油田運(yùn)營的數(shù)字化應(yīng)用現(xiàn)狀與前景分析

吳子現(xiàn)，王寶貴

（中國海洋石油國際有限公司，北京 100028）

數(shù)字油田是全面信息化的油田，即指以信息技術(shù)為手段全面實現(xiàn)油田實體和企業(yè)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和可視化。數(shù)字化的油田運(yùn)作模式，以及智能化無人化的探索實踐，在過去幾十年來無疑為提高效率和降低成本做出了突出的貢獻(xiàn)。在當(dāng)前能源革命、能源轉(zhuǎn)型加速的背景下，傳統(tǒng)的油氣行業(yè)必須致力于打造更高效率和更低成本的作業(yè)模式以保持未來的發(fā)展可持續(xù)性。

本文通過分析目前油田管理數(shù)字化實踐，分析該轉(zhuǎn)型為油田運(yùn)營帶來的效益，以及未來的增長潛力。

1 數(shù)字化油田的概念

數(shù)字化油田是一種將業(yè)務(wù)流程管理與數(shù)字技術(shù)相結(jié)合的概念，以實現(xiàn)工作流程自動化，從而最大限度地提高生產(chǎn)力、降低成本，并最大限度地降低與石油和天然氣運(yùn)營相關(guān)的安全和商業(yè)風(fēng)險。

數(shù)字化油田正在推動各種技術(shù)的采用，這些技術(shù)將收集各種形式的運(yùn)營數(shù)據(jù)與現(xiàn)場作業(yè)實際相結(jié)合，以推動新的基于數(shù)據(jù)分析的決策。這些新技術(shù)應(yīng)用是數(shù)字化油田實現(xiàn)更高效率的關(guān)鍵。

數(shù)字化油田的概念貫穿了從勘探直到開發(fā)生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)，甚至企業(yè)的數(shù)字化運(yùn)營環(huán)境，包括ERP、供應(yīng)鏈，都在完整的數(shù)字油田的概念里。本文主要探討數(shù)字化技術(shù)在油田生產(chǎn)過程中的運(yùn)用實踐，主要包括油藏開發(fā)優(yōu)化、生產(chǎn)優(yōu)化、二次采油優(yōu)化、修井優(yōu)化。

2 數(shù)字化油田現(xiàn)有使用場景

數(shù)字化油田技術(shù)近年來得到了石油公司的大力推廣，在世界主要產(chǎn)油區(qū)如中東、北海和美洲區(qū)域都有比較廣泛的應(yīng)用。不斷進(jìn)步的數(shù)字化技術(shù)使得石油生產(chǎn)公司內(nèi)各層級的人能夠執(zhí)行復(fù)雜的分析、診斷，并幫助制定戰(zhàn)略決策。以下是數(shù)字化技術(shù)的幾個典型使用場景。

2.1 聯(lián)合作業(yè)中心

利用海上油田實時傳輸?shù)目梢暬瘮?shù)據(jù)、信息以及圖像，陸地辦公室內(nèi)包括裝備部門、生產(chǎn)部門以及采辦、HSE等部門的跨專業(yè)的人員可以對海上的生產(chǎn)情況進(jìn)行實時分析、支持和決策，為海上安全生產(chǎn)提供迅速準(zhǔn)確的技術(shù)支持。提供給聯(lián)合作業(yè)中心的信息以可視化的方式呈現(xiàn)，并展示作業(yè)支持中心所關(guān)注的關(guān)鍵指標(biāo)。聯(lián)合作業(yè)中心還有效彌合了陸地人員、海上人員和不同班次工作人員之間的溝通障礙，使信息的一致性和決策時效性變得緊密和高效。

2.2 集成的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和響應(yīng)

集成化的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和響應(yīng)包括設(shè)備設(shè)施運(yùn)轉(zhuǎn)狀況、備件情況、產(chǎn)量損失的監(jiān)測和管理。設(shè)備設(shè)施的實時運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸至中控界面，并可通過高速信息網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實時分享，設(shè)備設(shè)施的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況變得可視化。

如圖1所示，油田的主要生產(chǎn)設(shè)備設(shè)施通過一個概覽的方式傳遞給陸地作業(yè)支持中心。在一般的場景中，設(shè)備設(shè)施狀態(tài)會以交通燈的形式展示，并可以利用存儲的歷史信息分析該設(shè)備設(shè)施的運(yùn)轉(zhuǎn)曲線和既往故障數(shù)據(jù)，對以后可能發(fā)生的故障進(jìn)行預(yù)判，提出預(yù)防性維護(hù)方案。

圖1 油田設(shè)備設(shè)施運(yùn)行監(jiān)控界面

該系統(tǒng)具備對數(shù)據(jù)分析和比對的能力，如果分析單臺設(shè)備，歷史的主要參數(shù)和運(yùn)行曲線可以清晰獲知。如果設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)在某一時間段偏離了正常的曲線時，就應(yīng)該進(jìn)行進(jìn)一步分析診斷，并采取準(zhǔn)確的干預(yù)措施。圖2展示了一臺注水泵的當(dāng)前運(yùn)轉(zhuǎn)狀況和歷史運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)，可以通過曲線進(jìn)行直觀地實時對比分析。當(dāng)在一個時間點的運(yùn)轉(zhuǎn)工況發(fā)生變化時，系統(tǒng)會給予提示，這時聯(lián)合作業(yè)中心的人員可以基于此與海上人員進(jìn)行實時的溝通，以采取必要的干預(yù)，并對相關(guān)可能的情況進(jìn)行標(biāo)注。

圖2 一臺注水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)界面

2.3 油水井的監(jiān)測和生產(chǎn)流程優(yōu)化：基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的油藏和油井管理

油井動態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)獲取是實時產(chǎn)量優(yōu)化的重要組成部分，通過井下安裝的多功能傳感器、多相流量計，以及地面的監(jiān)測儀表等設(shè)備，實時將井下的壓力、溫度、油氣水流量、井口壓力和溫度等各類參數(shù)傳輸?shù)娇刂浦行模ㄟ^仿真軟件和油水井動態(tài)擬合，可以判斷油水井是否在最優(yōu)的狀態(tài)下工作，并依此可以幫助識別生產(chǎn)流程的瓶頸，如氣舉量的分配、注水的調(diào)配等，對生產(chǎn)流程進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整，確保油田產(chǎn)量最優(yōu)化、經(jīng)濟(jì)效益最大化。

2.4 虛擬設(shè)施模型和陸上控制

實現(xiàn)海上平臺操作的少人化、無人化，很大程度上依賴于陸地操控中心能否將海上操作的實際場景以異地和數(shù)字化的方式虛擬出來。據(jù)悉當(dāng)前國內(nèi)外已經(jīng)有不少油田實現(xiàn)了遠(yuǎn)程無人化操作，但是相對局限在比較特殊的場景和簡單的控制中。如少數(shù)油田實現(xiàn)了臺風(fēng)撤離后維持生產(chǎn)的能力，給油田在全天候的生產(chǎn)能力帶來了積極的效益，這依賴于海上生產(chǎn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制和應(yīng)急關(guān)斷能力的保證。但需要注意的是，這并不是全天候的遠(yuǎn)程操作，要實現(xiàn)更大范圍的遠(yuǎn)程操作，實現(xiàn)海上無人化，仍然大幅依賴于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和遠(yuǎn)程控制的可靠性。

3 數(shù)字油田的總體流程設(shè)計

通過分析數(shù)字油田的一些典型時間軸，對于生產(chǎn)環(huán)節(jié)的總體設(shè)計來說，建立一個完整的概念，并明確一個準(zhǔn)確的邊界是至關(guān)重要的。數(shù)字油田總體流程如圖3所示。歸根結(jié)底，數(shù)字化是為了生產(chǎn)的效益來服務(wù)的。

圖3 數(shù)字油田概覽

一個典型的生產(chǎn)環(huán)節(jié)數(shù)字化設(shè)計，應(yīng)該具備以下特征或功能：

?總體開發(fā)生產(chǎn)的概覽

?自動化和自動優(yōu)化的生產(chǎn)流程

?基于原因和結(jié)果的情景分析與模擬

?對于系統(tǒng)的瓶頸診斷

基于以上功能和特征預(yù)期，典型的數(shù)字化生產(chǎn)環(huán)節(jié)應(yīng)該具備實時的診斷能力、實時的流程優(yōu)化能力、協(xié)助制定計劃和預(yù)測的能力，對于不同井的生產(chǎn)分配、注水管理以及當(dāng)前生產(chǎn)的總體瓶頸分析和解決能力。實現(xiàn)這些功能，需要基于對于實時的設(shè)備和井的信息傳遞，試井?dāng)?shù)據(jù)和事件的分析。

4 數(shù)字油田未來發(fā)展及挑戰(zhàn)

目前，數(shù)字化油田的轉(zhuǎn)型和發(fā)展，仍有廣闊的空間。在當(dāng)前全球多數(shù)實現(xiàn)數(shù)字化的油田開發(fā)生產(chǎn)場景下，實現(xiàn)的是監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測診斷、分析和決策，而基于以上三步的優(yōu)化和預(yù)測還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，而更具遠(yuǎn)景的人工智能分析和自動化無人化，才是未來油田數(shù)字化智能化的目標(biāo)。

（1）如何使用收集的數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)的高效利用優(yōu)化生產(chǎn)過程，提高效率，降低成本。目前油田并不缺乏數(shù)據(jù)收集的能力，實際上有時候人們對于如山的數(shù)據(jù)似乎顯得束手無策，忘了數(shù)據(jù)本身是用來干什么的。這時候需要人員回到最初的設(shè)計初心來，選取有效的數(shù)據(jù)分析模型，來給出具備生產(chǎn)力的分析結(jié)果。數(shù)據(jù)本身并不是生產(chǎn)力，有效地利用數(shù)據(jù)才能轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。

（2）信息基礎(chǔ)設(shè)施的投入和成本，是油田企業(yè)必須要面臨的另外一個壓力。在更長的時間維度上，數(shù)字化的建設(shè)和使用會帶來收益，然而正在進(jìn)行的能源綠色轉(zhuǎn)型，留給傳統(tǒng)油氣行業(yè)的時間和空間并不多，上游石油公司要謹(jǐn)慎地對待每一筆基礎(chǔ)建設(shè)的投資，并分析其商業(yè)上的可行性。可以預(yù)見的是，信息基礎(chǔ)建設(shè)所帶來的效益正在面對著油田企業(yè)轉(zhuǎn)型所帶來的最直接挑戰(zhàn)。在某油田的二期建設(shè)中，該二期油田并沒有使用之前的井下智能完井方式，原因是產(chǎn)能的不確定性并不足以支持在數(shù)字化智能化上的投入。

（3）無人化和智能化的操作，并不簡單是一個效益的問題，對于公司雇員的替換無疑有其直接的社會效應(yīng)。上游石油公司如何在經(jīng)濟(jì)效益和社會效益之間找到一個平衡，也將是對數(shù)字化油田轉(zhuǎn)型的一個直接挑戰(zhàn)。

5 線上組織（Virtual organizations）

通過信息和通信技術(shù)（ICT）的使用，處于不同位置的員工通過線上交流的方式，如視頻會議，可以實現(xiàn)實時的交流。但是線上交流的效果很大程度上依賴于參會人員之間是否之前已經(jīng)彼此認(rèn)識和了解，而這一點在未來的組織中并不一定能實現(xiàn)。

2020年以來，人們更加習(xí)慣于通過視頻會議的方式進(jìn)行交流和油田管理的討論決策。而之前的油田數(shù)字化場景無疑有益于在這種情況下的油田運(yùn)營，當(dāng)人們不得不受限于在陸地之間和海陸之間的面對面接觸時，在不同工作地點能夠?qū)崟r獲取油田運(yùn)維的信息并參與到實時的決策中，對新形勢下的管理無疑是大有裨益的。

6 結(jié)束語

對于油田運(yùn)營的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，無疑趨勢是明朗的：數(shù)字技術(shù)與勘探開發(fā)核心業(yè)務(wù)深度融合，推動生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變和管理流程優(yōu)化，打造作業(yè)現(xiàn)場無人化、油藏研究可視化、生產(chǎn)運(yùn)營協(xié)同化、戰(zhàn)略決策科學(xué)化為特征的智能化油田，該趨勢無疑是明確的。而實現(xiàn)各崗位人員對生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控、遠(yuǎn)程管控、跨專業(yè)協(xié)同、更高效地處置和管理，將給油田管理帶來顯著的效率和效益提升和平臺定員人數(shù)的減少。

但是，數(shù)字化發(fā)展面對著內(nèi)部和外部的雙重壓力，在內(nèi)部，如何更加準(zhǔn)確地收集數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)冗余，如何有效地利用數(shù)據(jù)制作準(zhǔn)確的模型工具，以幫助實時診斷和分析，目前行業(yè)在進(jìn)行各種各樣的嘗試，顯然還缺少比較共識的規(guī)范和指引。而對外部來說，數(shù)字化油田的發(fā)展路線圖因為能源綠色轉(zhuǎn)型的壓力和社會效應(yīng)的壓力，將不得不面臨更緊迫的空間，如何在短期效益和長期的趨勢判斷之間找到平衡，對上游油氣公司將是一個挑戰(zhàn)。