油气田智能化管理建设及其应用研究

□ 文/张光一 杨甲玉 惠宁

我国从石油净出口国转变为净进口国后，石油对外依存度一路攀升，目前油、气对外依存度已超过70%、40%，油气生产行业保障能源安全供给的压力越来越大。2020年年初以来，新冠肺炎疫情和油价暴跌叠加影响对油气田开发企业带来了前所未有的困难和挑战，与此同时，现已探明的油气资源品味不断在下降，新探明储量的增长难以接替动用储量，这也是油气田开发企业不得不面对的一个长期问题。但是，也给油气田开发企业的转型升级提供了难得的机遇，近年来随着数字化、信息化技术在油气田开发领域应用的成熟，以及油气田生产行业在数字化建设方面的投资近年来持续增加，已成为油气田开发企业提升管理、增加生产能力的一个重要举措，提高油气田开发企业的数字化、信息化水平，加强现代信息产业与传统石油工业的深度融合，已成为油气生产行业创新发展和转型升级的必然选择，油气田的智能化管理建设也正成为油气田开发企业实现转型升级的主要路径。

1 智能油田建设现状及问题分析

1.1 智能油田建设现状

本世纪以来，油气田开发企业紧跟时代发展，持续加快数字化设施投入，部分油气田开发企业已逐步实现井下作业、井站生产现场远程实时监控，通过信息化设备将海量实时数据上传至生产指挥中心，并构建形成在线技术支撑、远程实时指挥的油田智能化应用体系。从2006年开始了涉及智能油田建设相关的油气生产指挥信息系统、勘探技术数据系统、经营管理信息系统及行政党委系统等几个方面的应用系统，并都实现了较高程度的系统集成、数据共享。从2015年起，各油气生产企业陆续对各系统进行优化整合，增加和提升数据模拟与分析、预测与决策、实施检测控制的能力。目前，与生产有关智能油田建设的相关研究仍处于积极发展的趋势，单井生产诊断、油气管网的自动控制、油藏动态模拟、生产过程的实时监控优化、油气田开发方案与产量部署等已在部分油气田应用，对油田企业应对当前困难处境、实现提质增效逐渐发挥出极为重要的作用。从本质上看，智能油田建设是油气勘探开发技术、油田开发配套技术、油气田生产指挥体系、企业运营决策机制、现代信息技术应用等多种业务智能化、协同化发展的必然结果。智能油田建设就是以上述多种技术，全面感知油气田生产经营动态，替代传统人工的统计、分析等相关工作，提高油气田开发管理的效率和决策质量。

1.2 目前智能油田建设中存在的问题

1.2.1 缺乏适应智能油田建设的专业人才。智能油田建设需要的是既懂油气专业相关知识、熟悉油气田开发流程、了解油气生产现场情况，又能掌握人工智能技术、掌握多种领域技能的复合型人才。

1.2.2 已建成数据资源不能满足智能油田建设。在前期各个业务领域自行建设信息系统基本上是在数据采集、加工处理、综合查询和报表统计为重点，后期升级智能诊断、预警、辅助决策等功能，但数据采集和应用方面、各个系统之间数据通用方面、各业务系统之间支撑方面，以及系统本身智能化的方面都存在一定的不足之处。

1.2.3 还没有形成一个完整管理系统。油气田开发涉及到勘探、钻井、压裂、产建、试油试气、生产管控等诸多业务领域，需要整合企业资源、做好顶层设计、形成高效系统管理机制、发挥出整体优势，国外油气田开发企业的智能油田建设侧重于现场技术层面，主要解决勘探、开发等专业领域的应用问题。与国外油气田开发企业相比较，国内石油企业目前仍是局限于一定资源区域内数字化建设为主，侧重于构建高速网络传输平台、信息化基础设施、信息管理系统等软硬件建设，均未从企业油气田勘探开发、建设、生产、运营、服务这一完整产业链的整体管理出发，系统考虑全面应用数字化管理技术。从目前实践情况来看，还没有形成油气田勘探开发全业务流程的系统性管理系统。

2 智能油田特点

2.1 多种技术综合应用。有学者通过对国内外诸如壳牌、中国石油等企业数字化建设的典型案例进行了分析研究，指出我国油气田开发企业的智能化建设，其核心是要制定与企业人力资源，以及企业发展战略相结合的数字化、信息化的转型升级路径，并以现有已开发的老油田为基础，设计实施与之生产规模相适应的智能油田建设项目，进行技术创新与油藏智能评价、生产智能控制、物流智能管理、技术方案智能选择等紧密结合。智能油田建设是跨信息技术技术、石油工程、控制工程、管理等多个学科，并实现多学科融合发展和应用的系统性工程，具有典型的协同化、一体化、共享化特征。

2.2 企业条件决定了不同投资建设方向。有关智能油田建设的投资，在油气田开发企业总投入中的占比不断升高，但不同规模、不同类型、不同地质条件的企业，所关注智能油田建设侧重方向或领域有着较大差别。目前智能油田建设，主要围绕油田自动化生产优化、预测性维护、技术方案的支撑等。

2.3 数据对于智能油田建设赋能作用凸显。随着智能油田建设不断推进，油气生产数据呈爆炸式增长。对于企业数据挖掘、处理在企业智能化建设中起决定性作用。刘平峰等以华为公司为案例，提出“创新环境——创新主体——创意开发”理论分析框架，深入分析外源数据赋能的知识积累、内源数据赋能的知识交流和内外源数据联合赋能的知识创新等三个阶段有关大数据，和企业管理创新之间内在机理。檀朝东等通过搭建复杂油气生产过程的大数据挖掘平台，根据特定的挖掘目标，建立相应的数据库，快速定制相应数据挖掘算法和石油工程业务模型，形成适应油气田开发企业实际需求的数据挖掘应用系统，实现油气生产智能化诊断、预测、优化及辅助决策。杨午阳等结合油气产业中物探技术与人工智能相结合的现状，提出了要做好前期规划、分步分层、合理人才体系，进而推进“应用地球物理+AI”的智能物探发展策略。

3 智能油田建设实践应用

长庆油田是我国目前最大的油气田开发企业，结合其“低产、低效、低渗的三低”油气田资源特性及其分布面广、区块跨度大、生产组织分散、地质赋存条件复杂、开发难度大、成本高、单井产能低、稳产难度大、油气开采高危险性、环境保护压力大等特点，积极推进工业化与信息化融合、建设智能油田。

3.1 应用领域及范围。涉及企业油气田勘探开发、建设、生产、管理、运营、服务完整产业链，小到油气田井场、站点、道路、管线、作业区（联合站），大到厂处、总部机关部门。

3.2 技术原理。应用相关的权变、激励、战略管理、系统原理、信息论等管理学理论，以及国内先进企业探索开展的工业化与信息化融合、数字油田、智能油田、数字化管理等，结合长庆油气田开发与管理实际，以建设智能油田为目标，研究建立了三端（五系统）、三辅助的数字化管理体系,实现了管理方式人本化、企业运营知识资源化、管理方案制定智能化、应急管理指挥精确化、安全（生产）管理控制实时化、油气藏模拟动态化、管理组织精简化、发展战略绿色化。

3.3 建设成果及创新点。一是全面构建了长庆油田数字化管理体系，即“三端五系统三辅助”数字化管理架构，如图1所示。前端以基本生产单元过程控制为核心，以站为中心辐射到井，构成了基本生产单元。中端以基本集输单元运行管理为核心，以联合站为中心，辐射到站和外输管线，构成基本集输单元。后端以油气藏研究为中心，辐射延伸到经营管理和决策支持，涵盖油气藏勘探、开发效益评价、开发方案部署、经营和决策的过程管理。五大系统分别是生产管理系统、生产运行指挥和安全应急预警系统、油气藏经营管理决策支持系统、企业资源计划系统和管理信息系统。三辅助分别是通信网络基础设施、交互式高清视频系统、信息安全管理系统。

图1 “三端五系统三辅助”数字化管理架构

长庆油田数字管理架构充分利用现代先进的科技手段对气田各个场站的各项生产指标参数和安全参数进行远程数据采集及监控。它集先进的自动控制技术、计算机网络技术、数据整合技术、数据共享与交换技术于一体，是提高采气生产力以及采气管理水平的有效手段和体现。并且通过数字化管理平台，气田各开发单元能实现真正意义上的数据分析、数据整合和数据共享，结合各种数字模型、经验数据、专家系统，对采气生产管理过程进行智能化指导，大大提高气田的生产管理水平。

二是研究开发了油气田统一的智能化管理平台，如图2所示。管理平台基于信息化基础设施和相关保障标准体系，实现了全域数据集成与管理，支持集成化、可视化、自动化、智能化应用服务，涵盖油气田管理的各个业务领域。在油气田智能化管理上实现了气田数字化覆盖率100%、油田数字化覆盖率91%，大幅度提升了运行管理与油气生产效率。

图2 油气田智能化管理平台

三是按照“软件标准化、应用智能化、功能模块化、维护便捷化、决策数字化”建设思路，构建了集油气集输、安全环保、重点作业现场监控、应急抢险、辅助生产保障等多项功能于一体的生产一线运行指挥系统。主要负责对数字化前端传来的实时数据进行汇总、分析和处理，并将一部分实时数据转变成管理数据，提供给不同岗位的管理人员，作为生产一线数据集散中心，并将相关数据上传至长庆油田数字化生产指挥管理系统。

四是建立六大技术系列，即电子巡井、电子执勤、数字化集成控制、智能控制、数据链技术、数字化系统管理。获得了64项国家专利。

五是研究形成了智能油田项目建设标准造价体系，构建了智能油田管理建设的标准体系，并形成了6项智能油田建设的企业标准，即《作业区数字化生产监控终端建设要求》《水源井、供水站数字化管理建设要求》《井场和增压点数字化管理建设要求》《联合站数字化管理建设要求》《数字化生产管理系统建设要求》《注水站数字化管理建设要求》。

3.4 直接经济效益和社会意义。长庆油田通过信息技术、自动化技术与管理技术深度融合，建立了完善的数字化管理机构、数字化管理培训保障机制、智能油田三级运维体系、标准化的智能油田建设流程，保证了油气田产量的持续增长和油气藏有效开发。有效地解决了油气藏经济有效开发与稳产增产、安全环保风险、控制勘探开发运维成本、控制用工、提升企业生产组织与运行管理效率、企业集约化管理、人本管理、和谐发展之间矛盾，实现了生产过程实时监控和远程操控，提高生产运行效率。同时，实现了人力资源优化配置，有效降低人员劳动强度，减少用工数量，节约生产成本，提高了经营管理水平，以人为本理念得以落实。自主创新能力大幅提升，资源利用与安全生产水平有效提升，提高了大站、大库、管线的实时管理监控能力，初步建设形成了大型智能油田，彻底转变了企业的发展方式、管理方式、生产方式、组织方式，进一步推进了管理现代化转型和现代化油气田建设，2020年油气当量突破6041万吨。

4 加强智能油田建设建议

2020年12月召开的全国能源工作会议提出要着力推进能源科技创新，加快核心技术装备新优势，深化建设能源科技创新平台，努力打造能源新技术装备优势，持续提升油气勘探开发力度。“十四五”数字化转型和人工智能加快发展，使工业企业实现数据自动化采集、建立共享机制，以及相关标准的修订制定为通过油田智能化建设，促进中国油气田开发企业持续提升油气生产管理和勘探开发水平打造了坚实的基础。

一是在油气田勘探开发工作中，应该抛弃以前那种粗放的发生产理念，通过改变原有生产模式降低成本、费用，提高企业的盈利能力。数字化转型成为油气田开发企业保持行业竞争力，实现高质量发展的重要举措。油气田开发技术的创新，及信息化所带来管理水平的提升对克服近年来外部经营环境恶化具有重要的推进作用。

二是在智能油田建设中，要做好顶层设计，要根据油气田开发企业的实际情况，建立统一的数字化平台，系统开发与生产经营紧密结合，在注重应用系统的专业性、适用性基础上，还要从油气田勘探开发及生产经营管理的整体性、通用性、高效性做好设计。

三是智能油田的发展更加倾向于数据的深入加工和利用，因此油气田开发企业在智能油田建设中要注重数据的采集质量和提升数据分析能力，研究提高数据标准，切实解决预测、诊断、优化、控制等功能对于高质量数据要求的难题，充分利用高质量的数据、高水平的分析来提高辅助决策水平。

四是加强综合性人才的培养，智能油田的建设对企业信息技术人员的综合素质提出了更高的要求，也对专业技术人员、一线操作人员及各级管理人员也提出了更高的要求。需要培养一批掌握智能油田相关的信息技术，又熟悉油气田生产技术、经营管理知识的复合型人才。

智能油田是数字油田发展到一定阶段的高级形态，是油气行业发展的必然趋势，体现了油气生产行业发展的客观规律，是油气田开发企业在生产、技术及管理经营的主要发展方向。随着油气田钻井、勘探、生产、集输等各业务领域最新的关键技术与发展趋势，以及云计算、大数据、人工智能等在油气田开发企业的成熟应用，预计到2030年油气生产行业将陆续进入全面智能化时代，我国油气田开发企业要认真落实习近平总书记关于大力提升勘探开发力度、保障我国能源安全的批示精神，积极开展跨学科和新兴学科研究，利用大数据、生物识别、分布式技术、区块链与5G技术等提升油气勘探开发能力，力争在能源开发领域有新突破，发现新的油气田，克服新冠肺炎疫情和油价暴跌叠加所带来的不利影响，推动我国油气田开发企业的可持续发展。