数字化油田建设现状及面临的挑战

2014-01-30彭吉友刘新华

中国设备工程 2014年3期

关键词：油田数字生产

张跃，彭吉友，刘新华

（1. 胜利石油管理局海洋钻井总公司；2.东营市胜软石油技术开发有限公司，山东东营 257000）

数字化油田建设现状及面临的挑战

张跃1，彭吉友2，刘新华2

（1. 胜利石油管理局海洋钻井总公司；2.东营市胜软石油技术开发有限公司，山东东营 257000）

介绍了数字油田的由来、主要技术及发展现状，分析了数字油田发展面临的机遇与挑战，并对其发展趋势做了简要介绍。

数字化；油田；现状；挑战

一、数字油田的概念与实质

不同的国际学术团体、石油公司对未来数字油田的提法各异，但数字油田的实质是一致的，尤其是对新区及边远地区的油气资源的发现与开发工作，将从历史性分类资料的顺序处理，改变成实时资料的并行处理，利用实时数据流结合创新型软件的应用和高速计算机系统，建立快速反馈的动态油藏模型，并将这些模型配合遥测传感器、智能井和自动控制功能，让经营者更直观地了解地下生产动态和更准确预测未来动态变化，以便及时采取措施提高产量和进行有效的油田管理。相关研究表明，数字油田技术能大幅度降低石油生产成本，油田平均采收率可从现在的30%提高到50%以上。

信息管理功能和技术经济功能对油田作用极大，建立高效可靠的信息管理系统十分必要。油田的信息具有以下特点。

(1)从信息的来源来看，油田信息大多来自于大规模的野外生产和施工，包括油气勘探、油气田开发、钻井工程、地面建设、石油化工、储运销售，以及经营管理等。

(2)从信息的实体来看，信息涵盖的对象是隐藏于地下巨大的流动矿体资源，因而地质实体是研究的中心。

(3)从信息的本身来看，信息的时空跨度大，结构复杂，多源分布式，并且图形是信息的常见集合形式。

二、数字油田主要技术

催生数字油田的技术包括应用控制论的高效算法设计、人工神经网络、模糊逻辑和遗传算法的应用、面向对象编程技术、软件成熟度模型和结构化设计软件工程的严格应用、基于实用软件工程和基础计算机科学的方法学等。

促进数字油田发展的关键技术主要包括：

(1)遥测技术，主要包括四维地震监测、重力测量、电磁监测、永久型地面检波器网络和永久型光纤井下检波器等。

(2)可视化技术，包括综合勘探与生产数据的三维

可视技术、虚拟现实技术等。

(3)智能钻井与完井技术。

(4)远程自动化控制技术。

(5)数据集成、管理与挖掘技术。

(6)辅助决策技术等。

数字油田技术的前沿领域包括四维和全波地震处理解释、地震和油藏模拟之间的转换、自动油气发现、闭环控制等。

三、数字油田发展现状

根据雪佛龙公司的分级系统，数字油田的升级换代经历四个层次，即实时监测、实时分析、实时优化和经营模式变革阶段。而迄今为止，中国的数字油田建设远未达到第四个层次。

1.中海油

1998～2009年，中海油建成了覆盖全集团范围的基础设施架构，并于2006年通过了以“IT服务标准”为核心的ISO20000认证，随后通过了信息安全体系认证ISO27001。将来中海油一旦需要对大量的小企业进行快速整合，只要将这些标准的人力、财务和管理规则迅速移植到这些被并购的公司里即可。

通过ERP二期系统的升级和数据迁移，中海油建立了一整套较为全面的集团层面的业务标准，推广使用大量数据模块及分类标准，规范了生产经营流程，积累了大量的经过标准化的核心数据，建立了基础数据使用、更新、维护工作的规范化管控机制，提升了集团管理的水平。据悉，这套规模庞大的基础数据迁移项目也得到了IBM服务器团队的有效支持。

中海油未来的两大任务是在继续开展数字海油建设的基础上，实现“数字油田”和“海上通信”。完善生产作业中心、应急指挥中心等，实现海上油田生产数据的实时采集、传输、保存，陆上运营中心对海油田生产的远程监控；而海上通信，将建成以光纤为主，微波干线为辅的数字型油田。

在炼化、化肥等企业建设“数字工厂”，在天然气及发电企业建设“数字管网”，“数字场站”，在销售物流企业建设覆盖进货等管理平台，加快产业化的融合。

2.大庆油田

大庆油田有限责任公司企业网基础平台于2000年基本搭建完成，建成了公司、厂、矿、小队的三级高速计算机网络、统一管理的电子邮件系统、域名服务器、文件传输服务器等。

(1)大庆基础地理信息系统。该系统达到了在海量数据源基础上的油田勘查、测绘以及油田地面建设规划设计工作的实际需要。

(2)大庆油田地面建设信息系统。自1996年以来，该系统的建设已初具规模，建成了大庆长垣油田基础地理信息系统、大庆油田电力地理信息系统、大庆长垣油田地面建设规划信息系统等，实现了查询、统计报表、辅助规划等功能。

(3)大庆油田勘探数据库。该数据库的建设起步于1985年，已涵盖勘探相关专业9大类(物探类、地质录井类、测井类、测试类、分析化验类、储量类、综合研究类、生产动态类、设计类)的勘探数据库，共完成了2 000余口探井的基础数据进库。

(4)大庆油田开发数据。全面推广了PDPMIS，建立了公司、厂、矿、队四级油田开发生产管理系统；开展了油田开发精细地质描述和研究工作，深化了基于油田开发数据库的专业技术应用；进一步推广了采油工程信息管理系统；开发了油田开发(调整)方案编制综合应用系统。

3.胜利油田

目前，胜利油田共建成包括勘探信息系统、油气开发信息系统、油气钻井信息系统、地面建设信息系统、采油信息系统、物资供应信息系统、技术检测及标准化信息系统和综合管理信息系统等在内的8大系统。

(1)通过地震资料处理系统升级，三维地震资料的年处理能力突破了8 800km2，成为国内第二大地震资料处理中心；精细油藏描述水平显著提高，具备了整装大油田的全油藏整体模拟能力。

(2)实现了千米以下油井生产参数动态监测，百公里以外输油管线、供电管网运行状态尽收眼底。具备了每年对百口重点探井和特殊工艺井的钻井工程参数以及重点探井的录井参数进行自动采集和传输的能力。

(3)实现了关键生产环节的自动控制。目前已有70多个海上原油生产单井平台实现无人值守，生产装置遥测遥控；9座原油站库实现油气水自动计量，电量、燃油等能耗数据自动监测，机泵自动控制，其中5座原油站库实现超高液位自动连锁报警控制，安全运行反应提高到秒级；对51座变电站进行了自动化改造，使三分之一的变电站具备了无人值守的条件。

(4)信息化与生产过程优化相结合。油田利用信息技术对机采、注水、集输等系统进行整体优化，通过工艺流程自动监控、设备运行预警保护、生产参数动态优化的配套应用，使机采系统效率提高6.6%，注水系统效率提高13.7%，输油泵机组平均运效提高12.1%。在2 800口油井应用了机采井参数优化系统，全部实施后使井系统效率平均提高9%；通过应用地面工程三维设计，使设计周期缩短1/4，每年节约工程建设投资近亿元；通过应用钻井工程设计一体化系统，优化施工参数和钻柱组合、优选钻头，每年降低钻井成本8 000多万元。

2005年，胜利油田全面建成了ERP系统，成为国内应用ERP系统规模最大的一家企业；建设了生产经营监督系统，使油田各项管理业务之间形成高效联动，与ERP系统实现无缝对接，全面实施集团公司内控制度。

按照“智慧油田”总体规划，胜利油田力争到2015年基本实现油田生产过程自动化、业务管理协同化和全面信息共享，支持井位部署可视化，油藏、钻采、地面工程方案编制的全面优化，在2020年基本建成“智慧油田”。

4.长庆油田

长庆油田在油气产量达到5 000万t时把用工总量控制在7万人左右，在管理上实现集生产指挥、综合分析决策、措施方案自动生成于一体的数字化管理系统。

在新油田，建立按流程管理的“作业区(联合站)—增压点(注水站)—井组(岗位)”新型劳动组织模式；在老油区，以数字化管理为平台，逐步撤销现有井区，推行劳动组织结构扁平化。

通过对生产工艺过程、生产管理流程的分析，集中开展针对性集成试验、技术攻关共28项，包括远程抽油机启停、自动投球装置、自动收球装置、井场语音警示、集成撬装增压装置，已有21项技术申请专利。

通过在输油管道关键部位、油气区重点路段和井场、井站安装视频监控、设置电子视频跟踪锁定及传声警示等电子遥控系统，实现异常情况自动报警，监控出入油区的车辆、人员。

加快建设现代化的自动报表生成，智能预警、管理决策辅助系统，从而大幅度提高了以现场管理为起点的管理效率，实现了单井电子巡井、井场数据实时采集、自动化控制和视频监控；实现了增压站、接转站、联合站等的压力、温度、流量控制的数字化。

5.新疆油田

2000年，新疆油田公司正式提出”数字油田”标准，并在两年后通过了中国石油集团公司的认证。到2008年，新疆油田公司已实现了档案资料桌面化、业务工作桌面化、数据正常化、系统集成化和生产自动化。

目前数字新疆油田建立了5大类260个标准组成的标准体系，已有114个标准规范在执行或试行，覆盖了油田生产、科研、管理、决策各个领域，形成了完整的信息标准体系。

新疆油田建立了一套应急救援指挥系统，它以数据库为基础，集成了网络技术、网络视频技术、通信技术、地理信息技术，形成了一个综合的安全管理系统。

新疆油田公司的生产指挥系统、三维地理信息系统、应用集成系统和勘探开发协同工作环境正式投用，标志着数字化的克拉玛依油田全面建成。

四、数字油田发展的机遇和挑战

纵观国内数字油田的建设，不管从技术还是管理的层面上看，都还存在不少难题，尤其是业务流程革新、多元异构数据整合以及专业技术软件的开发将在相当长一段时间内困扰数字油田的发展。而油气工业的各种工作流程和技术与地下油藏、油井生产监控和地面控制系统的数据流的整合更是一个极大的挑战。

一是只注重集成与展示，数据深度挖掘不够。目前很多公司可以建立应用全球远程通信和控制系统来监视、控制和优化钻井作业的实时操作中心，四维地震、智能完井等技术也都在世界各地多有应用，并能采用并行处理网络计算技术来处理地震数据。但在全面整合油田的各类作业，用IT技术来进行实时数据管理、设备自动化控制和优化生产方面，还需要继续探索。

二是业务决策难度大。石油行业中很多重要的决策需结合不同领域的成果和专家智慧，但是由于缺乏专家协同研究的平台，导致决策效率低。很多决策还是很依赖于专家个人的经验，没有传承固化；同时决策数据收集困难。挪威国家石油公司早期的数据显示，在整个决策过程中71%的时间都在收集整理数据，而真正用于分析数据、做决策的时间很少。

三是目前在数据获取上还存在较多困难。首先最突出的问题就是没有一个手段可以很快地获取到有用的数据信息；其次不同服务公司提供的数据成果格式不统一，导致数据获取困难；最后，不同业务领域的数据成果分散管理没有共享，需要时获取困难。

四是油田企业的生产和经营面临着许多不确定性，如地质条件、储量、开发方案、经济评价和市场环境的不确定性。这些不确定性带来了油田生产经营的风险，如何提高对不确定性的分析，建立不确定性分析方法，量化不确定性，提高决策科学性也是今后数字油田建设面临的主要挑战。

五是信息爆炸对数据中心的挑战。数据吞吐量大，不仅要求存储设施具有极高的吞吐性能，而且要求服务器有很高的数据和业务处理能力以及保证数据有效性和安全性的能力。