涪陵頁(yè)巖氣田智能化架構(gòu)探討

汪宏金

摘要：中石化重慶涪陵頁(yè)巖氣田為國(guó)家級(jí)示范區(qū)，從氣田的發(fā)現(xiàn)開始就以智能化建設(shè)為目標(biāo)。在自動(dòng)化、數(shù)字化氣田的基礎(chǔ)上，建設(shè)智能化氣田，該文提出了需從實(shí)現(xiàn)井、管網(wǎng)、集氣站、處理廠等各生產(chǎn)單元智能化，建立科學(xué)合理的氣藏工程數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)配產(chǎn)、單井及氣藏智能分析，生產(chǎn)和管理的智能化的氣田智能化架構(gòu)，并對(duì)實(shí)現(xiàn)智能化氣田的途徑和方法進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：智能化；氣田；架構(gòu)

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）18-0183-03

1 智能化氣田概述

1.1 智能氣田的概念

“智能氣田”是在“數(shù)字氣田”的基礎(chǔ)上，借助業(yè)務(wù)模型和專家系統(tǒng)，全面感知油氣田動(dòng)態(tài)，自動(dòng)操控油氣田活動(dòng)，預(yù)測(cè)油氣田變化趨勢(shì)，持續(xù)優(yōu)化油氣田管理，虛擬專家輔助油氣田決策，用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)智能地管理油氣田，基本實(shí)現(xiàn)油氣田生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、業(yè)務(wù)管理協(xié)同化和全面信息共享，支持井位部署可視化，油藏、鉆采、地面工程方案編制的全面優(yōu)化。

1.2 智能化油氣田的由來(lái)

智能化油氣田的提出僅有10余年的時(shí)間，借鑒航天航空、汽車工業(yè)生產(chǎn)管理與運(yùn)行系統(tǒng)的工作原理，殼牌公司管理層最早提出了智能化油氣田的理念，其運(yùn)行方式類似現(xiàn)代汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)：整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)封閉系統(tǒng)，大量的傳感器與一個(gè)計(jì)算機(jī)診斷系統(tǒng)相連，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過(guò)傳感器接收數(shù)據(jù)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行，并根據(jù)模型即時(shí)給出最優(yōu)化調(diào)整，汽車或者汽車工程師則相應(yīng)自動(dòng)作出調(diào)整；通過(guò)這種方式，可以大大提高燃料的有效性。

1.3 可借鑒的智能化架構(gòu)體系

1.3.1 智能建筑

智能建筑分為通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，其監(jiān)控范圍為空調(diào)與通風(fēng)系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)、公共照明系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、熱源和熱交換系統(tǒng)、冷凍和冷卻水系統(tǒng)、電梯和自動(dòng)扶梯系統(tǒng)等各子系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警及消防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)、安全防范系統(tǒng)包括入侵報(bào)警系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、出入口控制系統(tǒng)、停車庫(kù)管理系統(tǒng)、巡更系統(tǒng)等 、綜合布線系統(tǒng)、智能化系統(tǒng)集成指在建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警和消防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)、安全防范系統(tǒng)等的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)建筑管理系統(tǒng)（SMS）的集成，以滿足建筑監(jiān)控功能、管理功能和信息共享的需求、電源與接地、環(huán)境和住宅（小區(qū)）智能化等10個(gè)子分部工程；子分部工程又分為若干分項(xiàng)工程（子系統(tǒng)）。

1.3.2 智能醫(yī)院（圖1）

2 氣田智能化架構(gòu)（圖2、圖3）

3 智能化氣田建設(shè)目標(biāo)

通過(guò)智能油氣田建設(shè)，努力實(shí)現(xiàn)油氣田的“四個(gè)轉(zhuǎn)變”：數(shù)據(jù)管理由分散采集、逐級(jí)匯總、層層上報(bào)向自動(dòng)采集、集中管理、授權(quán)共享轉(zhuǎn)變；地質(zhì)研究由分專業(yè)、多層次的研究向跨專業(yè)、不同學(xué)科的協(xié)同研究轉(zhuǎn)變；生產(chǎn)管理由人工巡檢、逐級(jí)反映、經(jīng)驗(yàn)管理向生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)指揮的轉(zhuǎn)變；經(jīng)營(yíng)管理由分系統(tǒng)操作、期末算賬、事后分析向業(yè)務(wù)聯(lián)動(dòng)、事前預(yù)測(cè)、事中控制、優(yōu)化決策的轉(zhuǎn)變。實(shí)現(xiàn)更高的工作效率、更低的工作成本和人工成本、更高的設(shè)備可靠性和安全性、 更少的污染、更智能的決策過(guò)程。

3.1 氣藏、單井分析的智能化

建立氣藏、單井運(yùn)行診斷與優(yōu)化模型。智能化油氣田的核心是基于模型系統(tǒng)的最優(yōu)化，智能化油氣田的計(jì)算機(jī)模型是基于油田實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)過(guò)程而建立與實(shí)時(shí)修改的，該模型包括全油藏的方方面面，具備處理多信息不確定性能力和即時(shí)更新調(diào)整能力，并實(shí)時(shí)更新優(yōu)化油氣田生產(chǎn)指標(biāo)等。數(shù)據(jù)是建模的基礎(chǔ)，不同來(lái)源的數(shù)據(jù)都會(huì)用于油氣藏模型，包括通過(guò)傳感器、測(cè)井儀器以及井下和地面其他各種測(cè)量工具獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

單井生產(chǎn)受多重因素的綜合作用，流入能力受儲(chǔ)層特征及壓裂特征控制，流出能力除了受井筒結(jié)構(gòu)特征影響外，還受地面集輸系統(tǒng)約束，使單井運(yùn)行動(dòng)態(tài)復(fù)雜。把單井的諸多因素整合為定量的“單井模型”可以幫助實(shí)現(xiàn)單井的智能管理。

3.2 生產(chǎn)管控的智能化

通過(guò)對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的提升改造，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自主操控，各生產(chǎn)子系統(tǒng)及各環(huán)節(jié)的互聯(lián)互通和自動(dòng)調(diào)節(jié)，以滿足不同工況條件、不同配產(chǎn)方案、不同環(huán)境條件的自主調(diào)節(jié)控制。具體包括井、集氣站、管網(wǎng)、脫水站等生產(chǎn)單元的智能化建設(shè)。

3.3 安全保障的智能化

通過(guò)海量數(shù)據(jù)分析和智能預(yù)警系統(tǒng)，使井、站、管網(wǎng)、脫水站能夠安全平穩(wěn)運(yùn)行，在非正常情況下進(jìn)行分級(jí)報(bào)警，并自動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)預(yù)案，包括降低產(chǎn)量或者關(guān)斷。

3.4 集輸智能管控

進(jìn)行管道運(yùn)行的壓力、溫度、流量、管線腐蝕、泄漏等參數(shù)全過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。根據(jù)天然氣腐蝕模型，對(duì)管線腐蝕情況進(jìn)行預(yù)警；根據(jù)天然氣泄漏模型，對(duì)可能泄漏點(diǎn)進(jìn)行判斷并預(yù)警。實(shí)現(xiàn)氣田管網(wǎng)運(yùn)行的智能管控。

3.5 設(shè)備智能管理

建立設(shè)備管理系統(tǒng)，系統(tǒng)及時(shí)、準(zhǔn)確的自動(dòng)報(bào)警，并診斷出設(shè)備異常原因，預(yù)測(cè)設(shè)備持續(xù)運(yùn)行狀況。設(shè)備知識(shí)庫(kù)準(zhǔn)確給出故障位置，提供維修預(yù)案，并記錄案例。通過(guò)智能儀表管理系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀表自身的運(yùn)行狀況及導(dǎo)壓管等附屬實(shí)施的情況，以確認(rèn)儀表反應(yīng)的參數(shù)的可靠性。根據(jù)故障報(bào)警信息，推送相應(yīng)維修方案、維修方法，消除故障。

4 智能化建設(shè)實(shí)施

4.1 智能化生產(chǎn)管控系統(tǒng)——井、集氣站、管網(wǎng)、脫水站等單元的智能化建設(shè)及數(shù)據(jù)分析預(yù)警

4.1.1 單井的智能化

實(shí)現(xiàn)在壓力、可燃?xì)怏w濃度等異常情況下分級(jí)別進(jìn)行預(yù)警和提醒，在最高級(jí)別預(yù)警狀態(tài)下進(jìn)行自主井底 （在具備井下安全閥的情況下）或井口的快速關(guān)斷，在其他情況下經(jīng)操作人員確認(rèn)后進(jìn)行關(guān)斷。

后期開展智能井試驗(yàn)工作，智能井是一個(gè)實(shí)時(shí)注采管理網(wǎng)絡(luò)，是一種利用放置在井下的永久性傳感器實(shí)時(shí)采集井下壓力、溫度、流量等參數(shù)，通過(guò)通信線纜將采集的信號(hào)傳輸?shù)降孛?，利用軟件平臺(tái)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘、分析和學(xué)習(xí)，同時(shí)結(jié)合油藏?cái)?shù)值模擬技術(shù)和優(yōu)化技術(shù)，形成油藏管理決策信息，并通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)反饋到井下對(duì)油層進(jìn)行生產(chǎn)遙控、提高油井產(chǎn)狀的生產(chǎn)系統(tǒng)。

4.1.2 集氣站智能化

集氣站是天然氣生產(chǎn)的主要環(huán)節(jié)和單元，通過(guò)智能化改造達(dá)到集氣站能夠?qū)崿F(xiàn)自主調(diào)節(jié)產(chǎn)量、溫度、壓力等參數(shù)。智能化集氣站建設(shè)應(yīng)在現(xiàn)有基礎(chǔ)上增加智能角形調(diào)節(jié)閥和相應(yīng)的控制系統(tǒng)：在不同工況條件下，保持出站溫度、壓力、流量的基本恒定，但是在超過(guò)一定限度時(shí)又能夠自主進(jìn)行調(diào)節(jié)降低產(chǎn)量，保證管網(wǎng)壓力的平穩(wěn)。具體的在集氣站出站壓力高于（低于）設(shè)定值、在出水量過(guò)大或分離器液位過(guò)高時(shí)、加熱爐出口溫度在一定時(shí)間內(nèi)過(guò)低不能自動(dòng)升高等異常情況下，系統(tǒng)自動(dòng)降低各井產(chǎn)量直至流量為零。在井口關(guān)斷情況下實(shí)施相應(yīng)的自動(dòng)操作；加熱爐的水浴溫度在不同產(chǎn)量情況下保持恒定（目前已基本實(shí)現(xiàn)）。

4.1.3 管網(wǎng)運(yùn)行智能控制與監(jiān)測(cè)

建立管網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)分析管網(wǎng)起始點(diǎn)、RTU閥室及脫水站進(jìn)口壓力溫度變化，實(shí)時(shí)輸差變化，自動(dòng)的智能化判斷管網(wǎng)運(yùn)行狀況，在異常狀況下進(jìn)行預(yù)警提醒。建設(shè)光纖泄漏檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)在線檢測(cè)管道泄漏及大型施工、占?jí)呵闆r，通過(guò)三維場(chǎng)景模擬，結(jié)合管道數(shù)據(jù)采集成果，在線顯示管道泄漏地點(diǎn)及周邊情況。泄漏檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合管網(wǎng)起始點(diǎn)、RTU閥室及脫水站進(jìn)口壓力、溫度、流量變化進(jìn)行綜合判定，給出管網(wǎng)泄漏提示預(yù)警，并與井、集氣站、脫水站控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。在后期定期進(jìn)行管道內(nèi)檢測(cè)，借助數(shù)據(jù)模型將檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析診斷，進(jìn)行管道運(yùn)行的預(yù)測(cè)預(yù)警，避免管道穿孔泄漏的事故發(fā)生。

4.1.4 脫水站的智能化

脫水站為有人值守戰(zhàn)場(chǎng)，目前已經(jīng)能夠滿足生產(chǎn)自動(dòng)化和數(shù)字化需求，控制系統(tǒng)裝備比較齊全，脫水站的智能化建設(shè)主要是脫水工藝控制智能化。在工藝超出預(yù)設(shè)值一定范圍后，系統(tǒng)分級(jí)別進(jìn)行超限提醒和預(yù)警，在突然停電、出站壓力急劇超壓等突發(fā)事件時(shí)，進(jìn)行關(guān)斷預(yù)警，在人工確定后進(jìn)行緊急關(guān)斷。

4.1.5 集中遠(yuǎn)程設(shè)備及智能儀表自診斷系統(tǒng)

井口（井下）、集氣站、閥室、脫水站均安裝有大量的支持HART（Highway Addressable Remote Transducer）協(xié)議的智能儀表，包括壓力變送器、溫度變送器、液位變送器、流量?jī)x表、可燃?xì)怏w檢測(cè)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，儀表及執(zhí)行機(jī)構(gòu)自身是否運(yùn)行正常，檢測(cè)輸出數(shù)據(jù)是否真實(shí)可靠是至關(guān)重要的。實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（儀表）的集中管理：包括設(shè)備運(yùn)行情況、維護(hù)信息、預(yù)測(cè)性分析、在線組態(tài)和調(diào)試、在線標(biāo)定、事件順序跟蹤記錄、自動(dòng)生成各種標(biāo)準(zhǔn)報(bào)告，降低整個(gè)測(cè)量和控制系統(tǒng)的不確定性。在設(shè)備運(yùn)行分析管理系統(tǒng)中建立設(shè)備資產(chǎn)檔案、提前預(yù)警，減少巡檢維護(hù)工作量。

4.1.6 供電系統(tǒng)運(yùn)行狀況的智能化監(jiān)控

1）在集氣站、脫水站、閥室等地方增加電力監(jiān)控設(shè)備，對(duì)供電方式進(jìn)行識(shí)別（市電/UPS供電/發(fā)電機(jī)發(fā)電），對(duì)UPS運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，自動(dòng)定期對(duì)UPS進(jìn)行充放電操作。

2）根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示情況，對(duì)集氣站、脫水站、閥室等地方電力運(yùn)行異常狀態(tài)（超壓/欠壓）進(jìn)行報(bào)警，并結(jié)合公司已有短信網(wǎng)關(guān)平臺(tái)，對(duì)關(guān)鍵人員進(jìn)行警報(bào)信息發(fā)送。報(bào)警和事件具有應(yīng)用類別、優(yōu)先級(jí)、責(zé)任區(qū)、智能化處理和確認(rèn)機(jī)制，這使得運(yùn)行人員能夠快速、準(zhǔn)確地捕捉最新的報(bào)警和事件，提高處理報(bào)警和事件的響應(yīng)速度，保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

4.2 智能化安全保障系統(tǒng)——各種非正常情況下的自主控制與切斷

無(wú)人值守集氣站的安全平穩(wěn)運(yùn)行是擺在我們信息化工作人員面前的首要問(wèn)題。在復(fù)雜多變的各種情況下，控制系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)異常智能報(bào)警，事故緊急關(guān)停，保證氣井和集氣站設(shè)備及管網(wǎng)的安全運(yùn)行。

智能化安全保障系統(tǒng)需要與已建HSE系統(tǒng)、應(yīng)急指揮系統(tǒng)、脫水站火氣系統(tǒng)管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行整合，形成一體化的安全保障系統(tǒng)，在應(yīng)急指揮系統(tǒng)的流程中對(duì)氣田進(jìn)行應(yīng)急處置時(shí)，指令能在智能化安全保障系統(tǒng)中傳遞，可同時(shí)采用多種通信方式進(jìn)行并發(fā)通訊，對(duì)脫水站、集氣站、單井進(jìn)行緊急關(guān)斷處理。

5 結(jié)語(yǔ)

智能化氣田融合信息化技術(shù)、自主控制技術(shù)和管理創(chuàng)新手段，改造和建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和自控系統(tǒng)，降低油氣田運(yùn)營(yíng)中人為因素的干擾，優(yōu)化氣田運(yùn)營(yíng)流程、降低氣田運(yùn)營(yíng)成本，變被動(dòng)運(yùn)行方式為主動(dòng)運(yùn)行方式，提升氣田整體運(yùn)營(yíng)效率。

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