數(shù)字化技術(shù)在氣田生產(chǎn)管理中的應用

汪洋，汪玙然

(1.中國石油西南油氣田分公司川東北氣礦，四川 達州 635000；2.西交利物浦大學，江蘇 蘇州 215028)

0 引言

某氣田圍繞數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景下的定位及發(fā)展方向、跨業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)共享應用等涉及氣田生產(chǎn)的各個方面進行了深入的分析。有效利用以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、自動控制等為代表的數(shù)字化技術(shù)，驅(qū)動業(yè)務(wù)模式重構(gòu)、管理模式變革和核心能力提升，大力推進氣田站場集中管理模式，加強無人值守站的建設(shè)，推動生產(chǎn)組織模式和管控方式的轉(zhuǎn)型升級，助力高質(zhì)量發(fā)展［1］。通過氣田區(qū)域集中管理模式的建立和推廣，氣田區(qū)域集中管理下屬井站大范圍實現(xiàn)無人值守，大幅降低操作數(shù)量和頻次，減少服務(wù)用工需求。實現(xiàn)效率效益和管理水平的同步提升，有效保障地面生產(chǎn)系統(tǒng)安全平穩(wěn)高效運行。

1 天然氣生產(chǎn)管理數(shù)字化需求

在數(shù)字化轉(zhuǎn)型統(tǒng)一架構(gòu)下，圍繞領(lǐng)導層、業(yè)務(wù)層及執(zhí)行層不同管理要求，支撐天然氣生產(chǎn)日常管理決策等場景落地。某氣田建立了一套監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA)，覆蓋了氣田所管轄的主要站場和管網(wǎng)，用于數(shù)據(jù)傳輸和處理。利用數(shù)字化技術(shù)，實現(xiàn)設(shè)備自動控制和數(shù)據(jù)自動采集、分析、報警、處置。完善視頻監(jiān)控自動分析、處理和報警功能，實現(xiàn)氣田開發(fā)的智能化管理。

天然氣開發(fā)生產(chǎn)新模式主要采用“氣田區(qū)域集中管理+無人值守井站”組織模式，由氣田區(qū)域集中管理站場對管轄范圍內(nèi)的井站實行集中管控，氣田分區(qū)實現(xiàn)聯(lián)鎖控制。圍繞無人、少人條件下工藝系統(tǒng)優(yōu)化簡化、生產(chǎn)系統(tǒng)深度感知、周邊危害有效探測、工藝控制安全可靠等方面進行調(diào)整和改造。

氣田區(qū)域集中管理站場作為一個片區(qū)的中樞，主要承擔片區(qū)范圍內(nèi)的生產(chǎn)組織、巡護維保、安全管控、班組培訓、人員調(diào)配、綜合協(xié)調(diào)等業(yè)務(wù)，負責片區(qū)內(nèi)所有生產(chǎn)站場的管理工作。為了氣田區(qū)域集中管理的功能作用發(fā)揮，實現(xiàn)無人值守站的安全平穩(wěn)生產(chǎn)，需要圍繞集中調(diào)控、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)工藝控制、腐蝕監(jiān)測和安防設(shè)置等方面大量應用數(shù)字化技術(shù)，進行優(yōu)化調(diào)整。

2 數(shù)字化管理實踐情況

圍繞“業(yè)務(wù)主導、技術(shù)支撐”工作思路，加快推進管道、場站生產(chǎn)管理數(shù)字化轉(zhuǎn)型步伐，全面提升管道、場站生產(chǎn)數(shù)字化管理水平。

2.1 氣田區(qū)域集中管理現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

在站場生產(chǎn)管理方面，實現(xiàn)了有人值守站向無人值守站的轉(zhuǎn)變，在保證安全管控的同時實現(xiàn)了人力資源優(yōu)化，為實現(xiàn)氣田區(qū)域集中管理創(chuàng)造了條件。為準確、及時、全面掌握現(xiàn)場的生產(chǎn)情況，需要安裝大量的現(xiàn)場儀表及變送器，將產(chǎn)量、壓力、溫度、液位、閥門開關(guān)狀態(tài)等關(guān)鍵控制參數(shù)采集到SCS進行集中處理。為了高效采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，氣田區(qū)域集中管理建設(shè)完善了生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)［2］。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)氣田單井站、集輸站生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)信息在生產(chǎn)指揮控制中心集中管理和控制，由調(diào)度監(jiān)控中心主計算機與多套分布在各氣田區(qū)域集中管理場的遠程終端相連的系統(tǒng)實現(xiàn)，氣田區(qū)域管理物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 中心站物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

集輸氣管道進行腐蝕檢測和陰極保護智能檢測系統(tǒng)技防措施完善，采集并上傳腐蝕監(jiān)測和陰極保護數(shù)據(jù)。安裝具備數(shù)據(jù)遠傳功能的腐蝕數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得實時管道內(nèi)腐蝕數(shù)據(jù)，將腐蝕數(shù)據(jù)上傳至氣田腐蝕數(shù)據(jù)管理平臺。構(gòu)建在線腐蝕監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)腐蝕速率的高低來優(yōu)化緩蝕劑的加注制度，改善防腐效果［3］。

原管道陰保測試樁采用普通鋼質(zhì)測試樁，管道陰保數(shù)據(jù)需要通過人工周期性采集。需要常態(tài)化實施智能動態(tài)監(jiān)測，在管道起止點和線路上每隔約5 km設(shè)置1套電壓電流智能測試樁。智能測試樁采集的數(shù)據(jù)通過內(nèi)置4G通信傳輸模塊上傳至新建智能陰極保護數(shù)據(jù)處理平臺統(tǒng)一存儲、處理。成套陰極保護電位自動采集儀系統(tǒng)具備將陰極保護參數(shù)按設(shè)定要求進行自動采集、儲存、上傳的功能。并能根據(jù)電位情況自動調(diào)整恒電位儀保護參數(shù)，實現(xiàn)了陰極保護的智能化管理。

2.2 工藝自動控制

無人值守站場主要對自動開關(guān)井、進出站緊急截斷、分離器自動排液及緊急截斷、藥劑自動加注等方面進行優(yōu)化調(diào)整。

設(shè)置自動開關(guān)井系統(tǒng)，信號接入原有站控系統(tǒng)，實現(xiàn)自動開關(guān)井、遠程開關(guān)井、壓力調(diào)節(jié)功能。在站場出現(xiàn)事故或緊急情況時，保證安全的重要措施是迅速截斷氣源，因此設(shè)置進出站緊急截斷閥，采用氣動執(zhí)行機構(gòu)，完善聯(lián)鎖控制功能，實現(xiàn)緊急狀態(tài)下的快速關(guān)斷。

分離器自動排液的后端氣田水罐未設(shè)置壓力、液位遠傳，無法監(jiān)測氣田水罐的壓力和液位，存在氣田水罐液位滿后還在排液的風險，容易造成氣田水外溢，影響周邊及站場環(huán)境。為了防止高壓原料氣通過分離器自動排液進入低壓排液系統(tǒng)，在自動排液前增加分離器排液緊急截斷閥。

部分無人值守站場連續(xù)生產(chǎn)時需要加注防凍劑、起泡劑、消泡劑，需不定時啟停泵。原設(shè)備加注方式為巡井人員定時到現(xiàn)場進行人工兌藥加注，工作效率較低。為了實現(xiàn)無人值守和提高工作效率，增加藥劑儲罐液位遠傳功能，實時掌握藥劑儲罐內(nèi)藥劑量；對藥劑加注設(shè)備及自控儀表進行改造，使其具備自動加注和遠程啟停功能，并對電機電流、電壓、溫度等加注泵狀態(tài)、供電能耗等數(shù)據(jù)進行監(jiān)測。設(shè)置藥劑智能化配兌裝置，以實現(xiàn)氣田區(qū)域集中管理對單井站的遠程控制及對自動配兌加注過程的監(jiān)控。

2.3 數(shù)字化管道

在管道管理數(shù)字化轉(zhuǎn)型方面，運用數(shù)字化管道平臺和電子沙盤聯(lián)動的方式，全面展示全面感知、精準預警、智能調(diào)配和高效應急的管道完整性管理體系，實現(xiàn)天然氣管道本質(zhì)安全全面掌控、外部風險精準受控。通過對天然氣管道基礎(chǔ)空間信息、勘察設(shè)計信息、施工信息、檢測信息、安裝記錄、設(shè)備設(shè)施等信息的采集、整理和錄入，建立面向完整性管理的規(guī)范、完備、集成、共享的數(shù)據(jù)庫。搭建管道數(shù)字化管道地理信息系統(tǒng)平臺，融合線路、場站的二維、三維地理模型，直觀展示相關(guān)信息，為管道運營系統(tǒng)的擴展提供數(shù)據(jù)和應用基礎(chǔ)，為天然氣管道的安全、平穩(wěn)運行提供輔助決策支持。數(shù)字化管道管理平臺如圖2所示。

圖2 數(shù)字化管道平臺

2.4 安全設(shè)施設(shè)置

對生產(chǎn)現(xiàn)場工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、社區(qū)報警系統(tǒng)等進行優(yōu)化調(diào)整。

原部分站場采用模擬攝像機，監(jiān)控點圖像分辨率低，監(jiān)控效果差，攝像機使用時間較長，設(shè)備老化、故障頻繁。且視頻監(jiān)控以純監(jiān)控為主，只解決看的問題，不能對圖像進行分析處理，不能對外來闖入人員實時跟蹤報警。需對原站場視頻監(jiān)控進行改進，并同時對站場入侵報警和語音對講功能進行完善。更換網(wǎng)絡(luò)高清攝像機，攝像機帶日夜自動轉(zhuǎn)換型的紅外照射功能、移動偵測和被動入侵報警功能，并可聯(lián)動相應聲光或語音報警設(shè)備進行驅(qū)趕和提示，將抓拍圖片或抓錄視頻上傳至氣田區(qū)域集中管理。

原無人值守站無門禁系統(tǒng)，無法對人員出入進行智能管理。在站場設(shè)置智能門禁系統(tǒng)，有效的控制人員的出入，提高重要場所的安全防范能力。在調(diào)控中心DCC設(shè)置1臺中心服務(wù)器，搭建安全管控一體化平臺，在氣田區(qū)域集中管理分別設(shè)置1臺數(shù)字管理機，實現(xiàn)對下屬井站的遠程監(jiān)控、對講、記錄查看等功能。

在發(fā)生站場管道硫化氫泄漏緊急情況時，原有氣田區(qū)域集中管理應急處置人員無法第一時間通知站場周邊人員。需要對站場周邊設(shè)置社區(qū)報警，全IP式廣播系統(tǒng)的使用便于在發(fā)生硫化氫泄漏的緊急情況時，通知站場周邊人員迅速撤離。

3 應用成果分析

以“自動化生產(chǎn)、數(shù)字化辦公、智能化管理”為目標，通過生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時采集、關(guān)鍵流程自動聯(lián)鎖、工藝流程遠程可控、生產(chǎn)區(qū)域自動布防，利用自動控制、人工智能等技術(shù)深化數(shù)據(jù)分析應用，實現(xiàn)了氣田區(qū)域集中管理對區(qū)域內(nèi)無人值守站的全面受控，推動了管理轉(zhuǎn)型升級，助力主營業(yè)務(wù)高質(zhì)量發(fā)展，實現(xiàn)全業(yè)務(wù)鏈的數(shù)字化轉(zhuǎn)型［4］。

3.1 天然氣生產(chǎn)站場管理能力提升

通過對生產(chǎn)現(xiàn)場信息化設(shè)備的建設(shè)完善，在氣田區(qū)域集中管理內(nèi)能夠?qū)ιa(chǎn)現(xiàn)場狀況、實時數(shù)據(jù)進行監(jiān)控和報警，對關(guān)鍵閥門遠程控制或自動聯(lián)鎖，數(shù)據(jù)報表實現(xiàn)自動采集。頻繁開關(guān)的間歇生產(chǎn)井實現(xiàn)自動開關(guān)井，起消泡劑加注井站實現(xiàn)藥劑自動加注，人工工作量大幅減少；井站井口安全截斷閥、進出站截斷閥、分離器自動排污緊急截斷閥等實現(xiàn)遠程控制，且與氣田水罐液位、壓力等實現(xiàn)聯(lián)鎖，在異常情況下可通過站控系統(tǒng)自動或遠程截斷，保障地面生產(chǎn)系統(tǒng)安全可控。加裝管道在線腐蝕監(jiān)測儀和陰保智能測試樁，在平臺上在線監(jiān)測、分析站場腐蝕動態(tài)數(shù)據(jù)，適時掌握站場腐蝕動態(tài)狀況，實現(xiàn)管道管理智能化，做到腐蝕及時發(fā)現(xiàn)、準確定位、快速處置，減少人工現(xiàn)場工作量，降低運行成本，全面提升管道站場管理水平。深入應用天然氣管道安全管控技術(shù)、推動大數(shù)據(jù)智能化創(chuàng)新發(fā)展，數(shù)字化管道建設(shè)和智慧化管理取得豐碩成果。

3.2 安全管控保障

氣田區(qū)域集中管理管理實現(xiàn)了組織機構(gòu)的精簡和人力資源的優(yōu)化配置，現(xiàn)場問題處置效率得以有效改善，確保天然氣管道、站場在事故狀態(tài)下能快速預警與處置，提升了氣田生產(chǎn)現(xiàn)場的安全管控水平。

從自動開關(guān)井、進出站緊急截斷、分離器自動排液及緊急截斷、腐蝕監(jiān)測、陰極保護、站場控制系統(tǒng)、工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、社區(qū)報警系統(tǒng)等方面實現(xiàn)對生產(chǎn)場所異常狀態(tài)實時管控的目的。在視頻監(jiān)控改造的同時，完善站場入侵報警、語音對講功能，實現(xiàn)了對現(xiàn)場情況的實時掌握。對不同人員的進出權(quán)限進行嚴格的限制，可以進行相應的查詢、統(tǒng)計等功能。社區(qū)報警系統(tǒng)在硫化氫泄漏時及時預警，疏散撤離，減少人員傷害和次生傷害，保障站場人員和周邊居民的人生安全。在優(yōu)化應急處置流程同時提升氣田站場與地方的應急聯(lián)動效果。

數(shù)字化技術(shù)的大量應用，減少了人工操作環(huán)節(jié)，降低了人身傷害可能，能夠及時處理場站生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各種問題，減少了安全隱患，最大程度避免安全事故發(fā)生。在保障生產(chǎn)一線站場的安全、可靠、高效生產(chǎn)方面將會產(chǎn)生積極的作用，極大提高了氣田HSE管控能力，安全效益較為明顯。

3.3 成果及效益分析

提高生產(chǎn)管理的工作效率。現(xiàn)業(yè)務(wù)流程為“無人值守站-氣田區(qū)域集中管理”，在這樣的流程中，生產(chǎn)第一線的信息通過氣田區(qū)域集中管理直接到達上級調(diào)度管理中心，確保信息的時效性。通過減少信息滯留的環(huán)節(jié)和時間，可以極大地提高生產(chǎn)指揮和調(diào)度的效率。

需頻繁開關(guān)井的間歇生產(chǎn)井實現(xiàn)無人值守，可實現(xiàn)從人工操作向遠程操作、智能操作轉(zhuǎn)型升級，進一步減輕對人工的依賴。通過對分離器自動排液及緊急截斷閥的改造，可減少作業(yè)人員去生產(chǎn)現(xiàn)場的巡檢頻次。通過對藥劑系統(tǒng)自動加注的改造，提升站場的工藝控制覆蓋率，促進井站產(chǎn)能的發(fā)揮。在線腐蝕數(shù)據(jù)采集和陰保數(shù)據(jù)自動上傳，無需現(xiàn)場人工采集，可對采集的數(shù)據(jù)西東整理行成報表，定時向相關(guān)部門及人員自動發(fā)送，無需人工干預，可顯著降低人工檢測的勞動強度。無人值守模式的全面推行，可減少作業(yè)人員去生產(chǎn)現(xiàn)場的巡檢和操作頻次，優(yōu)化巡檢作業(yè)制度，減少人工失誤的出現(xiàn)，提升無人值守現(xiàn)場可靠性。自動視頻巡檢流程如圖3所示。站場巡檢頻次由原來的1次/8小時降低為1次/天，人工工作量大幅降低，同時降低班組定員，提升氣田開發(fā)效益。人員素質(zhì)不斷提高，單兵作戰(zhàn)能力明顯增強；生產(chǎn)管控能力顯著增強，現(xiàn)場安全環(huán)保風險得到進一步削減。

圖3 自動視頻巡檢

4 結(jié)論及建議

目前，某氣田對轄區(qū)站場信息化設(shè)備設(shè)施、物聯(lián)網(wǎng)、SCADA及通信系統(tǒng)進行了改造升級，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、遠程監(jiān)控、生產(chǎn)預警，優(yōu)化油氣生產(chǎn)過程管理。信息化、智能化讓管理鏈條縮短、管理層級減少、管理效率提高。“氣田區(qū)域集中管理+無人值守井站”生產(chǎn)組織模式轉(zhuǎn)型成果顯著，深化無人值守站場管控手段，天然氣開發(fā)生產(chǎn)管理工作水平、效率顯著提升。今后將進一步運用好數(shù)字化新技術(shù)和智慧管道管理平臺，不斷提升管道安全管控能力和應急處置效率，全力保障天然氣生產(chǎn)。

數(shù)字化技術(shù)的大量應用，在優(yōu)勢明顯的同時，也有一些問題需要引起重視。

4.1 強化員工業(yè)務(wù)能力

隨著氣田開發(fā)生產(chǎn)的數(shù)字化程度持續(xù)提高，一線員工從大量繁瑣的現(xiàn)場巡檢操作中解脫出來時，也讓員工逐漸疏于操作，導致其技能水平與現(xiàn)場管控要求不匹配，沒有認識到數(shù)字化生產(chǎn)發(fā)展對自身素質(zhì)提出的更高要求。需要持續(xù)強化員工能力素質(zhì)培訓，推進復合型大工種管理，按照氣田區(qū)域集中管理的實際崗位，進一步提升員工隊伍的綜合能力素質(zhì)。努力確保員工在數(shù)字化條件下會操作、會排查處理異常情況，提升員工的操作技能和應急處置能力。

4.2 加強設(shè)備設(shè)施維護保養(yǎng)

生產(chǎn)現(xiàn)場大量數(shù)字化設(shè)備設(shè)施的使用，在減輕現(xiàn)場操作工作的同時，對設(shè)備設(shè)施本身的可靠性也提出了很高的要求?，F(xiàn)場管控系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，就會造成生產(chǎn)異常甚至發(fā)生事故。因此，需要及時建立比較完備的設(shè)備設(shè)施管理機構(gòu)，構(gòu)建完善與生產(chǎn)組織模式相匹配的管理制度，加強現(xiàn)場風險管控。形成一定規(guī)模的自動化設(shè)備管理應用維護維修隊伍，滿足各級現(xiàn)場設(shè)備設(shè)施維護保養(yǎng)、故障處理的要求，確保設(shè)備處于良好的工作狀態(tài)。

4.3 持續(xù)提高數(shù)字化水平

今后，將進一步夯實天然氣管道、場站生產(chǎn)數(shù)字化管理基礎(chǔ)，加大數(shù)字化技術(shù)應用力度，持續(xù)提升管道及場站的管理水平，為下一步數(shù)字孿生體建設(shè)奠定基礎(chǔ)［5］，實現(xiàn)氣田生產(chǎn)智慧化管理?；緦崿F(xiàn)重大風險預警和生產(chǎn)安全自動分析診斷，達到生產(chǎn)管理智能化水平。氣田地面生產(chǎn)系統(tǒng)達到風險全方位感知、綜合性預判、一體化管控、自適應優(yōu)化，打造智慧化氣田。