數(shù)字孿生在油田生產(chǎn)管理中的應(yīng)用研究

章瑞　馬建軍　馬瑾

［摘 要］當(dāng)今世界，科學(xué)技術(shù)正朝著數(shù)字化、信息化以及智能化的方向發(fā)展，而傳統(tǒng)能源產(chǎn)業(yè)的石油勘探開發(fā)工作在新時(shí)代背景下將會遇到新的挑戰(zhàn)。石油企業(yè)需要正確認(rèn)識數(shù)字孿生等新興信息技術(shù)對油田生產(chǎn)管理的積極推動作用。在數(shù)字化、智能化油田建設(shè)理念的引領(lǐng)下，油田生產(chǎn)管理要充分運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)為優(yōu)化管理流程和提高管理效率賦能，全面提升油田管理的全程可視、動態(tài)感知、集成協(xié)同、預(yù)警預(yù)測以及分析優(yōu)化能力。文章闡述數(shù)字孿生技術(shù)在油田生產(chǎn)管理中的應(yīng)用價(jià)值，分析油田生產(chǎn)管理的特點(diǎn)，以及在油田生產(chǎn)管理中如何應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，以期為油田相關(guān)工作人員提供參考。

［關(guān)鍵詞］數(shù)字孿生；油田生產(chǎn)管理；大數(shù)據(jù)

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2023.14.027

［中圖分類號］TE319［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］A［文章編號］1673-0194（2023）14-0082-03

0? ? ?引 言

近年來，人工智能、大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生、云計(jì)算、泛在物聯(lián)網(wǎng)以及5G通信等技術(shù)與不同生產(chǎn)行業(yè)的深度融合，推進(jìn)了產(chǎn)業(yè)分工深化和生產(chǎn)結(jié)構(gòu)體系再造。數(shù)字雙生（Digital Twin，DT）又被稱為數(shù)字雙胞胎、數(shù)字鏡像，或者數(shù)字映射，最早由美國密西根大學(xué)教授提出，并用于美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）在2010年對飛行器的真實(shí)運(yùn)行活動的鏡像仿真，其核心是以生產(chǎn)制造的需求為牽引，融合多維度、多屬性、多粒度、多應(yīng)用可能性的仿真技術(shù)，通過虛擬空間映射物理空間的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對物理實(shí)體、空間、行為的模擬與仿真［1-2］。將數(shù)字孿生技術(shù)引入油田生產(chǎn)管理中，可以通過全場景傳感器和泛在物聯(lián)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對全管理要素物理實(shí)體對象的信息感知，再通過數(shù)字技術(shù)對物理實(shí)體對象的特征、行為、過程和性能等進(jìn)行描述與建模，形成對油田生產(chǎn)管理的可視化、數(shù)字化感知，提高預(yù)測、處理、決策和執(zhí)行能力，實(shí)現(xiàn)對油田生產(chǎn)運(yùn)行計(jì)劃、技術(shù)、人員、設(shè)備、環(huán)境的優(yōu)化，提升油田生產(chǎn)運(yùn)行的管理效率，增強(qiáng)石油企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對能力［3-4］。

1? ? ?數(shù)字孿生技術(shù)在油田生產(chǎn)管理中的應(yīng)用價(jià)值

數(shù)字孿生技術(shù)可以為油田生產(chǎn)運(yùn)行構(gòu)建一個(gè)以管理全要素為對象，虛實(shí)結(jié)合的信息大陸和信息共享可視化管理平臺。首先，數(shù)字孿生技術(shù)以虛擬空間作為載體，以油田生產(chǎn)管理所涉要素為實(shí)體對象，通過建立實(shí)體對象間的靜、動態(tài)映射關(guān)系和元數(shù)據(jù)、事件數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)的動態(tài)分析，以及虛擬和實(shí)體之間的信息實(shí)時(shí)交互、鏈接和驅(qū)動，可以實(shí)現(xiàn)油田生產(chǎn)運(yùn)行計(jì)劃、技術(shù)、人員、設(shè)備、環(huán)境的數(shù)字化、模型化、邏輯化和可視化，形成“平臺—信息”的交互［5］。其次，數(shù)字孿生技術(shù)可以通過“感知+物聯(lián)”，將油田生產(chǎn)管理面對的人、物、資源等物理實(shí)體和信息融合在一起，以傳感器作為信息采集手段來感知物理實(shí)體狀態(tài)，同時(shí)又將指令信息反饋給物理實(shí)體，形成“物理—信息”的交互。再次，數(shù)字孿生技術(shù)可以在異構(gòu)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫上層構(gòu)建統(tǒng)一的虛擬層，通過對稱或不對稱的信息融合策略構(gòu)建不同結(jié)構(gòu)信息與信息之間的交互路徑，打通各信息孤島之間的信息鏈路，形成“信息—信息”的交互。

中國石油公司、中國石化公司以及中國海洋公司等眾多知名企業(yè)開展了一系列“數(shù)字孿生”的研究和實(shí)踐。中國石油公司已在多個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行應(yīng)用研究，中國石化也在石油化工領(lǐng)域積累了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)上沉淀了“數(shù)字孿生技術(shù)”，并以此為基礎(chǔ)，建立了以資產(chǎn)、裝置和機(jī)理為基礎(chǔ)的數(shù)字孿生系統(tǒng)，為石油化工產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型注入新的動力，也為我國增加新動力。

在數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建的油田生產(chǎn)管理平臺中，油田生產(chǎn)企業(yè)能夠從生產(chǎn)效益、運(yùn)行安全和管理效率等多個(gè)方面獲得助力。油田生產(chǎn)企業(yè)按照全生命周期管理的要求，從生產(chǎn)需求、產(chǎn)品規(guī)劃、流程設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化、產(chǎn)品生產(chǎn)、產(chǎn)品經(jīng)銷、產(chǎn)品使用、使用反饋，到產(chǎn)品回收、產(chǎn)品再生的全過程智能感知、采集、收集和融合數(shù)據(jù)，為油田生產(chǎn)運(yùn)行提供全周期、全場景的信息可視化展示，保證管理者能夠從不同粒度的虛擬場景對真實(shí)世界的油田生產(chǎn)系統(tǒng)和設(shè)備實(shí)體狀態(tài)進(jìn)行全面感知。同時(shí)，管理者可以按照個(gè)性化的決策需要，主動選擇監(jiān)控實(shí)體，并有針對性地采集監(jiān)控實(shí)體的運(yùn)行數(shù)據(jù)，從而提高管理決策的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，優(yōu)化管理流程，提高管理效率，節(jié)約管理人力和時(shí)間成本。

2? ? ?油田生產(chǎn)管理的特點(diǎn)

在我國石油天然氣領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)剛剛起步，其理論與技術(shù)的研究與應(yīng)用還處在初始階段，需通過長時(shí)間的摸索與不斷的嘗試，建立一個(gè)較為成熟的數(shù)字孿生技術(shù)體系。結(jié)合目前國際上對數(shù)字孿生的研究成果和最佳實(shí)踐，可以按照以下步驟進(jìn)行：場景可行性分析、關(guān)鍵工序識別、試驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施、規(guī)?；瘜?shí)施與推廣、孿生過程監(jiān)測、反饋與優(yōu)化等，將數(shù)字孿生在石油工業(yè)中的應(yīng)用落地，并對其進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化，最終將其從基于構(gòu)建與運(yùn)營的動態(tài)孿生提升為具備自適應(yīng)功能的自主孿生，最終形成石油工業(yè)中成熟的數(shù)字孿生技術(shù)平臺與標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用。

油田生產(chǎn)管理對象包括人、物、信息、流程等各方面要素。人和物是油田生產(chǎn)運(yùn)行面向的主要實(shí)體對象，有著類型多元、數(shù)量眾多、實(shí)時(shí)動態(tài)可視化差的特點(diǎn)，一個(gè)油田有以萬計(jì)的油井，以十萬計(jì)的配套設(shè)備。目前，生產(chǎn)管理部在面對類型多樣、數(shù)量眾多的一線工作人員、油井、儲罐等實(shí)體時(shí)，無法實(shí)現(xiàn)管理的扁平化和有效性，對具體實(shí)體的監(jiān)控也只能通過人工匯報(bào)和現(xiàn)場監(jiān)督實(shí)現(xiàn)。雖然有些油田引入了視頻監(jiān)控，具備了一定的可視化能力，但僅以全程全景為目的，實(shí)時(shí)視頻動態(tài)采集也帶來了海量的無效數(shù)據(jù)。油田生產(chǎn)運(yùn)行涉及的管理信息具有規(guī)模大、結(jié)構(gòu)各異、共享度低、不對等的特點(diǎn)，前期隨著“數(shù)字化油田”建設(shè)的開展，油田生產(chǎn)運(yùn)行全生命周期的數(shù)據(jù)不斷地產(chǎn)生并被采集，但這些數(shù)據(jù)大多是靜態(tài)、孤立和分散的，油田管理部門只能了解本部門負(fù)責(zé)環(huán)節(jié)的相關(guān)數(shù)據(jù)和信息，信息的傳遞和應(yīng)用也都是片狀和條狀的，管理人員無法站在全局的角度直觀了解整個(gè)業(yè)務(wù)的動態(tài)運(yùn)行情況，并主動監(jiān)控和提取決策所需要的信息。油田生產(chǎn)運(yùn)行的管理流程具有高復(fù)雜度和實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)。目前，油田的運(yùn)行檢測、管理控制、功能消耗、故障診斷以及健康管理等內(nèi)容還是以事務(wù)性的業(yè)務(wù)流程傳遞為主，人是管理的主體，也是管理流程實(shí)現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)，但僅通過人為管理只能實(shí)現(xiàn)基于數(shù)學(xué)模型的短期規(guī)劃和短期調(diào)度，無法實(shí)現(xiàn)油田生產(chǎn)運(yùn)行的全生命周期管理，也無法通過數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)優(yōu)化等技術(shù)優(yōu)化管理流程的內(nèi)容和節(jié)點(diǎn)。

3? ? ?數(shù)字孿生技術(shù)在油田生產(chǎn)管理中的應(yīng)用

油田生產(chǎn)管理的過程中，需要積極推進(jìn)管理與數(shù)字孿生技術(shù)的融合，借助數(shù)字孿生技術(shù)為油田企業(yè)的管理賦能。通過管理要素可視化、實(shí)體狀態(tài)信息的動態(tài)感知、異構(gòu)專業(yè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫融合、運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)業(yè)務(wù)的協(xié)同管理，應(yīng)對生產(chǎn)運(yùn)行突發(fā)情況點(diǎn)對點(diǎn)的高效調(diào)度指揮，優(yōu)化生產(chǎn)運(yùn)行的管理流程，減少人工報(bào)送、交互環(huán)節(jié)，提高生產(chǎn)管理效率，節(jié)約生產(chǎn)成本。

3.1? ?管理要素可視化

油田生產(chǎn)管理可視化主要通過數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)人、物等物理實(shí)體在虛擬空間形狀和狀態(tài)的可視化，以及信息和流程在內(nèi)容、交互、流轉(zhuǎn)與拓?fù)潢P(guān)系的可視化。油田生產(chǎn)管理包括產(chǎn)、儲、蓋、運(yùn)、圈、保等多個(gè)環(huán)節(jié)，按照管理的實(shí)際需要，首先建立與油田生產(chǎn)管理實(shí)體在形態(tài)、狀態(tài)、行為和規(guī)律相同或相似的“物理—信息”映射關(guān)系，通過三維激光等技術(shù)采集廠、庫、站、井、設(shè)備、連接管線、地形、人員等物理實(shí)體對象的幾何形狀、位置、數(shù)量信息，在數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上選擇合適的表達(dá)軟件建立物理實(shí)體虛擬可視化模型，根據(jù)不同層級管理決策需要確定可視化模型的數(shù)據(jù)展示邊界和數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式，減少和優(yōu)化可視化模型中無效管理數(shù)據(jù)。通過管理軟件計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Management Software Computer Aided Design，MS-CAD）、建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）可以構(gòu)建油田生產(chǎn)運(yùn)行場景虛擬空間的模型底圖，通過3ds MAX或Unity3D技術(shù)可以將場景模型底圖及人員設(shè)備三維化，通過ArcGIS Engine的GIS組件庫可以給三維化的模型賦值，使其具有位置屬性，并與真實(shí)的地理空間形成映射。其次，通過工作流、數(shù)據(jù)拓?fù)涞燃夹g(shù)提取融合可視化數(shù)據(jù)，建立油田生產(chǎn)運(yùn)行業(yè)務(wù)信息、業(yè)務(wù)流程交互和流轉(zhuǎn)關(guān)系的可視化模型，然后選擇適配增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）、虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）、混合現(xiàn)實(shí)（Mixed Reality，MR）等技術(shù)，按照不同層級和粒度的需要向管理人員進(jìn)行可視化數(shù)據(jù)和模型展示，實(shí)現(xiàn)油田生產(chǎn)管理全要素、全周期的可視化。

3.2? ?實(shí)體狀態(tài)信息的動態(tài)感知

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互能力是數(shù)字孿生體核心，也是油田生產(chǎn)管理模式創(chuàng)新的內(nèi)驅(qū)動力，通過對實(shí)體的動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、更新、顯示，實(shí)現(xiàn)虛擬空間與現(xiàn)實(shí)世界動態(tài)實(shí)時(shí)的虛實(shí)交互。實(shí)體的動態(tài)數(shù)據(jù)主要可以通過傳感器技術(shù)和非接觸的電子識別技術(shù)來采集。傳感器技術(shù)主要是實(shí)時(shí)感知油田管理實(shí)體對象的狀態(tài)、性能、變化等信息［6］。例如，在鉆井作業(yè)時(shí)將加速度傳感器、噪聲傳感器放置于井臺的測量點(diǎn)，將霍爾電流傳感器放置于鉆頭的主軸動力線上，分別采集鉆井臺工作過程中振動、噪聲、有效電流的數(shù)值變化數(shù)據(jù)，作為故障診斷、使用生命周期預(yù)測的數(shù)據(jù)支撐。非接觸的電子識別技術(shù)主要是實(shí)時(shí)感知人員、設(shè)備等可移動實(shí)體的身份、特征、位置信息，將射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）、超寬帶（Ultra Wide Ban，UWB）、二維碼、條碼與實(shí)體綁定，再通過與物聯(lián)網(wǎng)連接的基站或讀取設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù)采集。管理人員將這些實(shí)體狀態(tài)信息與可視化模型結(jié)合，就能實(shí)現(xiàn)對關(guān)鍵實(shí)體和關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)感知。

3.3? ?異構(gòu)專業(yè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫融合

油田生產(chǎn)管理涉及諸多專業(yè)領(lǐng)域，現(xiàn)有專業(yè)數(shù)據(jù)的異構(gòu)化是管理專業(yè)化、精細(xì)化的必然產(chǎn)物。數(shù)字孿生技術(shù)可以在異構(gòu)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫上層構(gòu)建統(tǒng)一的虛擬層，由虛擬層完成與異構(gòu)專業(yè)數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)交互和標(biāo)準(zhǔn)共享，將專業(yè)庫的數(shù)據(jù)有效融合，打破原有各專業(yè)庫之間的“信息孤島”，再將融合后的信息提供給主數(shù)據(jù)模型作為交互、共享和可視化信息的基礎(chǔ)。Kafka Connect就是一種可用于在Kafka和其他數(shù)據(jù)庫之間可擴(kuò)展的、可靠的流式傳輸數(shù)據(jù)的工具，可以將所有數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)映射至Kafka主題下進(jìn)行融合［7］。通過異構(gòu)專業(yè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫融合策略，可以實(shí)現(xiàn)基于Golden DB、TDSQL、OceanBase 2、MySQL、MS SQL Server、PostgreSQL、Oracle以及IBM DB技術(shù)的專業(yè)數(shù)據(jù)庫之間數(shù)據(jù)自動和準(zhǔn)確的語義映射構(gòu)建，同時(shí)滿足傳感器配準(zhǔn)和多源數(shù)據(jù)的時(shí)空一致性要求，避免數(shù)據(jù)庫的重復(fù)建設(shè)和數(shù)據(jù)的重復(fù)采集，有效地降低數(shù)據(jù)利用的成本。

3.4? ?運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測

油田生產(chǎn)管理期間，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)將動態(tài)感知數(shù)據(jù)與油田生產(chǎn)管理相關(guān)業(yè)務(wù)的數(shù)字詞典模型數(shù)據(jù)相結(jié)合，通過數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)匹配，由數(shù)字孿生體實(shí)現(xiàn)自主的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測。數(shù)字孿生技術(shù)具備自我學(xué)習(xí)能力，可以預(yù)測或發(fā)現(xiàn)物理實(shí)體的行為異常，并在數(shù)字空間進(jìn)行模擬和調(diào)試，再用于預(yù)測未出現(xiàn)或者未掌握的物理實(shí)體新的運(yùn)行模式，最終將指標(biāo)變化、產(chǎn)量波動、安全環(huán)保、油藏經(jīng)營等風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警內(nèi)容存儲在數(shù)字孿生空間，以直觀的可視化模型展示給管理人員。管理人員也可以根據(jù)預(yù)測、預(yù)警的結(jié)果調(diào)整、反饋對實(shí)體動態(tài)信息感知和采集的需求。在對鉆井的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警中，通過數(shù)字孿生技術(shù)動態(tài)采集鉆頭的歷史應(yīng)力數(shù)據(jù)，再通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對鉆頭的歷史應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，結(jié)合數(shù)據(jù)的正向傳導(dǎo)和權(quán)重的反向修正得到風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測模型，用于預(yù)報(bào)鉆井的生產(chǎn)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

4? ? ?結(jié)束語

數(shù)字孿生技術(shù)是諸多先進(jìn)信息技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的綜合體，依托油田生產(chǎn)數(shù)字化、信息化建設(shè)成果，研究數(shù)字孿生技術(shù)在油田生產(chǎn)運(yùn)行中的應(yīng)用可以提升油田管理的動態(tài)可視化監(jiān)控能力、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警能力、決策自治能力以及應(yīng)急反應(yīng)管理能力。目前，各行業(yè)的數(shù)字孿生應(yīng)用為油田數(shù)字孿生體建設(shè)提供了參考，因此本文以油田生產(chǎn)管理的實(shí)際需要為牽引，系統(tǒng)分析數(shù)字孿生技術(shù)的適用范圍與應(yīng)用的可能性，探討了如何在油田生產(chǎn)管理中實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)與業(yè)務(wù)融合，形成具有智能采集、全面感知、智能控制、預(yù)警預(yù)測的數(shù)字孿生體，支撐油田管理模式和技術(shù)的更新，提高生產(chǎn)率，降低開發(fā)成本，提高應(yīng)對和防控風(fēng)險(xiǎn)的能力，保障國家能源開發(fā)安全。

主要參考文獻(xiàn)

［1］GRIEVEC M.Digital twin： manufacturing excellence through virtual factory replication［R］.2015.

［2］盧陽光，馬逢伯，漆書桂.數(shù)字孿生視角的數(shù)字工廠建設(shè)

［J］.信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2019（6）：35-39.

［3］曾穎，石峰，劉英.數(shù)字孿生技術(shù)在油氣田業(yè)務(wù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及未來需求［J］.信息系統(tǒng)工程，2021（10）：91-92.

［4］李雪瑞，侯幸剛，楊梅，等.數(shù)字孿生驅(qū)動的工業(yè)產(chǎn)品CMF設(shè)計(jì)服務(wù)模型構(gòu)建與應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2021（2）：307-327.

［5］高曉瑀.無人值守在油田生產(chǎn)管理中的應(yīng)用［J］.石化技術(shù)，2021（7）：201-202.

［6］徐棟.對標(biāo)管理在油田生產(chǎn)工作中的應(yīng)用［J］.化工管理，2019（7）：217-218.

［7］修增鵬.油田智能生產(chǎn)指揮平臺建設(shè)［J］.石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，2019（6）：32-36，49.

［收稿日期］2023-01-02

［作者簡介］章瑞（1977— ），女，浙江紹興人，碩士，高級工程師，主要研究方向：數(shù)字化和智能化應(yīng)用。