數(shù)字孿生技術(shù)在油氣行業(yè)中的應(yīng)用研究

楊天翔 吳 曦 李 銳 陳 燦 李 艷 袁 菁

（1.中國石油西南油氣田公司天然氣經(jīng)濟(jì)研究所，四川 成都 610051；2.中國石油西南油氣田公司，四川 成都 610051；3.中國石油西南油氣田公司川中油氣礦，四川 遂寧 629000；4.中國石油西南油氣田公司輸氣管理處，四川 成都 610051）

0 引言

當(dāng)前，隨著新興數(shù)字技術(shù)所引發(fā)、以智能化為標(biāo)志的數(shù)字化轉(zhuǎn)型方興未艾，深度激發(fā)傳統(tǒng)行業(yè)的發(fā)展?jié)摿?，?chuàng)造出全新行業(yè)面貌［1］。加之近年來全球疫情的沖擊和影響，資本密集型的石油天然氣工業(yè)正面臨著“大規(guī)模人員變動(dòng)”，因此正逐步對(duì)行業(yè)傳統(tǒng)業(yè)務(wù)模式進(jìn)行改革，嘗試使用集成數(shù)字化技術(shù)以解決技能差距問題，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)出和收入的最大化，同時(shí)減少HSE（健康、安全、環(huán)保）風(fēng)險(xiǎn)、資本成本和運(yùn)營成本。油氣公司正在考量數(shù)字孿生技術(shù)在石油與天然氣行業(yè)中所能發(fā)揮的作用。數(shù)字孿生系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分在石油天然氣行業(yè)中早有運(yùn)用，數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)建模和數(shù)據(jù)模擬等工作在石油天然氣行業(yè)中也較為普及。然而，這些技術(shù)在石油天然氣行業(yè)中的實(shí)施多見于單一性的應(yīng)用，而非全行業(yè)的實(shí)施，這就大大限制了數(shù)字孿生技術(shù)的效用［2］。

石油天然氣行業(yè)中有一系列應(yīng)用領(lǐng)域有望從數(shù)字孿生相關(guān)技術(shù)中受益。資產(chǎn)監(jiān)控和維護(hù)、項(xiàng)目規(guī)劃和生命周期管理都是數(shù)字孿生技術(shù)極具發(fā)展前景的應(yīng)用領(lǐng)域。此外，協(xié)作和知識(shí)共享、鉆井、虛擬學(xué)習(xí)和培訓(xùn)、海洋平臺(tái)和基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)研究、勘探和地質(zhì)研究、管道、智能油田和虛擬調(diào)試等也都是學(xué)術(shù)界重點(diǎn)關(guān)注的應(yīng)用領(lǐng)域。

為深入探究石油天然氣行業(yè)數(shù)字孿生技術(shù)與業(yè)務(wù)的深度融合，推進(jìn)行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化發(fā)展，以數(shù)字孿生為研究對(duì)象，分析應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)在油氣行業(yè)的應(yīng)用提供了針對(duì)性建議，并指出其間可能存在的風(fēng)險(xiǎn)與面臨的挑戰(zhàn)。

1 數(shù)字孿生技術(shù)概述

1.1 數(shù)字孿生技術(shù)概念

近年來，對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)的認(rèn)知僅僅停留在物理世界的三維可視化層面。其作為實(shí)現(xiàn)虛實(shí)之間雙向映射、動(dòng)態(tài)交互、實(shí)時(shí)連接的關(guān)鍵途徑，可將物理實(shí)體和系統(tǒng)的屬性、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、性能、功能和行為映射到虛擬世界［3］，形成高保真的動(dòng)態(tài)多維模型［4］，為觀察物理世界、認(rèn)識(shí)物理世界、理解物理世界、控制物理世界、改造物理世界提供了一種有效手段［5］。當(dāng)前數(shù)字孿生備受學(xué)術(shù)界、工業(yè)界、金融界、政府部門關(guān)注。從不同的角度出發(fā)，研究人員對(duì)數(shù)字孿生的理解存在著不同認(rèn)識(shí)，就石油與天然氣行業(yè)而言，數(shù)字孿生技術(shù)更側(cè)重于在產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析與挖掘、數(shù)據(jù)集成與融合等方面的價(jià)值［6］。

數(shù)字孿生生態(tài)系統(tǒng)由基礎(chǔ)支撐層、數(shù)據(jù)互動(dòng)層、模型構(gòu)建與仿真分析層、共性應(yīng)用層和行業(yè)應(yīng)用層組成。其中基礎(chǔ)支撐層由工業(yè)設(shè)備、城市建筑設(shè)備、交通工具、醫(yī)療設(shè)備等具體設(shè)備組成。數(shù)據(jù)互動(dòng)層包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理等。內(nèi)容模型構(gòu)建與仿真分析層包括數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)仿真和控制。共性應(yīng)用層包括描述、診斷、預(yù)測、決策四個(gè)方面。行業(yè)應(yīng)用層則包括智能制造、智慧城市在內(nèi)的多方面應(yīng)用，如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生生態(tài)系統(tǒng)圖

1.2 數(shù)字孿生技術(shù)現(xiàn)狀

目前已有較多成熟的數(shù)字孿生技術(shù)框架。其中接受度最高的框架包括三個(gè)主要組成部分：物理空間、虛擬空間和兩大空間之間的聯(lián)系，如圖2所示。物理空間包含物理資產(chǎn)、傳感器和執(zhí)行器，而虛擬空間則包括多物理、多尺度的概率仿真模型，這些模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合和分析并進(jìn)行仿真模擬，以確定物理資產(chǎn)的最優(yōu)控制參數(shù)和條件。物理空間和虛擬空間之間的聯(lián)系確保了數(shù)據(jù)和啟動(dòng)指令（驅(qū)動(dòng)）在這兩個(gè)空間之間的無縫交換。

圖2 三組件數(shù)字孿生體框架圖

當(dāng)前最先進(jìn)的數(shù)字孿生技術(shù)通用框架將三組件數(shù)字孿生體框架擴(kuò)展為五組件數(shù)字孿生體框架，它包括物理空間、虛擬空間、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)融合模塊、服務(wù)系統(tǒng)以及這四個(gè)模塊之間的聯(lián)系交互（圖3）。在五組件模型中，物理空間包含物理資產(chǎn)、傳感器和執(zhí)行器，對(duì)應(yīng)著數(shù)字孿生生態(tài)系統(tǒng)中的基礎(chǔ)支撐層和數(shù)據(jù)互動(dòng)層，是數(shù)字孿生體框架的底層基礎(chǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸與處理。虛擬空間是對(duì)物理對(duì)象進(jìn)行高保真模擬的數(shù)字化鏡像，對(duì)應(yīng)著數(shù)字孿生生態(tài)系統(tǒng)中的模型構(gòu)建層與仿真分析層，建模和仿真是創(chuàng)建和運(yùn)行數(shù)字孿生、確保數(shù)字孿生與相應(yīng)物理實(shí)體實(shí)現(xiàn)閉環(huán)管理的核心技術(shù)，包括模型構(gòu)建和模型仿真等技術(shù)［7］服務(wù)系統(tǒng)包含可視化服務(wù)、產(chǎn)品質(zhì)量服務(wù)、診斷服務(wù)、模型校準(zhǔn)服務(wù)、算法服務(wù)、各種數(shù)據(jù)服務(wù)等其他企業(yè)軟件工具，對(duì)應(yīng)著數(shù)字孿生生態(tài)系統(tǒng)中的共性應(yīng)用層與行業(yè)應(yīng)用層。數(shù)字孿生數(shù)據(jù)融合模型是物理空間、虛擬空間和服務(wù)系統(tǒng)之間的橋梁。該模塊從傳感器（即物理空間）、仿真模型（即虛擬空間）和服務(wù)系統(tǒng)中收集數(shù)據(jù)。通過數(shù)字孿生數(shù)據(jù)融合模型對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析，可生成其他三個(gè)模塊的驅(qū)動(dòng)指令［8］。

圖3 五組件數(shù)字孿生體框架圖

1.3 數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展趨勢

數(shù)字孿生的基礎(chǔ)概念由20世紀(jì)美國國家航空航天局（NASA）首次提出，明確的概念則是由Michael Grieves在2003年首次提出，他指出數(shù)字孿生是指充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程［9］。數(shù)字孿生在較長時(shí)期內(nèi)主要應(yīng)用于航空航天等軍事領(lǐng)域，2012年，NASA公布了“建模、仿真、信息技術(shù)和處理”路線圖，數(shù)字孿生才首次進(jìn)入大眾視野，并迅速引起了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的極大興趣，越來越多的企業(yè)逐漸開始進(jìn)行相關(guān)布局。作為新興技術(shù)的風(fēng)向標(biāo)［10］。

現(xiàn)今，數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展具有通用化、擬實(shí)化、集成化和智能化的方向發(fā)展［10］。雖然數(shù)字孿生技術(shù)目前受限于各行業(yè)的信息化和數(shù)字化水平參差不齊，通用化平臺(tái)較少，但隨著各行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的持續(xù)推進(jìn)，生產(chǎn)過程中積累的數(shù)據(jù)更加豐富，加之區(qū)塊鏈等信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域軟硬件的快速發(fā)展，構(gòu)建更具普適性的擬實(shí)化、集成化、智能化數(shù)字孿生體是大勢所趨。

在石油天然氣行業(yè)中，數(shù)字化轉(zhuǎn)型已經(jīng)由早期的工程應(yīng)用和學(xué)科集成轉(zhuǎn)向基于云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)四大技術(shù)的交叉融合，通過使用新的數(shù)字技術(shù)和強(qiáng)化數(shù)據(jù)計(jì)算能力等實(shí)現(xiàn)效益增長［11］。雖然目前數(shù)字孿生化在油氣行業(yè)中還屬于初級(jí)概念階段，但是由于孿生化能夠基于現(xiàn)有的各種基本設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、處理和建模及仿真，為用戶提供智能應(yīng)用、精確管理和可靠運(yùn)維等功能，我們可以推測數(shù)字孿生將是石油天然氣行業(yè)持續(xù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的一個(gè)可靠方式和重要方向。

國外學(xué)者Thumeera R等采用系統(tǒng)研究法來進(jìn)行文獻(xiàn)篩選，對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了分析研究，他們指出資產(chǎn)完整性監(jiān)測、項(xiàng)目規(guī)劃、和生命周期管理是數(shù)字孿生技術(shù)在石油與天然氣工業(yè)中的關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域，而網(wǎng)絡(luò)安全問題、缺乏標(biāo)準(zhǔn)化，以及應(yīng)用范圍和工作重點(diǎn)的不確定性是數(shù)字孿生技術(shù)在石油與天然氣工業(yè)中應(yīng)用時(shí)所面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。此外從油氣行業(yè)數(shù)字孿生相關(guān)研究的地理分布來看，美國是油氣行業(yè)數(shù)字孿生研究的主要國家，其次是挪威、英國、加拿大、中國、意大利、荷蘭、巴西、德國和沙特阿拉伯。

筆者通過記錄每篇文章中所提到的應(yīng)用領(lǐng)域，計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域的總數(shù)，并將其作為關(guān)鍵應(yīng)用的排名指標(biāo)進(jìn)行排序。圖4總結(jié)了全球199篇文章中排名前十的應(yīng)用領(lǐng)域以及它們的相對(duì)流行程度［12］可以看出石油與天然氣行業(yè)中有一系列應(yīng)用領(lǐng)域有望從數(shù)字孿生相關(guān)技術(shù)中受益。

圖4 全球排名前10的應(yīng)用領(lǐng)域分類結(jié)果圖

2 數(shù)字孿生技術(shù)在油氣行業(yè)的應(yīng)用建議

2.1 動(dòng)態(tài)監(jiān)測油氣資產(chǎn)，控制風(fēng)險(xiǎn)延長運(yùn)行壽命

（1）資產(chǎn)性能管理

數(shù)字孿生系統(tǒng)從油氣資產(chǎn)中采集數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)（或近實(shí)時(shí)）分析，從而獲得關(guān)于這些數(shù)據(jù)資產(chǎn)的深刻認(rèn)識(shí)。具體包括產(chǎn)量、系統(tǒng)瓶頸、操作條件、故障、優(yōu)化生產(chǎn)的控制參數(shù)、資產(chǎn)的結(jié)構(gòu)完整性水平、潛在的故障模式和故障發(fā)生率，以及近期維修和更換的要求。此外，數(shù)字孿生系統(tǒng)還提供了可視化風(fēng)險(xiǎn)和資產(chǎn)關(guān)鍵性能指標(biāo)的單一接口。運(yùn)營商可以利用數(shù)據(jù)資產(chǎn)認(rèn)知和指標(biāo)來優(yōu)化生產(chǎn)，優(yōu)化維修和更換計(jì)劃，并執(zhí)行“假設(shè)”模擬場景來提高產(chǎn)量，同時(shí)減少停機(jī)時(shí)間。此外，對(duì)于存在潛在結(jié)構(gòu)完整性問題的資產(chǎn)，可以對(duì)“假設(shè)”場景進(jìn)行評(píng)估，以確定降級(jí)操作條件。例如，操作人員可以對(duì)數(shù)字孿生系統(tǒng)進(jìn)行“假設(shè)”模擬，以確定壓力容器內(nèi)壁變薄時(shí)的額定運(yùn)行條件?；跀?shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，生產(chǎn)作業(yè)可以一直持續(xù)到下一個(gè)非高峰周期或周轉(zhuǎn)周期，但不會(huì)增加HSE（健康、安全、環(huán)保）風(fēng)險(xiǎn)。通過找到一個(gè)最佳的維修和維護(hù)計(jì)劃，并有選擇地推遲維修和更換時(shí)間，避免了計(jì)劃外的人工干預(yù)和頻繁的關(guān)閉和重啟資產(chǎn)，從而延長了資產(chǎn)的運(yùn)行壽命。除了管理現(xiàn)有資產(chǎn)性能所帶來的好處之外，通過數(shù)字孿生系統(tǒng)所得到的數(shù)據(jù)資產(chǎn)認(rèn)知還可以存儲(chǔ)在知識(shí)管理系統(tǒng)中，在未來用于更好地開發(fā)新項(xiàng)目。

（2）資產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

數(shù)字孿生系統(tǒng)通過應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)和人工智能算法來檢測和糾正資產(chǎn)故障。數(shù)字孿生系統(tǒng)會(huì)持續(xù)監(jiān)測與數(shù)字孿生系統(tǒng)相連的每個(gè)物理資產(chǎn)的適用性，以識(shí)別潛在故障，從而避免事故。當(dāng)工程團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)新的操作程序來提高產(chǎn)量時(shí)，這個(gè)新程序可以在數(shù)字孿生系統(tǒng)上進(jìn)行評(píng)估，以檢查安裝在生產(chǎn)設(shè)施中的任何設(shè)備是否會(huì)對(duì)員工、設(shè)施或環(huán)境構(gòu)成威脅。一旦在數(shù)字孿生系統(tǒng)上驗(yàn)證了其操作安全性，新的控制參數(shù)就可以應(yīng)用到實(shí)物資產(chǎn)上。這減少了與設(shè)備控制參數(shù)更新相關(guān)的HSE（健康、安全、環(huán)保）風(fēng)險(xiǎn)。通常情況下，一個(gè)特定的生產(chǎn)或鉆井設(shè)施會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，作業(yè)人員無法評(píng)估該資產(chǎn)是否符合HSE（健康、安全、環(huán)保）標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)法規(guī)。數(shù)字孿生系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)分析能力可以通過監(jiān)控資產(chǎn)并向包括監(jiān)管機(jī)構(gòu)在內(nèi)的相關(guān)責(zé)任方發(fā)出警告的方式來解決這一限制。數(shù)字孿生技術(shù)還可以用于開發(fā)一種程序，使資產(chǎn)恢復(fù)到符合HSE（健康、安全、環(huán)保）和其他監(jiān)管要求的水平［13］。

2.2 縮短規(guī)劃時(shí)間，助力提質(zhì)增效

（1）避免錯(cuò)誤傳達(dá)和信息浪費(fèi)

傳統(tǒng)的供應(yīng)鏈跟蹤和項(xiàng)目文檔存在錯(cuò)誤傳達(dá)和信息浪費(fèi)的可能。例如，在油氣生產(chǎn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)階段，如果工程團(tuán)隊(duì)更新了閥門尺寸，并將此信息告知閥門制造商，但忘記通知管道部門，那么管道部門就會(huì)繼續(xù)根據(jù)原始閥門尺寸來生產(chǎn)或購買閥門。因此，在施工團(tuán)隊(duì)將推遲工作，同時(shí)為新閥門采購正確尺寸的閥門。若將此類更新以數(shù)字的形式輸入到數(shù)字孿生系統(tǒng)中，即可避免此類錯(cuò)誤。數(shù)字孿生系統(tǒng)通常采取兩種形式來更新信息：1）通過電子郵件或短信發(fā)送給相關(guān)各方；2）在數(shù)字孿生系統(tǒng)中設(shè)計(jì)可視化告警，直到相關(guān)各方確認(rèn)接收到該更新。

除了錯(cuò)誤傳達(dá)，傳統(tǒng)的項(xiàng)目管理和文件編制方法也會(huì)導(dǎo)致在各階段傳遞過渡所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和信息被錯(cuò)誤放置。這是多個(gè)油田服務(wù)公司（或同一公司的多個(gè)團(tuán)隊(duì)）在不同開發(fā)階段開展工作導(dǎo)致的。如果所有的開發(fā)活動(dòng)都被嵌入到數(shù)字孿生系統(tǒng)中，那么在不同開發(fā)階段過渡時(shí)就能避免數(shù)據(jù)丟失。數(shù)字孿生系統(tǒng)的這類功能通過消除重復(fù)性工作，為節(jié)約成本創(chuàng)造了機(jī)會(huì)，從而加快了項(xiàng)目進(jìn)度。

（2）縮短設(shè)計(jì)規(guī)劃時(shí)間

一般來說，每個(gè)油氣設(shè)施，特別是海上生產(chǎn)設(shè)施，根據(jù)其油藏特征和油田位置的不同，都有其獨(dú)特的設(shè)計(jì)。這需要工程團(tuán)隊(duì)從頭開始設(shè)計(jì)平臺(tái)，但因此也增加了油田開發(fā)運(yùn)營的時(shí)間。隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展，領(lǐng)先的油田服務(wù)公司利用數(shù)字孿生技術(shù)來加速設(shè)計(jì)和施工過程。這些公司將數(shù)字孿生技術(shù)和自由項(xiàng)目相結(jié)合，為新項(xiàng)目構(gòu)建起初始虛擬設(shè)施。在這個(gè)虛擬設(shè)施平臺(tái)上運(yùn)行一系列模擬試驗(yàn)，以確定最佳設(shè)計(jì)方案。之后，工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)隨后被添加到虛擬設(shè)施中。不同團(tuán)隊(duì)/供應(yīng)商交付的組件通過數(shù)字孿生系統(tǒng)的協(xié)作接口進(jìn)行驗(yàn)證和核準(zhǔn)。采用這種設(shè)計(jì)方法，可大大縮短生產(chǎn)設(shè)施的設(shè)計(jì)和施工時(shí)間。例如，基于虛擬模型的方法，支撐固定海上平臺(tái)甲板和上部甲板的鋼構(gòu)框架（導(dǎo)管架）的設(shè)計(jì)周期從9個(gè)月縮短到了3-4個(gè)月［14］。

一旦設(shè)計(jì)工作和設(shè)備建造工作完成，隨之而來的便是調(diào)試工作。這是一個(gè)非常耗時(shí)的過程，并伴隨著一些HSE風(fēng)險(xiǎn)?；诟弑Ｕ娴臄?shù)字孿生系統(tǒng)，生產(chǎn)設(shè)施便可以進(jìn)行預(yù)先調(diào)整，并對(duì)控制回路進(jìn)行驗(yàn)證，以得到正確的操作方式。這可以大大減少調(diào)試時(shí)間，從而降低HSE風(fēng)險(xiǎn)。相關(guān)資料調(diào)查結(jié)果也表明，虛擬設(shè)施的使用在生產(chǎn)設(shè)施的設(shè)計(jì)、建造和操作中特別有用。

通過使用數(shù)字孿生技術(shù)，運(yùn)營商可以基于現(xiàn)有資產(chǎn)開發(fā)未來的作業(yè)場景，也可以規(guī)劃新資產(chǎn)未來的發(fā)展前景。通過運(yùn)行一系列“假設(shè)”模擬的方式來確定最佳的作業(yè)/開發(fā)場景。在更新控制參數(shù)或開發(fā)新資產(chǎn)（并隨后提高產(chǎn)能）時(shí)，通過應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)可以減少非生產(chǎn)時(shí)間。

（3）工藝自動(dòng)化效率提升

由于數(shù)字孿生系統(tǒng)與物理資產(chǎn)相連，因此它能夠獲得來自傳感器的數(shù)據(jù)，并能夠?qū)@些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而產(chǎn)生與實(shí)際操作相關(guān)的深刻見解。此外，它還可以用于油氣鉆井、生產(chǎn)或處理設(shè)施的自動(dòng)化操作。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析，數(shù)字孿生系統(tǒng)可以為附加在設(shè)備上的執(zhí)行器生成最優(yōu)的控制指令。由于大多數(shù)發(fā)生在油氣設(shè)施的事故都存在一些人為失誤的因素，在自動(dòng)化技術(shù)的幫助下，施工人員有望遠(yuǎn)離危險(xiǎn)和偏遠(yuǎn)的工作地點(diǎn)。這間接地提高了設(shè)備的安全性，并降低了事故發(fā)生率。此外，自動(dòng)化工藝流程還可以提高作業(yè)的一致性，從而實(shí)現(xiàn)全天候的連續(xù)作業(yè)。

現(xiàn)有的油氣資產(chǎn)通常具備數(shù)據(jù)采集能力。盡管如此，仍需要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行審查、清洗和評(píng)估，以確定當(dāng)前和未來的操作條件，從而確保資產(chǎn)的可靠性、合規(guī)性，并處理其安全和關(guān)鍵生產(chǎn)問題。這是一項(xiàng)勞動(dòng)密集型的工作，數(shù)字孿生技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析和生成深刻認(rèn)識(shí)的自動(dòng)化。

2.3 人才虛擬培訓(xùn)，減少運(yùn)行事故

（1）虛擬培訓(xùn)

油氣設(shè)施的安全、可持續(xù)運(yùn)行通常取決于員工的培訓(xùn)水平和工作經(jīng)驗(yàn)。從全球來看，石油與天然氣公司正面臨著“大規(guī)模人員變動(dòng)（Big-crew change）”的挑戰(zhàn)。未來，超過50%的有經(jīng)驗(yàn)的員工將面臨退休，這將導(dǎo)致整個(gè)行業(yè)的技能和人才短缺。由于文化、人口和技術(shù)方面的挑戰(zhàn)，這些退休的專業(yè)人士所擁有的知識(shí)可能無法有效地傳遞給下一代。因此，需要有效的培訓(xùn)計(jì)劃來引導(dǎo)新員工進(jìn)入石油與天然氣行業(yè)。數(shù)字孿生即使結(jié)合拓展現(xiàn)實(shí)技術(shù)（包括VR、AR和MR），能構(gòu)建一個(gè)虛擬平臺(tái)，用于培訓(xùn)新員工在油氣設(shè)施內(nèi)引導(dǎo)、操作設(shè)備、對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和檢查，并與正在進(jìn)行的生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)行交互。該培訓(xùn)使新員工充分了解油氣設(shè)施，并確保他們了解操作程序。這樣的虛擬培訓(xùn)可以幫助減少在培訓(xùn)新員工使用運(yùn)營實(shí)體資產(chǎn)時(shí)可能發(fā)生的中斷或事故的數(shù)量。

（2）應(yīng)急響應(yīng)訓(xùn)練

定期的安全培訓(xùn)，如消防演習(xí)和緊急疏散培訓(xùn)，在石油與天然氣行業(yè)是強(qiáng)制性的。在此類培訓(xùn)期間，設(shè)備可能需要停機(jī)，操作可能需要暫停，導(dǎo)致工廠產(chǎn)能的下降。此外，海上設(shè)施的緊急疏散培訓(xùn)不僅費(fèi)用高昂，還可能給船上人員帶來不必要的風(fēng)險(xiǎn)。一些應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃，如紐芬蘭近海的ICE管理計(jì)劃，可能會(huì)要求浮式生產(chǎn)作業(yè)暫停生產(chǎn)、斷開連接、開船遠(yuǎn)航、返航、重新連接、并評(píng)估是否適合提供服務(wù)，然后再重新啟動(dòng)。對(duì)海上工作人員進(jìn)行此類應(yīng)急響應(yīng)培訓(xùn)，會(huì)增加設(shè)備的停機(jī)時(shí)間，并且關(guān)閉、斷開、重新連接和重啟活動(dòng)會(huì)縮短設(shè)備壽命。這些限制因素可以通過數(shù)字孿生系統(tǒng)培訓(xùn)模塊來減少或消除。

2.4 增強(qiáng)系統(tǒng)決策，構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室

石油與天然氣行業(yè)是一個(gè)資本密集型行業(yè)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)施正常運(yùn)行時(shí)間的最大化非常重要。因此，及時(shí)做出正確的決策對(duì)于減少停機(jī)時(shí)間和HSE（健康、安全、環(huán)保）風(fēng)險(xiǎn)、最大化產(chǎn)量和收益而言是至關(guān)重要的。當(dāng)油田資產(chǎn)遇到緊急情況時(shí)，多個(gè)專家可能會(huì)對(duì)該情況進(jìn)行審查和討論，并共同開發(fā)出一個(gè)解決方案。當(dāng)專家不在同一地點(diǎn)或靠近該設(shè)施，那么他們之間的合作是具有挑戰(zhàn)性的。傳統(tǒng)的基于電話會(huì)議的方法可能效果欠佳。然而，數(shù)字孿生系統(tǒng)可以增強(qiáng)協(xié)作，全球各地的專家可以協(xié)同作業(yè)，并能按需訪問來自數(shù)字孿生系統(tǒng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)和重要信息。此外，基于數(shù)字孿生技術(shù)還能建立虛擬控制室，以便專家們集體討論、模擬和制定緊急情況的最佳解決方案。通過有效的物理和網(wǎng)絡(luò)安全方案及可靠的通信機(jī)制，數(shù)字孿生技術(shù)可用于構(gòu)建虛擬控制室，以解決海上和其他偏遠(yuǎn)地區(qū)員工的4-D障礙（危險(xiǎn)、骯臟、距離和枯燥）［15］的問題。

3 數(shù)字孿生技術(shù)潛在風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)

3.1 數(shù)據(jù)亟需標(biāo)準(zhǔn)化及信息共享

雖然數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生系統(tǒng)的支柱，但現(xiàn)有的現(xiàn)場數(shù)據(jù)通常不遵循通用的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)可以是非結(jié)構(gòu)化的（例如，可移植的文檔格式），半結(jié)構(gòu)化的（例如，運(yùn)營商完整性管理程序的日志文件），或結(jié)構(gòu)化的（例如，逗號(hào)分隔文件，excel電子表格）。不同供應(yīng)商的數(shù)據(jù)集成平臺(tái)也采用不同的標(biāo)準(zhǔn)和方法。此外，由于現(xiàn)有數(shù)據(jù)通常不會(huì)鏈接到公共數(shù)據(jù)庫，并且經(jīng)常存儲(chǔ)在不同的位置，因此這使得將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集成到單個(gè)數(shù)據(jù)分析模塊具有一定的挑戰(zhàn)性。因此，需要構(gòu)建中間解釋器將私有數(shù)據(jù)源和開放數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字孿生系統(tǒng)內(nèi)部可以識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)格式。

數(shù)字孿生系統(tǒng)所生成的數(shù)據(jù)可以用于未來新資產(chǎn)設(shè)計(jì)、已有資產(chǎn)改良以及開發(fā)先進(jìn)的數(shù)據(jù)科學(xué)算法。無論“數(shù)據(jù)是不是新的石油資源”，但隨著石油與天然氣行業(yè)數(shù)字化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，數(shù)據(jù)將越來越發(fā)揮出關(guān)鍵作用。通用電氣和西門子等技術(shù)巨頭正在為石油與天然氣行業(yè)開發(fā)數(shù)字孿生系統(tǒng)，而油氣服務(wù)供應(yīng)商和運(yùn)營商也在使用這些產(chǎn)品。明確數(shù)據(jù)所有權(quán)是至關(guān)重要的一環(huán)。保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）、實(shí)現(xiàn)安全訪問、責(zé)任合理分配以及在共享數(shù)據(jù)時(shí)為利益相關(guān)者定義訪問級(jí)別都非常重要。盡管數(shù)據(jù)共享可以為整個(gè)供應(yīng)鏈和生態(tài)系統(tǒng)帶來巨大的優(yōu)勢，但仍需全面考慮目前的法規(guī)、政策和油氣公司的思維方式對(duì)數(shù)據(jù)共享的影響。例如，限制數(shù)據(jù)共享的原因可能是由于技術(shù)公司、服務(wù)公司和運(yùn)營公司之間的競爭，或者是基于對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全的擔(dān)憂［16］。

3.2 專家經(jīng)驗(yàn)需要有效解鎖

對(duì)于石油與天然氣行業(yè)來說，數(shù)據(jù)采集和數(shù)值模擬并不是新的概念。通常情況下，數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果都由專家進(jìn)行分析，并將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為經(jīng)驗(yàn)認(rèn)知。通過此類分析所積累的技能包括與油田數(shù)據(jù)解釋、測量異常識(shí)別及其根本原因相關(guān)的知識(shí)。專家知道解決異常問題的解決方案及支撐這些解決方案的物理和經(jīng)驗(yàn)概念。但通常情況下，這些知識(shí)要么被員工牢牢地記在腦子里，要么存儲(chǔ)在復(fù)雜的企業(yè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中。多年累積的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和專業(yè)技能對(duì)于實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、有效的數(shù)字孿生系統(tǒng)而言是至關(guān)重要的。但復(fù)用這些知識(shí)和解決方案來改進(jìn)數(shù)字孿生系統(tǒng)的功能是非常具有挑戰(zhàn)性的。

3.3 模型準(zhǔn)確性和有效性有待加強(qiáng)

數(shù)字孿生系統(tǒng)中集成了多個(gè)模型，其中一些是基于物理原理構(gòu)建的，另一些則來自機(jī)器學(xué)習(xí)方法的經(jīng)驗(yàn)推導(dǎo)。對(duì)這些模型進(jìn)行反復(fù)調(diào)參，是數(shù)字孿生技術(shù)準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)實(shí)物資產(chǎn)的特性對(duì)的基礎(chǔ)。模型調(diào)優(yōu)是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，沒有固定的調(diào)優(yōu)規(guī)則或有效的調(diào)優(yōu)程序。當(dāng)對(duì)這些模型進(jìn)行調(diào)整時(shí)，程序員試圖以最小化模型輸出和實(shí)物資產(chǎn)輸出之間的差異作為評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)。然而，這種差異可能來自于傳感器故障、數(shù)據(jù)的不確定性、不正確的模型參數(shù)、模型中的錯(cuò)誤、缺少關(guān)鍵模型組件或物理資產(chǎn)故障。盡管模型調(diào)優(yōu)至今仍是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，但為了從數(shù)字孿生系統(tǒng)中獲益，數(shù)字孿生系統(tǒng)必須精確復(fù)制物理資產(chǎn)的特性。否則，通過數(shù)字孿生系統(tǒng)所得出的結(jié)論將毫無意義。

3.4 成本收益仍存在風(fēng)險(xiǎn)

油氣設(shè)備的數(shù)字孿生系統(tǒng)開發(fā)從初步現(xiàn)場調(diào)研起，先后經(jīng)歷了勘探、評(píng)估、開發(fā)、作業(yè)和棄井階段。數(shù)字孿生系統(tǒng)若用于新項(xiàng)目，軟件工具、硬件基礎(chǔ)設(shè)施、傳感器和資產(chǎn)生命周期數(shù)據(jù)（例如測量、模擬、模型、資產(chǎn)狀態(tài)、異常、糾正措施、最佳操作參數(shù)）就需要在整個(gè)資產(chǎn)生命周期內(nèi)及資產(chǎn)退役后進(jìn)行維護(hù)。因此，在考慮是否采用數(shù)字孿生系統(tǒng)時(shí)，要考慮維護(hù)最新和完整的數(shù)字孿生系統(tǒng)的成本和效益。

業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的油氣運(yùn)營商、服務(wù)公司和供應(yīng)商都在大力投資新的數(shù)字技術(shù)。這些數(shù)字技術(shù)并沒有成為提高收入和降低HSE（健康、安全、環(huán)保）風(fēng)險(xiǎn)的顛覆性力量，僅是對(duì)當(dāng)前石油與天然氣行業(yè)供應(yīng)鏈的技術(shù)和運(yùn)營能力進(jìn)行了微小的改進(jìn)。如果這種改進(jìn)是循序漸進(jìn)的，那企業(yè)就不能完全享受到數(shù)字化所帶來的好處。這個(gè)問題也同樣適用于在石油與天然氣行業(yè)采用數(shù)字孿生技術(shù)場景。如果沒有適當(dāng)?shù)挠?jì)劃，數(shù)字孿生技術(shù)只會(huì)增加邊際效益，甚至在某些情況下不會(huì)帶來任何效益［17］。

3.5 網(wǎng)絡(luò)安全性存在挑戰(zhàn)

數(shù)字孿生系統(tǒng)創(chuàng)建了一個(gè)聯(lián)網(wǎng)的物理連接環(huán)境，以對(duì)資產(chǎn)性能進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估，并為資產(chǎn)生成控制指令和操作策略。但聯(lián)網(wǎng)資產(chǎn)比較容易受到網(wǎng)絡(luò)攻擊，能源行業(yè)便是第二大最容易遭受網(wǎng)絡(luò)攻擊的行業(yè)之一。2016年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，約75%的美國油氣公司都經(jīng)歷了至少一次網(wǎng)絡(luò)安全相關(guān)事件。由于篡改傳感器或控制參數(shù)可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的故障，在油氣田生命周期的不同階段，網(wǎng)絡(luò)攻擊的嚴(yán)重程度和易受網(wǎng)絡(luò)攻擊的程度是不同的。開發(fā)鉆井和生產(chǎn)階段極易受到網(wǎng)絡(luò)攻擊?？紤]到數(shù)字孿生系統(tǒng)的脆弱性和網(wǎng)絡(luò)攻擊的嚴(yán)重性，油氣公司需要更加關(guān)注網(wǎng)絡(luò)威脅的潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此，這就需要制定出先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議，以保護(hù)物理和虛擬設(shè)施免受網(wǎng)絡(luò)攻擊。

4 結(jié)束語

當(dāng)前，國內(nèi)外知名的油氣企業(yè)Total、BP、Equinor、Shell和中國石油、中國石化、中國海油等企業(yè)已經(jīng)各自開發(fā)和部署了數(shù)字孿生系統(tǒng)，并在項(xiàng)目規(guī)劃和生命周期管理、資產(chǎn)監(jiān)控和維護(hù)、鉆井優(yōu)化及監(jiān)測、管道設(shè)施、協(xié)作和知識(shí)共享等業(yè)務(wù)場景下積極探索和開展試點(diǎn)，加快推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的步伐。此外，越來越多的油氣企業(yè)紛紛開始重視投資創(chuàng)新及數(shù)字化智能化轉(zhuǎn)型。隨著技術(shù)革新和管理升級(jí)，數(shù)字孿生技術(shù)在油氣行業(yè)的應(yīng)用場景逐漸趨于規(guī)范完善，潛在風(fēng)險(xiǎn)得到可靠有效地解決，應(yīng)用成本進(jìn)一步降低，未來數(shù)字孿生技術(shù)在油氣行業(yè)必將有更廣泛和深入的應(yīng)用，發(fā)揮出重大作用。