智能控制策略在長慶油田設備的優(yōu)化運行研究

任亮?唐天宇?熊煜?曾輝

摘要：智能油田關鍵技術是解決油田勘探開發(fā)、生產運行等難題的必要手段，是推進油田業(yè)務數字化轉型的基本支撐。油田企業(yè)要應對高質量發(fā)展需求面對外部嚴峻挑戰(zhàn)，智能油田建設成為必然的發(fā)展方向。調研了智能控制發(fā)展現狀及技術進展、辦公信息化技術廣泛應用進展，分析了智能控制策略在長慶油田取得的各項應用現狀及效果，提出智能控制策略在長慶油田設備的優(yōu)化思路，為全面實現油田企業(yè)數字化轉型、智能化發(fā)展，形成具有領先水平的智能采集、全面感知、智能控制、預警預測等智能油田基礎關鍵技術系列，支撐油田高質量發(fā)展，保障國家能源安全。

關鍵詞：智能控制；設備；優(yōu)化運行

一、前言

受全球政治經濟形勢和市場博弈等因素影響，油氣能源行業(yè)震蕩加劇，石油產業(yè)格局發(fā)生顯著變化。全球能源趨向多元化、低碳化，隨著油氣需求增速下降，油田經營效益下滑，運營成本壓力逐年增加，石油行業(yè)面臨嚴峻挑戰(zhàn)[1]。同時，大數據、人工智能、5G、云計算等新一代信息技術驅動的全球第四次工業(yè)革命快速發(fā)展并推廣應用，引發(fā)全社會和全產業(yè)鏈的顛覆性變革，給石油行業(yè)帶來了新的發(fā)展機遇[2]。數字化和智能化技術革命是開辟石油行業(yè)持續(xù)發(fā)展的新途徑，建設智能油田既是石油行業(yè)降本、提質、增效的有效支撐，也是油田勘探開發(fā)等主營業(yè)務技術發(fā)展的必然趨勢，能夠解決油田高質量發(fā)展中面臨的實際難題[3]。

二、智能控制發(fā)展現狀及技術進展

智能油田是數字油田的高級發(fā)展階段。近年來，在經歷了數字油田的建設，具備了基本的數據采集、管理等基礎之后，石油公司圍繞勘探開發(fā)等核心業(yè)務，積極探索智能化技術在油田的深入應用，智能化技術由點到面逐步推進，智能油田的概念逐漸明確、內涵不斷豐富，智能油田建設取得了良好效果[4]。未來已來，進入新時代新發(fā)展階段，對信息化建設提出了更高的要求，需要通過智能化建設來驅動企業(yè)的全面轉型升級。

（一）生產物聯網技術基本成熟

1.基礎通信網絡進一步優(yōu)化

敷設通信光纜形成“四橫、兩縱、多環(huán)”的網絡格局，實現“雙出口”“萬兆到區(qū)、千兆到站、百兆到井”“移動終端APN專網接入”“辦公、生產、社區(qū)、電視四網隔離”“鏈路自動切換、同纜傳輸、業(yè)務分離”。

2.數字化主體技術規(guī)模應用

利用規(guī)模應用數字化主體技術，上線油水井覆蓋率97.2%、集成場站視頻監(jiān)控2267套，建成數字化站點覆蓋率100%，小型站點無人值守投運覆蓋率94%、智能報表自動生成率85%。

3.典型應用場景

（1）敏感區(qū)域可視化

升級高清視頻，完成視頻時鐘自動同步，覆蓋井場區(qū)域站點，視頻監(jiān)控在線率99.3%，錄像正常率98.5%。應用激光對射、視頻聯動等技術，完成站點周界安防入侵監(jiān)測可視化建設。完成管線桁跨高清視頻監(jiān)控建設工作，為綜合治理及安全環(huán)保工作提供了有力支撐。

（2）場站無人值守

完善場站物聯網技術改造，全面構建“中心站＋無人值守站”管理模式，探索聯合站無人值守與作業(yè)區(qū)調控中心合并運行，優(yōu)化中心站，盤活用工，形成“無人值守、集中監(jiān)控、定期巡檢、應急聯動”的智能化生產組織方式，勞動組織架構進一步扁平化。

（3）生產監(jiān)控優(yōu)化應用

完成數字化生產指揮中心的建設投運工作，優(yōu)化SCADA系統監(jiān)控界面、開發(fā)SCADA系統跨應用報警信息逐級推送功能，實現關鍵生產數據整屏集中監(jiān)控、報警信息向崗位即時通自動推送，報警確認率提升至99%，生產監(jiān)控形成了“逐級推送、分層監(jiān)控”的立體化報警監(jiān)控格局。

三、辦公信息化技術廣泛應用進展

按照信息化建設統一部署，全面配合統建系統建設，推廣應用信息管理系統，全面支撐生產經營管理。

（一）業(yè)財融合系統

建成應用包含“預算管理、結算管理、項目管理、物資輔助、會計應用”五大模塊的業(yè)財融合平臺，實現業(yè)務、財務信息數據共享、成本精細化管理、主干業(yè)務全過程管理，呈現“預算控全局、業(yè)務夯基礎、信息互聯通”的業(yè)財管理格局。

（二）協同辦公系統

建成橫向到部門、縱向到井站的流程化、表單化業(yè)務協同辦公平臺，開發(fā)了網上會議在線管理、車輛調派、信息發(fā)布、工作督辦、作業(yè)審批等業(yè)務模塊，聯動崗位即時通自動推送各項業(yè)務信息，App+PC處理，會議室、油區(qū)用車等全面共享網上預訂，多項業(yè)務實現辦公無紙化，大幅節(jié)約材料費，讓“數據多跑路、員工少跑腿”。

四、智能控制策略在長慶油田取得突破

（一）實現功圖計產數據向A2系統的自動推送

聯通功圖系統、報表系統與A2系統，實現了功圖計產數據向A2系統的自動推送，解決了油井日報數據“人工重復錄入”和“多源頭數據不一致矛盾”問題。

（二）實現油井的智能間開

依托井口智能控制柜邊緣計算和云端管理平臺，應用電參、工況、功圖計產模型診斷和間開制度制定算法，邊云結合實現間開制度的動態(tài)優(yōu)化，形成了自動計算間開工藝配套技術，完成試點油井測試，平均泵效由16.36%提升到30.90%，系統效率由6.95%提升到15.98%，日耗電由358kW·h降低到175kW·h。

（三）實現自動選井智能單量

研究應用了三相計量、自動倒換流程、自動收球為一體的智能單量裝置，聯動SCADA系統實現單量流程自動切換、報表系統自動生成單量結果，實現了井組產量自動連續(xù)計量，提高計量精度、降低事故風險、降低勞動強度。

（四）實現智能調頻恒液位連續(xù)輸油

利用PLC邊緣計算，通過不對稱增量式PID控制算法自動調整輸油泵變頻頻率（原為人工調頻，頻率設置不合理會導致頻繁啟停、機泵故障率高），控制緩沖罐液位增量，在不變更工藝設備的情況下實現恒液位連續(xù)自動輸油，實施了輸油回路，輸油泵日均啟停次數大幅下降，避免人為干擾，實現機泵管線連續(xù)平穩(wěn)運行。

（五）智能管道無泄漏配套技術

在各大油田無泄漏示范區(qū)建設成果的基礎上，結合管道管理智能化應用，將智能化工作平臺、智能化監(jiān)控設施、智能化設備與完整性管理方法深度融合，開展智能管道無泄漏示范區(qū)建設，全面精準排查和治理安全隱患，確保對潛在高風險的預判、預測、預知[5]。

（六）實現智能調參控制恒壓自動注水

云端工作站與現場站控PLC組成數字孿生體，利用SCADA采集數據進行仿真運行，應用粒子群智能算法自動計算調節(jié)恒壓注水的最優(yōu)控制參數（原為變頻柜廠家現場人工調試，設定壓力與運行壓力差在0.5-0.7Mpa之間），實施恒壓注水回路，分水器設定壓力與實際運行壓力差縮小到0-0.08Mpa之間，所轄管網注水井配注合格率提升，運行效果遠遠大于人工調試，實現了智能控制恒壓自動注水。

五、智能控制策略在長慶油田設備的優(yōu)化思路

全面貫徹新發(fā)展理念，以問題和需求為導向，以用戶為中心，全面推進數字化轉型、智能化發(fā)展，實現智能化的有效落地，高質量建成智能示范油田。2023年以數字化、無人值守為特征的物聯網全覆蓋，智能油水井等一批前端智能示范區(qū)完善定型；云+數據湖、工程地質一體化、地面數字孿生取得新進展，生產運行、技術支撐、安全環(huán)保、企業(yè)組織等工作智能管理水平顯著提升。2024年至2025年計劃大數據、人工智能、邊緣計算等先進智能技術高度融合，基本建成“人工智能載體前端感知分析，大數據云端共享分析、中端智能決策，油田終端智能化自主控制”的運行構架。2026年至2030年全面完成采油廠業(yè)務模式的智能化轉型，實現以數據資產價值共享、生產過程智能管控、經營決策全局優(yōu)化等為主要特征的智能化發(fā)展，有力支撐打造高質量發(fā)展標桿。

（一）建設工業(yè)生產互聯網

重構數據傳輸鏈路，升級基礎通信網絡帶寬為“萬－千－千”，以“井場RTU和站場PLC”為基本采集單元，采用工業(yè)互聯網“邊云端”架構重構生產實時數據傳輸鏈路，消減中間傳輸（配置）節(jié)點至少3級，可快速定位故障節(jié)點。統一數據湖，完善前端數字化無人值守建設，開展主營業(yè)務數據治理入湖，實現油水井、站點數據的集中統一采集，以工業(yè)數據為核心的數據管理平臺作為生產數據共享中心，生產數據共享節(jié)點降至1個，實現工業(yè)數據資源匯聚。統一云平臺，打破SCADA系統傳統架構，依托油田公司云平臺，部署統一的云端生產監(jiān)控系統及工業(yè)App，快速實現單井實時監(jiān)控、設備狀態(tài)監(jiān)測、管道統一監(jiān)管、底層程序遠程更新。建設智能運維系統，自動推薦報警限值，自動推送故障點位，建立標準化運維庫，手持終端App實時上傳運維質量圖像及數據資料比對效果，提高維護質量，有效降控故障時間、運維難度及維護成本。降低工控系統運行風險，建立網絡安全隔離區(qū)，解決生產和辦公網絡數據安全交互問題，統一實時數據交互節(jié)點降低至1個。

針對生產數據傳輸鏈路長問題，如油井功圖儀表-井口RTU-井場RTU-作業(yè)區(qū)SCADA采集-作業(yè)區(qū)功圖服務器-廠功圖服務器-A11數據庫，實時數據鏈路最長可達7級，均存在點名、量程、流程畫面對應的要求，一個環(huán)節(jié)出現問題，數據就不能正確顯示。工控系統接入滿負荷，配套國產5萬點SCADA系統，單套系統最多接入500路RTU或PLC，目前作業(yè)區(qū)已經接近滿負荷運行。數據管理難度大，現SCADA系統無故障點自診和自統計功能，故障點位不易及時被發(fā)現與維護。數字化報警參數設置依靠人工經驗判斷多，數字化維護現場質量好壞不易掌握。作業(yè)區(qū)之間的數據、作業(yè)區(qū)與廠級SCADA系統相互隔離，程序不能遠程部署，共享難度大，監(jiān)控點位添加繁瑣、工作量重復。工控系統安全風險高，作業(yè)區(qū)的工控系統均獨立運行于生產網內，生產數據交互節(jié)點龐多。生產網嚴格防護需在網絡內部署大量防火墻、入侵檢測、漏洞掃描和行為審計系統、隔離網閘，整個工控系統防護費用較大，日常策略配置需專業(yè)人員維護、更新。

（二）打造“源、供、注、配”一體化

與注水系統管理相關部分水源井深井泵狀態(tài)、流量、壓力等數據，分注井數據配注信息的缺失，導致注水系統監(jiān)測不完整，注水數據沒有實現自動推送至A2系統。水源系統供注平衡矛盾突出，水源系統無法根據注水需求動態(tài)調節(jié)供水量，導致供注不平衡，水源井持續(xù)供水存在水液位較低燒泵現象。注水系統壓力波動頻繁，注水站、注水環(huán)網由于壓力波動需要通過注水泵遠程調頻、人工調節(jié)回流等手段對注水壓力進行調整，存在一定的滯后性，注水能耗、安全風險都有所上升。從4個方面實施技術改造，完成設備由“單點－遠程－控制”向“聯動－閉環(huán)－自控”升級，形成上下游聯動控制，達到減少中間環(huán)節(jié)計算和操作工作量的目的。源、供、配、注聯鎖控制實現供注平衡，注水井超欠注實時計算及遠程自動調配，配注合格率大幅提升，水井數據向A2系統自動推送，提升運行效率，降低能耗和運行風險，實現注水系統監(jiān)控運行方式及管理方式重大轉變。部分工藝環(huán)節(jié)數據采集缺失，與“采、集、處、輸”流程關聯部分參數缺失，主要包括油井計量、三相分離器含水、外輸原油密度等，重點數據采集不全，導致控制系統應用與現場需求存在差距。部分關鍵設備智能化水平偏低，集輸系統工藝流程復雜、設備數量多，油井間開、單量、投收球、三相分離器、加藥等設備人員操作勞動強度大，安全生產自動化管控智能化水平偏低。集輸過程智能化管控機制尚未建立，站點輸油頻率、排量、溫度、含水等核心參數的優(yōu)化調整依賴人工經驗判斷多，自控能力較弱，運行過程中時有誤差產生，最終導致系統運行不平穩(wěn)，運行效率低。管線泄漏不能及時被發(fā)現和處置的風險依然存在。原油交接智能化水平與實際需求存在差距，原油交接中智能化控制能力較弱，存在人為干預、頻繁操作等現象，現場崗位配置數量與智能化發(fā)展要求存在差距。利用現有集輸系統，實施技術改造，完善現場實時數據采集，提升關鍵設備自控水平，實現“采集處輸”一體化智能管理。形成上下游聯動控制機制，實現設備由人工操作向系統自動執(zhí)行轉變，減少中間環(huán)節(jié)計算和操作工作量，化解井站管線數量快速增長與用工總量限制之間的矛盾，提升系統運行效率，降低系統能耗和運行風險。

（三）安全生產業(yè)務區(qū)

安全可視化覆蓋區(qū)域不全，管線高后果區(qū)、部分作業(yè)現場可視化覆蓋不全，可視化巡檢全部依賴人工手動操作，勞動強度大，缺乏智能可視化分析功能。生產運行信息化覆蓋不全，應急搶險、生產巡檢等部分生產業(yè)務領域與信息化融合度不夠，未覆蓋生產運行全業(yè)務流程，未實現生產運行全業(yè)務智能化閉環(huán)管理。數據信息孤島現象突出，信息系統未將生產過程、組織、風險事件、物資、道路、電力、天氣等生產元素相互關聯，大數據分析應用不足。生產指揮系統需統籌規(guī)劃，因為生產指揮系統與廠級SCADA系統、生產監(jiān)控平臺等功能重合交叉，相互獨立又并軌運行，造成系統集成融合不夠、應用龐雜、功能發(fā)揮不足，因此亟須充分挖掘數據信息集成升級，開展安全生產全業(yè)務場景智能化建設。推動生產運行工作向智能化轉型，形成縱向管控和橫向協同的生產運行全業(yè)務鏈閉環(huán)管理模式，實現生產管理云上辦公、生產過程安全受控、生產輔助保障有力。

（四）生產與技術數據實時共享

油田開發(fā)、采油工藝和生產數據尺度跨度大及數據類型多、數據量差異大、數據多樣化、數據格式復雜造成數據沒有形成統一的規(guī)范，共享程度低，技術人員需花費大量時間尋找、整理和加載各類數據。工程、工藝、地質信息互通不夠，各專業(yè)軟件、應用系統較多，但是各業(yè)務系統分散形成信息孤島，一體化協同的大科研格局作用還未形成，需要集成、整合、優(yōu)化。隨著油田開發(fā)及工藝技術不斷進步，業(yè)務需求越來越精細化，亟須先進的AI、大數據處理技術應用助力油藏管理和工程管理。提升地質、工藝和地面的共享結合程度、應用力度，支撐地質設計方案、工藝技術方案自動生成、地面工程數字化交付全生命周期管理，形成地質、工程一體化的大科研格局。

（五）經營管理業(yè)務區(qū)

生產成本管控壓力大，隨著油田發(fā)展規(guī)模逐年擴大，資產體量逐年加大，折舊折耗持續(xù)增長，完全成本壓力進一步增加。生產規(guī)模與經營效益匹配程度不高，儲量、產量、投資、成本、效益價值鏈優(yōu)化管理難度大。數字與資產互聯能力不強，賬實差異，資產創(chuàng)效能力不強，還未實現資產全鏈條信息化管理。油田制定了“持續(xù)優(yōu)化業(yè)務結構和人力資源結構，至2025年，完全成本控制在40美元/桶，實物勞動生產率提升到900噸/人，企業(yè)盈利能力顯著增強”這一目標，需要持續(xù)加強生產經營一體化、促進業(yè)財融合，實現人、財、物的精準管理。進一步加快業(yè)財平臺優(yōu)化完善，推進業(yè)財平臺與設備管理、物資供應、工程造價、A2、ERP、運輸平臺、生產指揮等系統融合進度，費用管理預警控制，推進業(yè)財平臺資產全鏈條信息化建設，提升數字與資產互聯能力。深化業(yè)財融合平臺應用，打造生產經營一體化“大共享”體系，提升運營過程管控和精益成本管控水平及“人、財、物”精準管理，實現成本向效益、核算型會計向管理型會計、事后監(jiān)督向事前預警、守護價值向創(chuàng)造價值轉變。

六、結語

智能油田是油田的必然發(fā)展方向，智能油田關鍵技術是解決油田勘探開發(fā)、生產運行等難題的必要手段，是推進油田業(yè)務數字化轉型的基本支撐。通過人工智能、大數據、物聯網等技術與勘探開發(fā)關鍵業(yè)務融合，形成具有領先水平的智能采集、全面感知、智能控制、預警預測等智能油田基礎關鍵技術系列，支撐油田主體技術更新換代，變革傳統的油田勘探開發(fā)管理模式，提高勞動生產率、降低開發(fā)成本，提高應對和防控風險的能力，保障國家能源安全。

參考文獻

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作者單位：中國石油長慶油田公司第十一采油廠

責任編輯：張津平