硬件解決方案，從而做出生產(chǎn)決策。其中，實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)和油藏管理軟件組合，可對勘探與生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)進行集成優(yōu)化[6]。

2 油氣行業(yè)上游數(shù)字化轉(zhuǎn)型方案

數(shù)字化轉(zhuǎn)型擁有構建流程自動化、決策支持、人員技能提升、移動應用和變革管理等5項基本能力。油氣行業(yè)上游數(shù)字化是對勘探與生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)進行集成優(yōu)化，包括地震處理與成像，地震與地質(zhì)解釋，形成評估方案，油藏表征及靜態(tài)建模，油井設計，油藏工程模擬，油井施工、鉆探、地質(zhì)導向，生產(chǎn)建模等。數(shù)字化使石油公司可及時有效地了解分析油藏性狀、遠程采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)、優(yōu)化工作流程和物流，實現(xiàn)解放員工、提高效率、降低成本。國內(nèi)外油氣勘探開發(fā)公司、油服公司和數(shù)字技術服務公司在數(shù)字化轉(zhuǎn)型方面表現(xiàn)出6個主要趨勢。

圖2 美國艾默生公司油氣上游工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化方案

2.1 油田自動化生產(chǎn)優(yōu)化

油氣田的自動化生產(chǎn)優(yōu)化是數(shù)字化最重要應用領域之一，用數(shù)字技術優(yōu)化油井設計和生產(chǎn)操作，通過預測事件提高油田的運營效率，優(yōu)化生產(chǎn)。美國能源信息署（EIA）預計，2019年美國陸上石油產(chǎn)量每天增加100多萬桶，主要來自非常規(guī)石油開采。為了實現(xiàn)生產(chǎn)和資本效率目標，非常規(guī)油氣生產(chǎn)商通過優(yōu)化設計和生產(chǎn)運營使現(xiàn)場生產(chǎn)力最大化[7]。

例如，構建一個基于云的數(shù)字油田平臺，將傳感器實時數(shù)據(jù)無縫連接到集成的儲層井地面設施模擬分析，通過實時監(jiān)控、處理和解釋生產(chǎn)數(shù)據(jù)，準確預測油田動態(tài)，形成可操作的方案決策，如優(yōu)化完井設計、最大產(chǎn)量設置、地下自動校準和最佳注入量的持續(xù)更新等，從而提高整個油田的運營效率（圖3）。

2.2 基于數(shù)字化的預測性維護

近年，石油市場價格在中低位波動，生產(chǎn)商專注于降低運營和維護成本，以保持盈利能力。油田生產(chǎn)設備常年暴露在惡劣的自然條件中，設備故障在所難免。據(jù)統(tǒng)計，由于很多昂貴的生產(chǎn)設備長期暴露在惡劣環(huán)境中，非計劃停工導致油公司每年損失超過200億美元。如果能夠延長設備壽命或者減少停機時間，可以大大提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。

改進操作、增加正常運行時間的工作涉及識別、采購和集成單個井場操作的復雜過程。數(shù)字化方案能夠?qū)⑦h程傳感器與嵌入式診斷集成在資產(chǎn)管理系統(tǒng)中，而無需將人員安置在危險區(qū)域。收集到的設備性能數(shù)據(jù)被發(fā)送到中央控制室進行分析和處理，油氣生產(chǎn)商可實時了解設備的運行和性能，技術人員能夠?qū)υO備狀態(tài)進行預測性維護，減少或避免停機時間。

2.3 構建工業(yè)物聯(lián)提高運行績效

整個油氣行業(yè)在推動設備和系統(tǒng)的廣泛采用和集成，利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIOT）提高運營績效、實現(xiàn)盈利。油氣上游資產(chǎn)密集度高、操作距離遠、工作環(huán)境危險，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的需求更加迫切。建立工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)需要合理化人工流程，整合孤立的決策支持工具，更新低效的運營實踐[8]。

目前，市場上已有一系列可用于油氣行業(yè)的數(shù)字自動化解決方案，從傳感技術、資產(chǎn)管理軟件、智能流量計到遠程監(jiān)控服務等。一些油公司正在與自動化供應商合作，將業(yè)務數(shù)字化，改變員工與公司新技術、新流程互動方式。從創(chuàng)新的傳感技術、先進的儀器，到數(shù)據(jù)分析和服務，安全地將數(shù)字信息與操作技術數(shù)據(jù)相聯(lián)系，幫助生產(chǎn)商提高效率，實現(xiàn)卓越運營。

2.4 新建海上設備智能調(diào)試

圖3 油田工程技術物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)示例

新建海上平臺需要大量持續(xù)的資本投入，對工程建設的靈活性有較高要求。這使許多公司更審慎地對待海上項目，以期找到克服效率低下的新途徑，努力避免預算增加和工程延遲[9]。新建海上設備可將智能技術納入項目早期開發(fā)階段，這樣可減少現(xiàn)場實地考察行程，取消一些任務環(huán)節(jié)，更好地適應后期項目變更，并簡化整個調(diào)試工作流程。 當需要靈活性來處理可能影響施工的變化條件或其他因素時，生產(chǎn)商可以利用數(shù)字化應用程序，創(chuàng)建委托設施模擬，在不危及資金和建設資源的前提下，對設備進行測試，并將測試結果應用到最終設計中。

2.5 海上設備遠程控制

海上設施的人員配備成本幾乎是陸上運營成本的3倍，偏遠和危險地區(qū)的油氣生產(chǎn)商，必須經(jīng)常在確保專業(yè)人員的不時之需和防止人員受到傷害之間尋求平衡。隨著遠程操作的自動化新技術的出現(xiàn)，這種平衡變得越來越容易。數(shù)字化方案能夠在保障有效的資產(chǎn)監(jiān)控的同時，減少海上員工數(shù)量[10]。通過建立控制中心使專業(yè)人員遠程獲取信息并控制海上設施，從而提高了員工安全性和項目經(jīng)濟性。

海上油氣生產(chǎn)商可以使用成套解決方案，將智能設備技術與實時資產(chǎn)性能和過程控制數(shù)據(jù)相結合，在任何地方通過互聯(lián)網(wǎng)連接，全天候提供智能操作。基于物聯(lián)網(wǎng)的海上平臺解決方案，使用戶可隨時隨地監(jiān)控操作、查看關鍵數(shù)據(jù)。利用無線傳感器和智能設備等基礎組件，通過應用程序自動記錄現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并基于物聯(lián)網(wǎng)平臺將其傳輸?shù)焦芾碓葡到y(tǒng)，然后從陸上訪問該系統(tǒng)的控制中心。這就不需要海上人員在可能危及其健康和安全的危險環(huán)境中花費寶貴時間獲取和記錄相關數(shù)據(jù)。

2.6 與數(shù)字化轉(zhuǎn)型相匹配的管理模式創(chuàng)新

數(shù)字化轉(zhuǎn)型不僅是設備與技術的更新?lián)Q代，更重要的是與之相匹配的管理模式創(chuàng)新。即使在市場經(jīng)濟相對成熟的發(fā)達國家，數(shù)字化轉(zhuǎn)型仍然面臨著傳統(tǒng)組織管理模式帶來的阻礙。從國際石油公司經(jīng)驗來看，管理模式創(chuàng)新主要分為3個方面：一是基于數(shù)字化和智能分析系統(tǒng)的總部統(tǒng)一管理。例如，數(shù)字化技術為采購統(tǒng)一管理提供了可行性與便利性。目前國外大公司多采用集中采購、分散執(zhí)行模式（總部組織集中采購），采購平臺的建設能夠有效縮短總部響應時間，智能分析系統(tǒng)能夠及時檢測和響應物料需求變化，減少了采購重復操作，此外還能有效提高議價能力從而降低采購成本。二是新增就業(yè)人員的減少以及人均薪酬的提升。國際油公司近幾年公布的招聘數(shù)據(jù)來看，專業(yè)更加寬泛、人數(shù)持續(xù)減少，但平均薪酬較往年有所提升。三是拓寬技術獲取方式，靈活采用收購、引進、合作等方式促進技術創(chuàng)新。例如，殼牌、BP等公司均設立了風險投資公司，用于接收其他行業(yè)新技術的合作提案，為技術創(chuàng)新提供來源和儲備。

3 國內(nèi)外油田數(shù)字化典型案例

3.1 殼牌智能油田運營

殼牌通過智能油田方案將采收率提高了10%，油氣產(chǎn)量提高了5%。智能油田可全天候持續(xù)優(yōu)化資產(chǎn)，配產(chǎn)的流程、工具、技術可以幫助團隊全面了解油田當前和預期情況，并提供實時決策和分析；在合適的時間提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)，有效進行現(xiàn)場優(yōu)化；優(yōu)化流程可縮短從現(xiàn)場數(shù)據(jù)到運營決策的周期；智能工具可發(fā)揮各種硬件功能，收集并整合監(jiān)測信息。

3.2 澳大利亞天然氣HSE數(shù)字管理

為了降低健康安全環(huán)保風險，解決外派員工安全問題，優(yōu)化項目性能，澳大利亞天然氣項目建立了數(shù)字油田綜合運營中心，使用預測診斷集中監(jiān)測資產(chǎn)，執(zhí)行選定的自動監(jiān)控以提高安全性能。項目實施后，員工的工作現(xiàn)場往返減少了50%，運營效率提高了3%～25%，減少停機1%～4%。

3.3 新疆油田數(shù)字化應用

在新疆油田風城SAGD井區(qū)，針對現(xiàn)有井口系統(tǒng)陳舊、設備穩(wěn)定性差的問題，通過數(shù)字化轉(zhuǎn)型，采用無線解決方案，實現(xiàn)無人值守、數(shù)字化日常生產(chǎn)運營管理，實時自動監(jiān)控統(tǒng)計，方便基礎設施未來擴建，降低停產(chǎn)維護率，保障油田高效生產(chǎn)。新疆油田冬天低溫達-40～-30℃，準東采油廠針對傳統(tǒng)井口變送器液晶屏顯示不正常問題，采用WPG指針式無線壓力變送器，可隨時讀取壓力信息，為類似地區(qū)提供示范。在克拉美麗氣田，采用智能無線技術采集井口工藝參數(shù)，通過無線通信將井口監(jiān)控數(shù)據(jù)傳送至位于集氣站的控制系統(tǒng)，從而降低了人工巡檢勞動強度，也提高了氣井生產(chǎn)的可靠性[11]。

4 對中國石油企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的建議

4.1 制定與人力資源戰(zhàn)略相結合的數(shù)字化轉(zhuǎn)型路徑

我國石油企業(yè)肩負著很多社會責任，不能像國外石油公司根據(jù)經(jīng)營情況隨時調(diào)整人員結構和數(shù)量，這成為數(shù)字化轉(zhuǎn)型的潛在壓力。一些人認為，數(shù)字化轉(zhuǎn)型就是用機器人取代勞動力，通過裁員來降低成本。事實上，數(shù)字化轉(zhuǎn)型與人力資源戰(zhàn)略并不矛盾，并且相互促進。一方面，現(xiàn)有人員可以從事更高級的崗位，獲得更大自由度和較高收入；另一方面，數(shù)字化轉(zhuǎn)型可以與公司人力資源變化趨勢對接，使人力需求數(shù)量與人員退休趨勢相適應。數(shù)字化可使未來人才缺口逐步減少，減少人員增量，平穩(wěn)降低人力負擔。

4.2 以老油田為基礎，選擇適合的數(shù)字化項目

我國多數(shù)油田處于開發(fā)后期，成本高、單井日產(chǎn)量少，當前的困境給數(shù)字化轉(zhuǎn)型增加了阻力。應該認識到，不是只有大企業(yè)、新項目需要轉(zhuǎn)型，越是困難的時候，就越是需要先進的方法改善經(jīng)營困局。一方面，現(xiàn)在很多大公司的數(shù)字化方案基本實現(xiàn)了模塊可拆分、規(guī)?？煽?，為不同情況的油藏提供定制化服務；另一方面，數(shù)字化轉(zhuǎn)型通過精細油藏評價、實時動態(tài)的運營維護，可以顯著提高采收率，提高石油企業(yè)效益，這對落實國家關于大力提升勘探開發(fā)力度具有重要意義。

4.3 數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術創(chuàng)新是核心

脫離方法和技術創(chuàng)新的數(shù)字化，只是原有流程的自動化，不是真正的數(shù)字化。辦公自動化系統(tǒng)、財務系統(tǒng)、生產(chǎn)優(yōu)化系統(tǒng)取得了很大進步，降低了管理成本，提高了勞動效率。這類項目是對原有流程的自動化處理，屬于“做得更快”的改進。先進的油田數(shù)字化轉(zhuǎn)型應該與自動化油藏評價、智慧油藏控制、物聯(lián)網(wǎng)、機器人等先進技術結合，通過“做得更好”來提高采收率，降低生產(chǎn)風險，提高單井產(chǎn)量，實現(xiàn)油田效益的長久提升。