油田數(shù)字化建設(shè)實(shí)踐與認(rèn)識

由丹

大慶油田有限責(zé)任公司

5G 時(shí)代已經(jīng)到來，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)正改變著全球工業(yè)面貌。大慶油田作為全國工業(yè)戰(zhàn)線的一面旗幟，緊跟時(shí)代步伐，制定了數(shù)智油田“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略，到2025 年全面建成數(shù)字油田，實(shí)現(xiàn)油田生產(chǎn)經(jīng)營管理全過程業(yè)務(wù)鏈的一體化協(xié)同；到2035 年建成智能油田，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用智能化，預(yù)測油田變化趨勢，科學(xué)輔助油田決策；到本世紀(jì)中葉建成智慧油田，實(shí)現(xiàn)人工智能與人的智慧全息共享、生態(tài)融合、孿生互動。目前數(shù)字油田建設(shè)正全面展開，已完成部分井、間、站的數(shù)據(jù)采集，初步建成統(tǒng)一的生產(chǎn)管控平臺，經(jīng)營管理水平進(jìn)一步提升。

1 數(shù)字化油田建設(shè)總體規(guī)劃

1.1 改造背景

隨著自動控制技術(shù)的進(jìn)步、儀表智能化的發(fā)展、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和空間信息技術(shù)的發(fā)展，油田數(shù)字化體系建設(shè)日益完善，進(jìn)入到面向生產(chǎn)需求的綜合研究與建設(shè)階段，從層級架構(gòu)和技術(shù)開發(fā)層面，將各類信息進(jìn)行了充分融合，滿足了數(shù)字化油田建設(shè)持續(xù)發(fā)展的生產(chǎn)數(shù)據(jù)共享、綜合決策分析、信息系統(tǒng)集成的需求，為數(shù)字化建設(shè)和運(yùn)營管理提供了技術(shù)支持[1-2]。A 油田積極開展數(shù)字化建設(shè)，選取示范廠先行開展，各級各部門積極參與，對生產(chǎn)參數(shù)采集、優(yōu)化結(jié)構(gòu)配置、數(shù)控運(yùn)維管理等相關(guān)理論及技術(shù)重點(diǎn)研究，開展了一系列卓有成效的實(shí)踐工作，技術(shù)應(yīng)用成果大量涌現(xiàn)。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

按照“公司—作業(yè)區(qū)”兩級管控體系思路，重點(diǎn)圍繞實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)信息縱向貫通、生產(chǎn)數(shù)據(jù)橫向共享、生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)監(jiān)測、生產(chǎn)決策精準(zhǔn)分析的核心理念，實(shí)施數(shù)字化建設(shè)工程，配套油公司改革新模式，打造全流程智能可視化管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)質(zhì)量安全環(huán)保一體化管控。

在數(shù)字化油田架構(gòu)管控目標(biāo)中，改變傳統(tǒng)的廠、礦、隊(duì)多層級管理模式，制定了新型閉環(huán)管理層級框架（圖1）。框架第一層為站庫采集執(zhí)行層，將原有井、間、站等分散基礎(chǔ)單元整合為綜合管理單元，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集功能；第二層為作業(yè)區(qū)應(yīng)用操作層，主要作用是實(shí)時(shí)視頻巡檢、遠(yuǎn)程控制管理，通過優(yōu)化與重構(gòu)建立集成統(tǒng)一的生產(chǎn)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)；第三層為公司級生產(chǎn)指揮層，是集站場生產(chǎn)指揮、油田形勢分析、技術(shù)服務(wù)決策的多功能綜合性調(diào)度管理平臺。

圖1 數(shù)字油田建設(shè)框架結(jié)構(gòu)Fig.1 Frame structure of digital oilfield construction

1.3 改造思路及目標(biāo)

按照井站一體、電子巡護(hù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控的智能化管理模式，示范廠對常開油水井，大、中、小型站場實(shí)施數(shù)字化改造，構(gòu)建生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動采集、關(guān)鍵過程聯(lián)鎖控制、工藝流程可視化展示的數(shù)字化管控系統(tǒng)（圖2）。

圖2 數(shù)字油田網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.2 Digital oilfield network architecture

（1）基礎(chǔ)生產(chǎn)管理單元數(shù)字化建設(shè)。油、水井自動化系統(tǒng)建設(shè)是通過為單井增設(shè)RTU、油壓監(jiān)測裝置、功圖自動采集器、停井報(bào)警儀，使其具備遠(yuǎn)程啟停、參數(shù)高頻采集、雷達(dá)視頻巡井、異常工況預(yù)警等功能，單井實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制，生產(chǎn)模式由傳統(tǒng)駐井制向數(shù)字化巡井制轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)油站無人值守作為數(shù)字油田建設(shè)難點(diǎn)，缺少設(shè)計(jì)及管理經(jīng)驗(yàn)，選取C 轉(zhuǎn)油站開展現(xiàn)場試驗(yàn)，通過升級控制系統(tǒng)，使重要工藝參數(shù)全部進(jìn)入站控系統(tǒng)統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)“二合一”偏流遠(yuǎn)程調(diào)整、“三合一”遠(yuǎn)程控制、關(guān)鍵機(jī)泵遠(yuǎn)程啟停等控制功能；開展失電狀態(tài)下事故流程研究，為轉(zhuǎn)油站無人值守安全平穩(wěn)運(yùn)行提供技術(shù)保障。各作業(yè)區(qū)建設(shè)生產(chǎn)管理中心1 座，監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)置工控機(jī)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫軟件、組態(tài)軟件、操作臺等；監(jiān)控人員設(shè)置采油管控、注水管控、視頻巡檢、綜合分析和調(diào)度運(yùn)行5 個(gè)崗位。采取基于生產(chǎn)管理中心、轉(zhuǎn)油站、操作現(xiàn)場的“三重管控”模式，實(shí)現(xiàn)作業(yè)區(qū)生產(chǎn)管理中心對所轄油水井、間、站場生產(chǎn)數(shù)據(jù)的監(jiān)視管理。

（2）通信網(wǎng)絡(luò)搭建。數(shù)字化建設(shè)中網(wǎng)絡(luò)部分采用有線網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式建設(shè)，中型及以上站場數(shù)據(jù)傳輸采用有線光纜方式，單井、小型站場（計(jì)量間、閥組間、配水間）數(shù)據(jù)傳輸采用無線傳輸方式，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、視頻圖像的采集和控制指令有效的傳遞[3]。

（3）軟件體系建設(shè)。根據(jù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型實(shí)際需求，確立了兩個(gè)平臺的軟件體系建設(shè)框架模式，先后搭建了生產(chǎn)管控平臺、數(shù)字化建設(shè)管理平臺、數(shù)字化運(yùn)維管理平臺。一體化管理平臺搭建：依托生產(chǎn)管控平臺實(shí)現(xiàn)信息共享和數(shù)據(jù)集成，同時(shí)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控、井場工況跟蹤、報(bào)警響應(yīng)監(jiān)督等功能，實(shí)現(xiàn)管控系統(tǒng)與生產(chǎn)現(xiàn)場的實(shí)時(shí)聯(lián)動，提高了單井精細(xì)化管理水平及安全管理水平。數(shù)字化建設(shè)管理平臺搭建：主要功能是留存建設(shè)過程中計(jì)劃批復(fù)、技術(shù)文件等關(guān)鍵檔案材料，以便各專業(yè)組查詢。數(shù)字化運(yùn)維管理平臺：核心功能是匯集作業(yè)區(qū)各站場的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，可觀測生產(chǎn)數(shù)據(jù)變化趨勢，根據(jù)生產(chǎn)參數(shù)的變化率實(shí)現(xiàn)預(yù)警報(bào)警功能，運(yùn)維值班人員根據(jù)報(bào)警信息快速協(xié)調(diào)組織維修，縮短故障響應(yīng)時(shí)間。

堅(jiān)持簡單、實(shí)用、安全、可靠的原則，結(jié)合采油廠信息化建設(shè)現(xiàn)狀與需求，通過實(shí)施油田數(shù)字化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)井站數(shù)據(jù)自動采集、生產(chǎn)趨勢決策分析、管理模式轉(zhuǎn)型優(yōu)化、信息系統(tǒng)整合升級，促進(jìn)管理組織模式和勞動組織結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提升科學(xué)決策管理水平，降低生產(chǎn)運(yùn)行成本，保障現(xiàn)場生產(chǎn)安全。

2 數(shù)字化建設(shè)推進(jìn)策略

油田數(shù)字化建設(shè)是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程，按照“先行試點(diǎn)、全面建設(shè)、收尾試運(yùn)”三步走統(tǒng)籌推進(jìn)，在實(shí)施過程中堅(jiān)持落實(shí)工業(yè)與信息技術(shù)深度融合，生產(chǎn)組織配置與生產(chǎn)系統(tǒng)布局相結(jié)合，做好詳細(xì)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型規(guī)劃，總結(jié)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，并將其應(yīng)用于數(shù)字化改造過程的全周期[4]。在示范廠的數(shù)字化建設(shè)過程中，選取相關(guān)生產(chǎn)作業(yè)區(qū)為試點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)井、間數(shù)字化為建設(shè)目的開展研究。

（1）組織開展聯(lián)合測試（圖3）。按照邊發(fā)現(xiàn)問題、邊分析原因、邊整改落實(shí)的模式，組織數(shù)字化改造作業(yè)區(qū)、設(shè)備廠商、信息技術(shù)服務(wù)公司等多家單位，對新建數(shù)字化設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備以及系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用開展聯(lián)合測試。根據(jù)聯(lián)合測試情況，結(jié)合施工圖紙?jiān)O(shè)計(jì)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)制定井、間數(shù)字化設(shè)備安裝施工要求。分別選取典型井、間作為范本，明確整改意見，對聯(lián)合測試存在的問題進(jìn)行整改，為全廠井間數(shù)字化現(xiàn)場施工提供指導(dǎo)。

圖3 聯(lián)合測試流程Fig.3 Joint test process

（2）編制數(shù)字化建設(shè)指導(dǎo)手冊。數(shù)字化建設(shè)是油田設(shè)計(jì)院EPC 工程項(xiàng)目，在實(shí)施過程中采油廠全方位深度介入，在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)精心組織，在施工過程中制定安裝標(biāo)準(zhǔn)，平臺建設(shè)全程參與，編制了《示范廠數(shù)字化建設(shè)工作指導(dǎo)手冊》，從前期準(zhǔn)備、中期監(jiān)督、后期驗(yàn)收三方面出發(fā)，總結(jié)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)、指導(dǎo)全廠數(shù)字化建設(shè)。

（3）建立數(shù)字化遠(yuǎn)程運(yùn)維模式。以數(shù)字化建設(shè)為契機(jī)，以遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺為依托，以數(shù)字儀表上線率、自控儀表完好率、計(jì)量儀表準(zhǔn)確率為抓手，以降低運(yùn)維成本為目標(biāo)，做實(shí)數(shù)控保障、做細(xì)自控運(yùn)維、做精計(jì)量檢定，完善數(shù)字化遠(yuǎn)程運(yùn)維體系，建立儀表全生命周期模式，探索數(shù)字化儀表檢定方法，打造數(shù)字化條件下儀表運(yùn)行管理維護(hù)的新模式[5-6]。

3 數(shù)字化建設(shè)實(shí)施成效

（1）生產(chǎn)管理單元自動化水平的提高。按照井站一體、電子巡護(hù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控的智能化管理模式，示范廠開展了7 個(gè)作業(yè)區(qū)的單井?dāng)?shù)字化建設(shè)，已完成油水井?dāng)?shù)字化改造2983 井次，采油井上線率85.2%；實(shí)現(xiàn)9 座聯(lián)合站集中監(jiān)控，21 座中、小型站無人值守。

（2）優(yōu)化管理結(jié)構(gòu)，減少人員配置。建立適應(yīng)于數(shù)字化油田的新型組織架構(gòu)，優(yōu)化調(diào)整為“公司—作業(yè)區(qū)”兩級管理模式，壓縮管理層級，優(yōu)化勞動組織架構(gòu)，減少基層崗位用工。

（3）形成了一體化管理新模式。實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)類數(shù)據(jù)資源的整合，滿足數(shù)字油田建設(shè)持續(xù)發(fā)展的生產(chǎn)數(shù)據(jù)共享、綜合決策分析、信息系統(tǒng)集成的需求，提高了單井精細(xì)化管控和安全管理水平。

4 問題分析及對策

（1）單井參數(shù)采集及報(bào)警機(jī)制不完善。存在的問題包括：①單井變頻器參數(shù)及故障報(bào)警信息未上傳，導(dǎo)致無法遠(yuǎn)程監(jiān)視變頻器運(yùn)行狀態(tài)、調(diào)整運(yùn)行頻率；②對設(shè)備運(yùn)行及信號傳輸狀態(tài)設(shè)置固定的報(bào)警時(shí)間及閾值，存在無法根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整的缺陷；③管控平臺應(yīng)用過程中，存在報(bào)警信息反饋周期較長，導(dǎo)致報(bào)警與生產(chǎn)數(shù)據(jù)不同步的情況。

（2）計(jì)量間失電導(dǎo)致生產(chǎn)數(shù)據(jù)丟失。根據(jù)數(shù)字化建設(shè)無線傳輸技術(shù)方案，計(jì)量間作為無線傳輸最小單元，安裝WIA-PA/FA 無線網(wǎng)關(guān)設(shè)備各1 臺，用于間內(nèi)及所轄油水井生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)計(jì)量間失電后，WIA-PA/FA 無線網(wǎng)關(guān)設(shè)備斷電，計(jì)量間內(nèi)所有數(shù)據(jù)將不再傳輸更新，所轄油水井參數(shù)將無法上傳，導(dǎo)致生產(chǎn)管理中心將無法實(shí)時(shí)監(jiān)測。

（3）轉(zhuǎn)油站站控系統(tǒng)未能滿足集中管控要求。通過轉(zhuǎn)油站無人值守試驗(yàn)提出了井站一體化建設(shè)思路，將轉(zhuǎn)油站站控系統(tǒng)與井間管控平臺相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)區(qū)域化集中管理[7]。根據(jù)原設(shè)計(jì)思路，轉(zhuǎn)油站生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)入站控系統(tǒng)，井間生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)入管控平臺，數(shù)據(jù)流向與生產(chǎn)工藝流程不符，導(dǎo)致站控系統(tǒng)與井間控制脫節(jié)，不利于集中管理。

針對以上問題，提出了三種解決方案：①參考作業(yè)區(qū)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，完善聯(lián)合設(shè)計(jì)具體功能。通過變頻通信調(diào)試手段，結(jié)合增設(shè)平臺單井變頻狀態(tài)顯示功能，實(shí)現(xiàn)單井變頻參數(shù)采集；增加報(bào)警參數(shù)調(diào)試功能，并根據(jù)生產(chǎn)需要制定參數(shù)可配置范圍，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化管理；優(yōu)化數(shù)據(jù)采集模式，增加數(shù)據(jù)一鍵獲取功能，按下后可立刻獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步優(yōu)化報(bào)警分配功能，減輕管控平臺運(yùn)算量，提高數(shù)據(jù)傳輸與報(bào)警效率[8-9]。②計(jì)量間失電應(yīng)急方案。加強(qiáng)屬地管理，保證施工及生產(chǎn)過程中計(jì)量間供電的穩(wěn)定；與設(shè)計(jì)單位結(jié)合，研究在計(jì)量間增加UPS 不間斷電源的可行性，并增加供電電壓信號采集。③轉(zhuǎn)油站SCADA 平臺接入井間控制界面及控制功能。建議直接從網(wǎng)關(guān)讀取井間數(shù)據(jù)，進(jìn)入轉(zhuǎn)油站SCADA 平臺，在同一系統(tǒng)內(nèi)對井、間、站進(jìn)行統(tǒng)一控制，能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)油站失電快速遠(yuǎn)程停井、摻水加熱爐系統(tǒng)能源集中管控等功能，進(jìn)一步促進(jìn)轉(zhuǎn)油站無人值守技術(shù)的推廣應(yīng)用[10]。

5 結(jié)論

通過對數(shù)字化建設(shè)實(shí)施方案和技術(shù)路線的探索和實(shí)踐，給出了數(shù)字化轉(zhuǎn)型的總體框架與推進(jìn)策略，根據(jù)先導(dǎo)作業(yè)區(qū)數(shù)字化改造經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了實(shí)踐總結(jié)。經(jīng)過改造，初步實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)管控一體化運(yùn)作模式，推動了“公司—作業(yè)區(qū)”兩級管控模式改革，建設(shè)了適應(yīng)于數(shù)字化轉(zhuǎn)型的閉環(huán)管理架構(gòu)，優(yōu)化了人員配置和生產(chǎn)管理方式，提升了安全生產(chǎn)管理水平。下步將繼續(xù)探索數(shù)字化運(yùn)營模式，按照數(shù)字化思維重塑經(jīng)營管理和綜合管理框架及流程，建設(shè)相應(yīng)的數(shù)字化支持體系。結(jié)合油田生產(chǎn)需求，發(fā)展和完善集控系統(tǒng)技術(shù)體系，提升系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)功能的便捷性、更新和擴(kuò)展的方便性，全力推動生產(chǎn)運(yùn)行自動化、數(shù)字化、智能化建設(shè)。