低滲透油氣田場站無人值守技術(shù)研究

李秋實(shí) 章瑞 韓江 安然

（1.中國石油長慶油田分公司數(shù)字和智能化事業(yè)部 陜西省西安市 710000）（2.中國石油長慶油田分公司第八采油廠 陜西省西安市 710000）

油田企業(yè)開展兩化融合，實(shí)現(xiàn)效益開發(fā)一直是其發(fā)展的重要舉措。長慶油田作為國內(nèi)外最大的低滲透油田開發(fā)，受儲(chǔ)層及單井產(chǎn)量影響，其對智能化的需求尤為迫切[1-5]。近年來，長慶油田在探索大型油氣田企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化發(fā)展的有效路徑上持續(xù)發(fā)力，無人場站值守就是全面實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵一步。

1 建設(shè)背景

1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國際石油公司自上世紀(jì)90年代開始，逐漸推進(jìn)信息技術(shù)在油田生產(chǎn)建設(shè)中的應(yīng)用。到21 世紀(jì)后，信息技術(shù)在油田生產(chǎn)建設(shè)中的應(yīng)用日漸成熟，各大石油公司開始了自動(dòng)化、智能化的研究，主要有BP 和殼牌兩大石油公司。目前，國際上的大型油田已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化管理。

我國的油田數(shù)字化建設(shè)起步較晚，最初的無人值守站建設(shè)是基于RFID 的應(yīng)用。目前，我國無人油田站的發(fā)展主要依靠生產(chǎn)流程的自動(dòng)化和升級，以實(shí)現(xiàn)油田生產(chǎn)中遠(yuǎn)程監(jiān)控、定期檢查和應(yīng)急聯(lián)動(dòng)的目標(biāo)，并實(shí)現(xiàn)井場和站點(diǎn)生產(chǎn)運(yùn)營的遠(yuǎn)程管理模式。

1.2 無人值守場站建設(shè)背景

近年來，隨著長慶油田快速發(fā)展，場站數(shù)量逐年快速增長與用工總量控制矛盾，資源品位逐年下降，效益開發(fā)壓力增大，QHSE 風(fēng)險(xiǎn)管控水平亟待提升等問題凸顯。2019年，長慶油田公司按照勘探與生產(chǎn)信息化頂層設(shè)計(jì)， 制定了智能化油氣田建設(shè)藍(lán)圖，配套智能化“326工程”，以突出全域數(shù)據(jù)管理、全生命周期管理、全面一體化管理，開展建設(shè)實(shí)時(shí)感知、透明可視、智能分析、自動(dòng)操控的智能油田，無人場站值守建設(shè)應(yīng)用而生。

2 無人值守場站探索與實(shí)踐

2.1 建設(shè)方案

通過完善數(shù)字化設(shè)備配套、自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制、視頻監(jiān)控、一體化集成裝置開發(fā)、崗位責(zé)任制優(yōu)化及組織機(jī)構(gòu)壓縮改革等內(nèi)容建設(shè)，油田累計(jì)建成無人值守場站2000 余座，覆蓋率90%，形成場站“無人值守、集中監(jiān)控、定期巡檢、應(yīng)急聯(lián)動(dòng)”的智能化生產(chǎn)組織方式，累計(jì)緩解用工5000 余人。目前油田 15 個(gè)作業(yè)區(qū)由調(diào)控中心集中監(jiān)控，作業(yè)區(qū)直管場站，共減少中心站45 座；氣田2 個(gè)作業(yè)區(qū)實(shí)現(xiàn)“作業(yè)區(qū)+處理廠”合建模式。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 無人機(jī)巡檢技術(shù)

智能機(jī)器人通過視覺導(dǎo)航,結(jié)合多傳感器信息融合、三維信息感知與處理、激光掃描測距等各類方式,將采集到的數(shù)據(jù)、聲音等加以分析,傳輸?shù)綌?shù)控中心,數(shù)控中心人員能夠及時(shí)了解場站情況,智能機(jī)器人可自主提取信息進(jìn)行整合,生成巡檢報(bào)表。智能機(jī)器人能夠定時(shí)、定點(diǎn)地對場站進(jìn)行巡檢,有效地提高了工作效率;具備視頻監(jiān)控功能,能夠?qū)稣驹O(shè)施進(jìn)行監(jiān)控,若發(fā)現(xiàn)異常狀況可進(jìn)行發(fā)聲發(fā)光報(bào)警;具備自動(dòng)回沖功能,通過導(dǎo)航在巡檢結(jié)束后進(jìn)行自動(dòng)回充,確保下一次巡檢工作的有序進(jìn)行。智能機(jī)器人的引入可以取代傳統(tǒng)的人工檢測方法，解決人工檢測效率低、風(fēng)險(xiǎn)高的問題，推動(dòng)油田無人管理模式的建設(shè)[9]。

2.2.2 智能視頻監(jiān)控技術(shù)

智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)是以人工智能、計(jì)算機(jī)視覺、機(jī)器學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)，通過智能化圖像識(shí)別技術(shù)對監(jiān)控視頻進(jìn)行處理，為各種安全事件進(jìn)行自動(dòng)預(yù)警的監(jiān)控系統(tǒng)[10]。相比于傳統(tǒng)視頻監(jiān)控，智能視頻監(jiān)控不但監(jiān)控范圍大、監(jiān)控時(shí)間長，還有著監(jiān)控識(shí)別速度快、準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)。智能視頻監(jiān)控作為油田生產(chǎn)現(xiàn)場無人值守的重要管理環(huán)節(jié)，在無人值守站應(yīng)用智能視頻監(jiān)控技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)油區(qū)生產(chǎn)現(xiàn)場預(yù)警告警信息定位具體，所呈現(xiàn)的內(nèi)容一目了然，信息聯(lián)動(dòng)處理能力也更加明確、高效，如圖1 所示。

圖1：監(jiān)控模式創(chuàng)新

2.2.3 智能注水系統(tǒng)

建立供注系統(tǒng)“源、供、注、配”的大閉環(huán)控制和基于水源井、供注水站、注水站/環(huán)網(wǎng)、注水井的四個(gè)小閉環(huán)控制模型，可以根據(jù)地面供注工藝按需組合控制算法，達(dá)到全過程自動(dòng)控制的目的。供水站水罐液位與水源井運(yùn)行狀態(tài)形成聯(lián)動(dòng)，系統(tǒng)依據(jù)供水站水罐液位的高低自動(dòng)控制水源井的啟停，對于停止供水的水源井按照液位值從高到低進(jìn)行排序，并啟用液位最高的水源井進(jìn)行供水。通過對注水站清水過濾間轉(zhuǎn)水泵的遠(yuǎn)程變頻控制，開發(fā)了源水罐與清水罐液位聯(lián)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)供注平衡。發(fā)揮注水站變頻設(shè)備潛力以及數(shù)字化控制優(yōu)勢，開發(fā)基于PID 控制算法的恒壓注水控制和環(huán)網(wǎng)壓力平衡補(bǔ)償程序，實(shí)現(xiàn)了注水站、注水環(huán)網(wǎng)恒壓控制、平穩(wěn)注水和回流的消減。在實(shí)現(xiàn)注水井遠(yuǎn)程調(diào)配的基礎(chǔ)上，SCADA 系統(tǒng)定時(shí)進(jìn)行注水量的自動(dòng)校正，自動(dòng)模式下系統(tǒng)可根據(jù)校正排量自動(dòng)調(diào)配，無需人員干預(yù)，對于超欠量較大的注水井通過顏色預(yù)警，在手動(dòng)模式下，可人工設(shè)定排量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.3 建設(shè)內(nèi)容

2.3.1 油田無人值守場站建設(shè)

（1）井場無人值守。利用井場數(shù)字化設(shè)備，自動(dòng)采集油氣水井生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、井場視頻數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)包含油井工況智能診斷、油井遠(yuǎn)程啟停、氣井遠(yuǎn)程關(guān)斷、自動(dòng)排泡、注水井遠(yuǎn)程調(diào)配和異常情況自動(dòng)報(bào)警為一體的智能井場模式。使井場管理的內(nèi)涵發(fā)生根本的變化，從有人巡護(hù)“大海撈針、守株待兔”式的被動(dòng)方式轉(zhuǎn)變?yōu)闊o人值守“智能管理、精確制導(dǎo)” 。

（2）中小型場站無人值守。集輸系統(tǒng)通過完善數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測、設(shè)備聯(lián)鎖控制、事故遠(yuǎn)程切換等，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)連續(xù)運(yùn)行、在線診斷、遠(yuǎn)程操控，事故狀態(tài)一鍵關(guān)停。

供水系統(tǒng)通過完善監(jiān)控和聯(lián)鎖控制，實(shí)現(xiàn)從水源井-（供水站）-注水站的 “自主管理，智能運(yùn)行”，緊急工況遠(yuǎn)程處置“上位優(yōu)先、一鍵停車 ”。

注水系統(tǒng)通過完善實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、變頻連鎖控制、注水泵遠(yuǎn)程停泵、喂水泵遠(yuǎn)程啟停，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓、平穩(wěn)、連續(xù)注水。

一體化集成裝置:通過與數(shù)字化技術(shù)充分融合，所有監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及狀態(tài)上傳至中央控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一鍵式操作。主要生產(chǎn)過程可視、可控、可調(diào)節(jié)、可診斷，保障生產(chǎn)連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行、安全防護(hù)實(shí)時(shí)監(jiān)控。實(shí)現(xiàn)了油田工藝從“三級布站”向“一級半布站”轉(zhuǎn)變 ，進(jìn)一步簡化了地面工藝流程，成為新建產(chǎn)能油田地面工藝優(yōu)化簡化的核心技術(shù)。減少占地面積60%，大幅度提高了地面建設(shè)速度，投資節(jié)省20%至30%，促進(jìn)了油田低成本發(fā)展。

（3）大型場站少人值守。脫水站根據(jù)脫水站的不同類別，通過對站內(nèi)頻繁操作的工藝設(shè)備、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)化升級改造，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警、設(shè)備聯(lián)鎖控制、事故遠(yuǎn)程切換和事故狀態(tài)一鍵關(guān)停。

聯(lián)合站通過完善主要設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測、聯(lián)鎖控制、事故遠(yuǎn)程切換等功能，優(yōu)化供熱、給排水、消防、供配電、通信、自動(dòng)控制等生產(chǎn)輔助功能，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)連續(xù)運(yùn)行、在線診斷、遠(yuǎn)程操控，事故狀態(tài)一鍵關(guān)停，達(dá)到提升安全管控能力，實(shí)現(xiàn)少人值守目的。

（4）中心站建設(shè)。取消各站點(diǎn)SCADA 監(jiān)控終端、視頻工作站，依托作業(yè)區(qū)/聯(lián)合站建成遠(yuǎn)程集中監(jiān)控點(diǎn)，完善中心站SCADA 監(jiān)控界面、優(yōu)化視頻終端及UPS 配置，對所轄無人值守站及井場進(jìn)行集中監(jiān)控。

（5）關(guān)鍵技術(shù)及功能擴(kuò)展。通過對油田各類站場（聯(lián)合站、脫水站、接轉(zhuǎn)站、常規(guī)增壓點(diǎn)、橇裝增壓點(diǎn)、注水站、供水站）無人值守攻關(guān)研究，實(shí)現(xiàn)了正常生產(chǎn)流程無人操作、遠(yuǎn)程監(jiān)控，事故流程應(yīng)急切換、遠(yuǎn)程關(guān)斷，風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能運(yùn)，關(guān)鍵部位視頻監(jiān)控、闖入報(bào)警，關(guān)鍵環(huán)節(jié)智能分析與自動(dòng)控制，油井智能管理及控制，“采、集、處、輸”一體化監(jiān)控，“源、供、配、注”一體化監(jiān)控等領(lǐng)先技術(shù)。

2.3.2 氣田無人值守場站建設(shè)

（1）集氣站無人值守。對集氣站進(jìn)行數(shù)字化改造，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、升級硬件設(shè)備、完善軟件功能，實(shí)現(xiàn)了集氣站“無人值守、遠(yuǎn)程監(jiān)控、緊急關(guān)斷、人工恢復(fù)”。

（2）應(yīng)急保障點(diǎn)。按照井、集氣站、凈化（處理）廠一體化管理思路，形成“日常作業(yè)、危險(xiǎn)作業(yè)、HSE督查、場站智能巡檢、管線巡護(hù)”等采氣廠智能化應(yīng)用場景 ，作業(yè)區(qū)組織結(jié)構(gòu)由中心站集中改造為應(yīng)急保障點(diǎn)，監(jiān)控模式由“兩級監(jiān)控”調(diào)整為“一級監(jiān)控”，實(shí)現(xiàn)了組織架構(gòu)和監(jiān)控模式變革；形成了覆蓋生產(chǎn)運(yùn)行、安全環(huán)保、開發(fā)技術(shù)和管理決策4 個(gè)層面的智能化技術(shù)，生產(chǎn)管理全面提質(zhì)增效，場站維護(hù)工作量降低35%，工作效率提升25%。

2.3.3 智能管道無人值守場站建設(shè)

在管道數(shù)字化基礎(chǔ)上，集成管道全生命周期數(shù)據(jù)，提供智能分析和決策，讓數(shù)據(jù)產(chǎn)生價(jià)值，讓管道更聰明，使其具備全面感知、自動(dòng)預(yù)判、智能優(yōu)化、自我調(diào)整的能力，實(shí)現(xiàn)輸油管網(wǎng)的全智能化運(yùn)營。

（1）閥室無人值守。對關(guān)鍵參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，閥室RTU 實(shí)現(xiàn)全線通信接入，運(yùn)行數(shù)據(jù)、電動(dòng)閥控制接入控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測和流程操作，維護(hù)人員每周進(jìn)行現(xiàn)場維護(hù)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的無人值守管理。以輸油壓力、溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測，高低限報(bào)警，外輸流程遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)、緊急截?cái)啵?/p>

關(guān)鍵部位高清視頻監(jiān)控，遠(yuǎn)程及自動(dòng)連鎖控制為主要內(nèi)容。

（2）輸油站無人值守。實(shí)施關(guān)鍵設(shè)備智能化升級，滿足遠(yuǎn)程集中調(diào)控、自動(dòng)調(diào)節(jié)、聯(lián)鎖保護(hù)的要求。依靠管理+技術(shù)同步改進(jìn)模式，在保證安全運(yùn)營的基礎(chǔ)上，逐步縮減用工指標(biāo)。以站庫關(guān)鍵流程智能判斷與連鎖保護(hù)，設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控，全線流程遠(yuǎn)程切換，設(shè)備參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)視，關(guān)鍵輸油泵運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、用電量監(jiān)測，原油密度在線計(jì)量，關(guān)鍵部位工業(yè)視頻智能監(jiān)控為主要內(nèi)容。

（3）集輸作業(yè)區(qū)。建立輸油生產(chǎn)運(yùn)行智能集中調(diào)控機(jī)制，在輸油調(diào)控方式上實(shí)現(xiàn)由各站分別手動(dòng)控制向全線集中遠(yuǎn)程控制的革命性轉(zhuǎn)變，通過業(yè)務(wù)重構(gòu)，流程再造，優(yōu)化機(jī)構(gòu)與職責(zé)，支撐輸油生產(chǎn)運(yùn)行提質(zhì)提效。

3 建設(shè)成果

場站自動(dòng)化、智能化建設(shè)和無人值守技術(shù)的深度應(yīng)用，是長慶油田從5000 萬噸跨越6000 萬噸，用工總數(shù)不增的管理創(chuàng)新成果體現(xiàn)，是提升生產(chǎn)管理水平、降低員工工作強(qiáng)度、提高風(fēng)險(xiǎn)管控能力，將科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)榈谝簧a(chǎn)力的真實(shí)踐行。

（1）數(shù)字化功能進(jìn)一步完善，工藝本質(zhì)安全持續(xù)提升。無人值守建設(shè)豐富了 “井口計(jì)量，橇裝轉(zhuǎn)輸，數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳，視頻巡檢，遠(yuǎn)程監(jiān)控，集中管理，應(yīng)急聯(lián)動(dòng)”等數(shù)字化應(yīng)用，擴(kuò)展了“高清視頻巡檢、參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)置頂預(yù)警、報(bào)表自動(dòng)生成”等數(shù)字化功能，將數(shù)字化建設(shè)及應(yīng)用水平提升到一個(gè)新高度。無人值守站運(yùn)行后，實(shí)現(xiàn)了站點(diǎn)主流程、關(guān)鍵區(qū)域及現(xiàn)場作業(yè)的不間斷實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)減少了員工出入生產(chǎn)現(xiàn)場的頻次與操作頻率，提升了工藝本質(zhì)安全，切實(shí)做到了減輕基層員工勞動(dòng)強(qiáng)度。

（2）員工勞動(dòng)強(qiáng)度不斷降低，幸福指數(shù)不斷提升。無人值守技術(shù)的實(shí)踐與應(yīng)用，促使油田生產(chǎn)運(yùn)行各個(gè)環(huán)節(jié)結(jié)合更為緊密，降低了人工干預(yù)頻次，中心站資料不斷縮減，主要設(shè)備、流程通過電動(dòng)閥實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，大幅降低了員工操作頻率；同時(shí)，員工回歸集體生活，生產(chǎn)生活更加人性化，工作期間生活質(zhì)量得到提高，進(jìn)一步提升了團(tuán)隊(duì)凝聚力。

（3）勞動(dòng)組織架構(gòu)不斷優(yōu)化，減員增效效果提升顯著?！白鳂I(yè)區(qū)-井區(qū)-井站”優(yōu)化為“作業(yè)區(qū)-中心站”的扁平化管理模式，管理層級由3 級壓縮為2 級，組織架構(gòu)不斷優(yōu)化，油田用工總量得到有效控制，生產(chǎn)運(yùn)行效率明顯提升，大幅降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。以某采油廠單個(gè)作業(yè)區(qū)為例，2019年至2021年，新建井場137 個(gè)、新投油水井384 口，在總產(chǎn)量提升15%的情況下，通過無人值守改造，萬噸用工由20.3 降低至16.1，單井用人由0.91 減少至0.72。

4 結(jié)論

數(shù)字化智能化是破解低滲透油田效益開發(fā)的重要手段。油田必須依靠信息化技術(shù)手段，推動(dòng)企業(yè)業(yè)務(wù)模式重構(gòu)，管理模式變革，商業(yè)模式創(chuàng)新，核心能力提升，加快數(shù)字化轉(zhuǎn)型智能化發(fā)展，達(dá)到降本增效高質(zhì)量發(fā)展的目的[11-12]。

無人值守場站建設(shè)應(yīng)用是解決油田企業(yè)產(chǎn)量增長與用工控制矛盾的有效方式。在無人值守技術(shù)與油田生產(chǎn)不斷深入融合的過程中，堅(jiān)持新技術(shù)應(yīng)用與現(xiàn)場工藝流程、安全控制、崗位責(zé)任制相結(jié)合。要堅(jiān)持建設(shè)與管理并重，加強(qiáng)適應(yīng)數(shù)字化條件下的人才隊(duì)伍建設(shè)，可以解決當(dāng)前油田企業(yè)面臨的轉(zhuǎn)型難點(diǎn)問題。

無人值守技術(shù)需要持續(xù)推進(jìn)提升。信息化涉及多學(xué)科集成、多部門聯(lián)動(dòng)，必須實(shí)現(xiàn)資源有效整合，形成信息技術(shù)與業(yè)務(wù)應(yīng)用之間的良性互動(dòng)，業(yè)務(wù)要把真正的痛點(diǎn)找準(zhǔn)，信息建設(shè)人員要堅(jiān)持場景突破、典型引領(lǐng)、持續(xù)迭代、不斷提升，真正研發(fā)出實(shí)用、好用、管用的產(chǎn)品。