大數(shù)據(jù)分析在油氣田資產(chǎn)設(shè)備管理中的應(yīng)用

王煜彤 周靖偉 王維 喻炫耀

（1.中國石油工程建設(shè)有限公司（CPECC）行政事務(wù)部 北京 100011；2.中國石油工程建設(shè)有限公司（CPECC）北京設(shè)計(jì)分公司工藝室 北京 100085；3.中國石油工程建設(shè)有限公司（CPECC）中東地區(qū)公司 北京 100011；4.中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲運(yùn)學(xué)院 北京 102249）

1 目前油田企業(yè)中資產(chǎn)設(shè)備管理中的不足

1.1 很多老舊設(shè)備沒有臺賬

當(dāng)油氣田運(yùn)行20年以后，很多設(shè)備老化，腐蝕破壞嚴(yán)重，這些老化了的設(shè)備很容易出現(xiàn)或誘發(fā)各種問題，設(shè)備自身的功能大打折扣或失效不能使用，嚴(yán)重影響油田正常生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)效益，甚至引發(fā)嚴(yán)重事故［1］。由于設(shè)備使用時間過長，管理與操作人員變化，這些設(shè)備的臺賬慢慢找不到了。如果出現(xiàn)設(shè)備故障或事故，常常找不到臺賬來分析原因，無法快速、正確地制定針對性的有效對策［2］。

1.2 不重視設(shè)備的維修保養(yǎng)

很多油氣田單位和個人為了效益拼命生產(chǎn)，根本不考慮設(shè)備的維修保養(yǎng)，不少設(shè)備帶著故障運(yùn)行生產(chǎn)。長時間的連續(xù)生產(chǎn)會加速這些設(shè)備的損壞，或引起停產(chǎn)，或引發(fā)重大事故，獲小利而丟大利［3］。若對一些設(shè)備只小修，不大修，生產(chǎn)斷斷續(xù)續(xù)，總體效率大大降低［4］。

1.3 設(shè)備管理人員技術(shù)水平不高

一些老員工有經(jīng)驗(yàn)但缺少先進(jìn)理論或在計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)飛速發(fā)展時代跟不上先進(jìn)步伐，一些年輕的員工計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)水平高但缺少實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，因此，資產(chǎn)設(shè)備技術(shù)總體水平相對落后。在此條件下，一些設(shè)備的安全隱患沒及時發(fā)現(xiàn)。一個設(shè)備的安全隱患會引發(fā)其他設(shè)備的生故障，或從量變到質(zhì)變引發(fā)重大事故［5］。

油田企業(yè)的健康發(fā)展與相關(guān)設(shè)備的可持續(xù)生產(chǎn)緊密相關(guān)［6］。大數(shù)據(jù)分析、智能學(xué)習(xí)在油田地面設(shè)備管理方面目前正處于起步階段［7-8］。近年來，中國石油工程建設(shè)有限公司（CPECC）北京設(shè)計(jì)分公司在利用大數(shù)據(jù)分析在油氣田設(shè)備管理方面取得了長足進(jìn)步，獲得了很好的管理效果。下文將主要介紹本公司（CPECC）油氣田資產(chǎn)設(shè)備數(shù)字化管理基礎(chǔ)與特點(diǎn)、決策樹信息流系統(tǒng)生成與事故防控方法、資產(chǎn)設(shè)備完整性管理的信息化實(shí)施方案、基于大數(shù)據(jù)算法的機(jī)泵選型及分析技術(shù)開發(fā)應(yīng)用、研發(fā)位列國際前沿的油田地面數(shù)字化平臺和實(shí)施效果鑒。

2 油氣田資產(chǎn)設(shè)備數(shù)字化管理基礎(chǔ)與特點(diǎn)

油氣田資產(chǎn)設(shè)備設(shè)施分為5個大類：設(shè)備、工藝管線、閥門、儀控設(shè)備和控制系統(tǒng)。設(shè)備又分為工藝設(shè)備、電氣設(shè)備和消防設(shè)備3類。

根據(jù)設(shè)備的電氣屬性，設(shè)備又分為動設(shè)備和靜設(shè)備。油氣田資產(chǎn)設(shè)備數(shù)字化管理覆蓋的關(guān)鍵動設(shè)備有離心泵（懸臂式、兩端支承式、懸吊式）、往復(fù)泵、螺桿泵（單螺桿、雙螺桿）、混輸泵、壓縮機(jī)（離心式、往復(fù)式、螺桿式）、發(fā)電機(jī)（柴油發(fā)電機(jī)、汽輪發(fā)電機(jī)）等。此次研究范圍需要覆蓋的關(guān)鍵靜設(shè)備有原油儲罐、產(chǎn)出水儲罐、三相分離器、脫水器、脫鹽器、原油穩(wěn)定塔等。

本公司（CPECC）自主開發(fā)了一整套油田企業(yè)資產(chǎn)設(shè)備完整性管理的信息化實(shí)施方案，它的主要特點(diǎn)有如下幾點(diǎn)。

（1）針對性。聚焦于油氣田設(shè)備完整性管理，主要研究范圍是設(shè)施、設(shè)備和工具的全壽命、全流程、全狀態(tài)管理。

（2）先進(jìn)性。結(jié)合油氣田設(shè)備完整性管理使用需求，考慮后續(xù)發(fā)展和能力冗余需求，選用當(dāng)前市場主流設(shè)備，采用先進(jìn)的技術(shù)體制、方案設(shè)計(jì)、工程實(shí)施和驗(yàn)收測試方法。確保系統(tǒng)建成后的技術(shù)先進(jìn)性、應(yīng)用先進(jìn)性和工程實(shí)施先進(jìn)性。

（3）可擴(kuò)展性。方案設(shè)計(jì)中，油氣田設(shè)備可增加，也可減少。

（4）靈活性。采用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)油氣田設(shè)備完整性管理系統(tǒng)的不同需求進(jìn)行取舍，特別是靈活的終端接入、數(shù)據(jù)分析等。

（5）可管理性。實(shí)時監(jiān)控、監(jiān)測整個油氣田設(shè)備系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，可以迅速確定故障的名稱、部位、原因、后果。

（6）標(biāo)準(zhǔn)化。油氣田設(shè)備完整性管理系統(tǒng)技術(shù)選型遵從國際、國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

（7）實(shí)用性。使用戶以最便捷的方式獲得最為真實(shí)、實(shí)用且有針對性的信息。

（8）系統(tǒng)性原則。系統(tǒng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲、監(jiān)控、整合、分析及傳輸時，遵循系統(tǒng)的整體性、動態(tài)性、反饋性和封閉性的原則，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在使用過程中不斷優(yōu)化。

（9）安全性原則。保障系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫和相關(guān)安全監(jiān)督管理模型不被破壞。

（10）可靠性原則。系統(tǒng)運(yùn)行在可靠的軟件、硬件基礎(chǔ)上，有較強(qiáng)的容錯能力，確保系統(tǒng)可靠性。

（11）經(jīng)濟(jì)性原則。綜合考慮各種影響設(shè)備安全的因素，對整個系統(tǒng)資源進(jìn)行最優(yōu)化配置，以較小的投入獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。

3 決策樹信息流系統(tǒng)生成與事故防控方法

在滾動軸承的壽命預(yù)測工作中，最終預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確程度取決于預(yù)測模型的結(jié)果。在滾動軸承的壽命預(yù)測過程中，通過建立相關(guān)模型，可以預(yù)估軸承剩余壽命。但是，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)模型預(yù)測壽命的預(yù)測準(zhǔn)確率交低，原因是傳統(tǒng)單一方法不適合解決多變壽命預(yù)測問題，且建模過程中無法確定設(shè)置參數(shù)。針對上述問題，本公司（CPECC）研究了在傳統(tǒng)支持向量回歸模型基礎(chǔ)上，更新了的最小二乘法支持向量回歸模型。

用 CHAID（CHi-squared Automatic Interaction Detector）算法構(gòu)建決策樹。對于輸入變量數(shù)據(jù)為分類型的，CHAID 算法的預(yù)處理方法是直接根據(jù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的結(jié)果，發(fā)掘?qū)δ繕?biāo)變量沒有太大影響的組別進(jìn)行合并。而對于目標(biāo)變量壓力管道失效后果為分類型的，則是采用卡方檢驗(yàn)，反復(fù)檢驗(yàn)與合并，直到輸入變量無法合并為止。對于數(shù)值型的輸入變量數(shù)據(jù)，CHAID 算法的預(yù)處理方法是按分位點(diǎn)進(jìn)行分箱處理，并根據(jù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的結(jié)果，對目標(biāo)變量沒有太大影響的組別進(jìn)行合并。決策樹的核心是從一組無規(guī)則、無次序的樣本數(shù)據(jù)集中經(jīng)過推理得到?jīng)Q策樹表示形式，逼近離散值目標(biāo)函數(shù)的分類規(guī)則。決策樹的生成由兩步組成。第一步，決策樹的生成：由訓(xùn)練樣本集生成決策樹的過程。一般情況下，訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)集是根據(jù)實(shí)際需要由歷史的、有一定綜合程度的、用于數(shù)據(jù)分析處理的數(shù)據(jù)集。第二步，決策樹的剪枝：決策樹的剪枝是對上一階段生成的決策樹進(jìn)行檢驗(yàn)、校正和修正的過程，詳見圖1。

圖1 決策樹的生成過程

在油氣田資產(chǎn)管理項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，將海量的設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)分層次建立數(shù)據(jù)庫模塊，利用決策樹數(shù)據(jù)庫判斷樹分析方法，進(jìn)行量子遺傳算法動態(tài)搜索支持向量機(jī)（LSSVR）計(jì)算，自動濾去修剪掉部分最不可靠的無效信息，建立設(shè)備故障診斷和預(yù)測模型。在傳感器與通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)助下，信息集中流向油氣田中控室的設(shè)備決策支持系統(tǒng)，自動生成設(shè)備故障列表、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)曲線對比圖、設(shè)備運(yùn)行趨勢分析圖、設(shè)備缺陷分析圖、自動通信報警、自動確定設(shè)備故障位置等。管理人員身在遠(yuǎn)方能見到通信報警，能重點(diǎn)監(jiān)視或巡回監(jiān)視壓縮機(jī)、分離器、鍋爐、油罐等油氣田關(guān)鍵設(shè)備，能讀取故障設(shè)備位置，能及時指揮附近維修人員搶修。該決策樹系統(tǒng)有助于提前有效避免事故的發(fā)生，快速提供設(shè)備檢修決策支持，對節(jié)約資產(chǎn)設(shè)備檢修成本、提高資產(chǎn)設(shè)備利用率具有重要的意義。

（2）數(shù)據(jù)傳輸：通過互聯(lián)網(wǎng)、分布式控制系統(tǒng)（DCS）、局域網(wǎng)和衛(wèi)星通信傳輸?shù)取?/p>

（3）分析數(shù)據(jù)收集模塊：基于設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、環(huán)境參數(shù)、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、歷史事故、專家知識、地圖數(shù)據(jù)等，通過改進(jìn)LSSVR 模型進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析與處理，包括終端布局優(yōu)化、事故風(fēng)險預(yù)測、事故預(yù)警決策、事故應(yīng)急決策、應(yīng)急資源調(diào)度優(yōu)化等。

（4）事故防控指揮中心系統(tǒng)模塊：大數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，包括風(fēng)險發(fā)展趨勢、設(shè)備三維可視化、事故災(zāi)害后果可視化、應(yīng)急處理方案、事故處理實(shí)時展示、搶修資源與搶修路徑可視化。

4 資產(chǎn)設(shè)備完整性管理的信息化實(shí)施方案

本公司（CPECC）北京設(shè)計(jì)分公司以油氣田地面工程的數(shù)字化設(shè)計(jì)為前提，以自動化技術(shù)、通信技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合先進(jìn)信息技術(shù)，面向海外油氣田的運(yùn)營管理需求，形成了適應(yīng)海外油氣田地面工程特點(diǎn)的數(shù)字化、智能化關(guān)鍵技術(shù)解決方案，助力海外油氣田實(shí)現(xiàn)全生命周期數(shù)字化可視化管理、一體化智能化管控、流程化協(xié)同化運(yùn)營。該專項(xiàng)研究將“油氣田設(shè)備完整性管理”應(yīng)用于數(shù)字化、智能化油田地面系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)油氣田設(shè)備的全生命周期數(shù)據(jù)管理、設(shè)備預(yù)測性維護(hù)等功能，為油氣田整體運(yùn)營降本增效。油田企業(yè)資產(chǎn)設(shè)備完整性管理的信息化實(shí)施方案的部分成果如下。

（1）油氣田設(shè)備完整性的信息化管理系統(tǒng)，包括原理、技術(shù)特點(diǎn)、實(shí)施步驟、功能的實(shí)現(xiàn)、國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀等。

（2）油氣田資產(chǎn)設(shè)備完整性管理信息化，包括油田企業(yè)設(shè)備管理中存在的問題、完整性管理的理論、軟件支持與完整性管理體系的構(gòu)建等。有針對性地提出油氣田資產(chǎn)設(shè)備完整性管理的信息化系統(tǒng)總體架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備風(fēng)險管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，最終實(shí)現(xiàn)整個油氣田設(shè)備完整性管理的信息化應(yīng)用。

（3）以可靠性為中心的維修（RCM）技術(shù)，包括該技術(shù)的技術(shù)原理、分析方法、實(shí)施步驟、國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀等。針對動設(shè)備管理內(nèi)容和常見問題，制訂了基于RCM的油氣田設(shè)備完整性管理技術(shù)方案，建立了油氣田常見動設(shè)備的診斷分析模型，即壓縮機(jī)設(shè)備故障診斷模型、泵診斷分析模型及發(fā)電機(jī)診斷分析模型等。

雖然有的部門已經(jīng)建立了財(cái)務(wù)風(fēng)險內(nèi)部監(jiān)督機(jī)制，但是在崗位設(shè)置和職責(zé)上缺乏獨(dú)立性和權(quán)威性。例如：A企業(yè)的監(jiān)督檢查人員與各部門之間存在著依附關(guān)系，不能徹底履行崗位職責(zé)，監(jiān)督檢查效果可想而知；A企業(yè)的每個崗位并沒有業(yè)績績效考核制度，使得制度流于形式、成為一個空頭文件。

（4）基于風(fēng)險的檢驗(yàn)（RBI）技術(shù)，包括該技術(shù)的技術(shù)原理、分析方法、實(shí)施步驟、國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀等。針對油田靜設(shè)備應(yīng)用特點(diǎn)和常見管理問題，制訂了基于RBI 的油氣田設(shè)備完整性管理技術(shù)方案，建立了油氣田常見靜設(shè)備的診斷分析模型，即罐診斷分析模型、塔診斷分析模型和管道診斷分析模型。

（5）應(yīng)用大數(shù)據(jù)方法、智能學(xué)習(xí)方法，特別是智能化決策樹學(xué)習(xí)算法。

（6）對軟件RBI、RCM、腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)、油氣田設(shè)備完整性的信息化管理系統(tǒng)等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)接口和登錄界面的集成，以及與數(shù)據(jù)湖數(shù)據(jù)傳輸接口的集成，實(shí)現(xiàn)油氣田地面設(shè)備的數(shù)字化、智能化運(yùn)營維護(hù)。

（7）開發(fā)了基于大數(shù)據(jù)算法的機(jī)泵選型及分析技術(shù)，獲得國有發(fā)明專利。

（8）研發(fā)了位列國際前沿的油氣田地面數(shù)字化平臺。

（9）研發(fā)了基于動設(shè)備RCM的設(shè)備全生命周期管理技術(shù)。

（10）進(jìn)行了企業(yè)資產(chǎn)管理（EAM）系統(tǒng)在油氣田設(shè)備完整性管理中要點(diǎn)分析。

（11）研發(fā)了一種油氣田地面靜設(shè)備智能化維護(hù)系統(tǒng)，申請國家發(fā)明專利。

（12）總結(jié)了工程應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，明確了資產(chǎn)設(shè)備管理的發(fā)展方向。

5 基于大數(shù)據(jù)算法的機(jī)泵選型及分析技術(shù)開發(fā)應(yīng)用

油氣田設(shè)備在內(nèi)外環(huán)境綜合作用下，運(yùn)行時間越長，腐蝕越嚴(yán)重，發(fā)生事故的可能性越來越大，嚴(yán)重影響了設(shè)備的安全平穩(wěn)運(yùn)行。針對Back Propagation 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的波動大、收斂慢的不足，首先開發(fā)利用一種改進(jìn)的、具有很強(qiáng)的宏觀搜索能力的遺傳算法，宏觀搜索后，再進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算和預(yù)測評判。在此基礎(chǔ)上，我公司（CPECC）北京設(shè)計(jì)分公司發(fā)明了一種基于大數(shù)據(jù)算法的機(jī)泵選型及分析技術(shù)（發(fā)明專利號ZL 2020 1 0392060.8）。該機(jī)泵選型及分析技術(shù)能自動基于某機(jī)泵設(shè)備原始與運(yùn)行數(shù)據(jù)，組合該機(jī)泵設(shè)備數(shù)據(jù)并建立數(shù)據(jù)庫，自動基于該數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算與分析，自動對該數(shù)據(jù)庫進(jìn)行挖掘并生成預(yù)測模型，同時，自動進(jìn)行設(shè)備選型評估。其中，生成數(shù)據(jù)庫的過程包含數(shù)據(jù)的采集、導(dǎo)入、統(tǒng)一格式、分小類存儲等。通過計(jì)算機(jī)，利用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、對比、分析，得到機(jī)泵選型的概率分布，進(jìn)行故障預(yù)測與效率評估，同時得到效率域。利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對數(shù)據(jù)庫存進(jìn)行挖掘，生成泵型、效率、故障位置與故障頻率的預(yù)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)長期、永遠(yuǎn)、隨時對某個項(xiàng)目的所有機(jī)泵量化指標(biāo)、比選泵型、預(yù)測故障、分析能耗、給出選型意見等。

6 研發(fā)位列國際前沿的油田地面數(shù)字化平臺

在國內(nèi)自動化控制和可視化效果基礎(chǔ)上，本公司（CPECC）北京設(shè)計(jì)分公司先后與貝克休斯、哈里伯頓、美國GE 公司、意大利PEG 公司斯倫貝謝等20 多個國

際知名公司對標(biāo)、合作、交流，選擇性吸收其數(shù)字化經(jīng)驗(yàn)，以云技術(shù)存儲、大數(shù)據(jù)分析、自動工作流為手段，系統(tǒng)整合了油田勘探、開發(fā)、工程建設(shè)、生產(chǎn)運(yùn)行、安全防范等業(yè)務(wù)，建立了達(dá)到國際先進(jìn)水平的哈法亞油田數(shù)字化四級平臺，該“順風(fēng)耳”與“千里眼”打破了部門和地域的壁壘，具有“多地域、多專業(yè)協(xié)同”“一體化遠(yuǎn)程監(jiān)測、分析、決策”“事后響應(yīng)轉(zhuǎn)為事前預(yù)測”的特點(diǎn)，首開中國石油海外項(xiàng)目數(shù)字化和智能化油田建設(shè)先河，為全面實(shí)現(xiàn)油田現(xiàn)代化管理打好了基礎(chǔ)。哈法亞油田因此實(shí)現(xiàn)了智能化、信息化、可視化、現(xiàn)代化管理，減少了人員編制，提高了經(jīng)濟(jì)效益，哈法亞油田數(shù)字化四級平臺適用于所有油氣田項(xiàng)目。以哈法亞油田為例的數(shù)字化四級平臺參見圖2和圖3。

圖2 哈法亞油田數(shù)字化平臺

圖3 哈法亞油田數(shù)字化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

7 實(shí)施效果

本公司（CPECC）的大數(shù)據(jù)分析在油氣田設(shè)備管理方法，已經(jīng)在伊拉克哈法亞油田、敘利亞GBEIBE 油田、土庫曼巴格德雷合同區(qū)域A區(qū)塊、伊拉克艾哈代布油田等油田推廣應(yīng)用，預(yù)測評判性能和精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于一般的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，提高了安全水平、資產(chǎn)設(shè)備管理水平、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，保證了油田企業(yè)的可持續(xù)持久健康發(fā)展，提高了本公司的核心競爭力，推廣前景廣闊。