智慧油田建设与发展

李 斌刘 伟毕永斌李 力

1.中国石油冀东油田公司；2.中国石油冀东油田公司勘探开发研究院

近年不少油气生产企业提出了油田智慧化或智慧油田建设的问题，有的油区基本完成了数字油藏、数字井筒、数字地面为核心的数字化应用建设，覆盖了油田开发生产各个业务领域，初步形成了资源共享、优化集成的信息系统平台，打造了一系列核心业务应用系统，实现了企业决策分析智能量化、生产运行实时优化、生产管理高效协同、生产经营精细管控的一体化运作模式[1]。有的油区通过光缆、无线和卫星通道，形成覆盖生产一线的计算机网络，所有办公场地、主要生产站库、井场等数据源点均可连接上网，并建立了一套相对完整的数字油田标准体系，对油田原有系统、工艺流程、组织管理模式进行了改造，加快了新技术的应用[2]。

智慧油田是现代化油田的组成部分。现代化是个动态的概念，在一定的时空范围内，有三维集合即系统发展动力、系统质量水平和系统公平行为的表征集合，可操作目标，实现时间表，实现步骤等。按照此定义要求，油田现代化应该有其相应的表征集合、指标体系、实现现代化的进程时间表、具体的可操作的措施和步骤等[3]。

油田现代化指标体系既要符合国家现代化指标体系的基本要求，又要反映出油田自己的特点，各基础指标均以油田大数据为基础，从大数据中获取、产生，现代化基础指标“数字化油田程度”即指智慧油田的3个发展阶段。因此，油田大数据是油田现代化的基础，智慧油田是油田现代化与时俱进的具体体现，也在实现现代化的进程时间表、可操作的具体措施和步骤之中。

何谓智慧油田，目前还没有统一定义或确切概念。智慧油田与其他“智慧**”一样，同样存在3个发展阶段，即数字化阶段、智能化阶段、智慧化阶段。

1 数字油田

数字油田简单地讲就是将油田放在计算机里。仅单井、井组、区块、油藏、油田等层次的一级采集数据或称之为基础数据，合计就有近200类之多，如果再加上二级数据，数据量将会达到海量级[4]，录入、存储等工作量之大是难以想象的。数字油田是以数字的形式再现的油田信息场，它包括油田各种信息，即油田开发中的地下、井筒、地面的相关数据、信息、图表及油田内外环境等，而且多为非结构数据。经采集、获取、录入、解释、处理、传输、存储、管理、检索等内容组合后，通过计算机、多媒体、可视化、遥感、全球定位等技术，实现互联互通，形成虚拟仿真的立体化（3D）油田，且最大限度地优化整合油田资源，使“人”简洁方便、快速有效、实时准确地获取油田信息，有力、有序、有效地服务和满足油田开发过程中各种需求，这便初步构成数字油田。

2 智能油田

智能油田是在数字油田的基础上，利用互联网、物联网、云计算和监控等技术加强信息管理，具备自主采集、分析、判断、规划、协调、重组与扩充、自我学习、自行维护等能力。通过整体可视技术进行推理预测，利用仿真及多媒体技术，结合已开发过程实境，扩增展示为设计的开发过程运行轨迹，实现油田开发过程可控及生产计划排程合理，以及风险预警和趋利避害的应因性反应。油田开发系统各部分也可自行组成最佳系统结构。智能油田关注人与机器的协调合作，减少人工干预，集初步智能手段和智能系统等新兴技术于一体，实现油田的自我感知、自动预测、自主管控、自行决策，构建高效、节能、绿色、环保、和谐的人性化油田开发系统。

一口智能化油井应具备如下能力：

（1）自我感知能力。在相应部位安装传感器，采集该井在油藏中的3D部位、地下与地面井位点坐标、单井控制地质储量等40种数据及信息，通过有线或无线传输至计算机，应用人机互动方法，建立数字油井。

（2）自动预测能力。对地层压力、井底流压等22种可变部分，结合相应软件预测其变化趋势，并据此初步分析、判断可能发生的问题。

（3）自主管控能力。根据预测的变化趋势和可能发生的问题，提供单项变化主因，提出趋利避害的管控措施建议。

（4）自行决策能力。依据单项变化主因及趋利避害的管控措施建议，结合油藏整体变化趋势，油井在层内矛盾、层间矛盾、平面矛盾中所处状况，以及周边连通油水井变化状况、该井综合变化因素等，利用协议软件进行整体、系统地综合评价后，自行提出决策意见，进而人机互动形成最佳决策，提供给现场操作者实施。

3 智慧油田

当前业界对智慧油田的概念、特征、功能等亦是仁者见仁、智者见智。智能为物之智，被动而短期，是“人”赋予之智；智慧为“人”之智，主动而长期，是“人”思维之智。智能是智慧的前提，智慧是智能的终结，两者均处于不断变化之中[5]。智慧油田是智能油田更高级的发展，具备一定的思维特征。

何谓智慧油田？笔者认为：所谓油田智慧化，应是在油田开发大数据的基础上，以高速网络技术、高分辨率卫星影像、空间信息技术、大容量数据处理与存储技术、科学计算以及可视化和虚拟现实技术、云计算、物联网为手段，充分展示3个发展阶段，并在智慧化阶段实现综合、预测、评价、协同、预警、管控、因应、决策等功能，体现最佳优化资源配置，精细管控开发进程，以人为本且充分发挥人的主导作用的科学决策，使之达到开发效果最佳化、经济效益最大化、安全环保科学化的目标。此时该油田可称之为智慧油田。简言之就是“183833”，即1个基础、8种主要技术手段、3个发展阶段、8种基本功能、3个体现、3个目标，同样这些也在与时俱进、不断丰富和发展。

智慧油田需具备8种基本功能：

（1）综合功能。油田开发系统是自然与人工共筑的动态系统[6]，具有多类型、多个体、多属性、多层次、多阶段、多变化的开发特征。智慧油田应善于将各部分进行系统、全局、全面的整合，形成统一的整体，充分发挥综合性能，体现总体优化功能。

（2）预测功能。油田开发整个生命周期充满了不确定性，各种油田开发参数均处于动态变化之中，内外因素均有可能影响各参数的变化趋势，最终影响油田开发进程。智慧油田应在大数据的基础上，尽可能精准预测各种开发参数的变化趋势，以便更好地掌控发展态势，提高开发油田的主动性。

（3）评价功能。针对油田开发过程中某方面或某项目，按一定标准和原则对其进行分析、推理或演绎，运用科学的方法从不同侧面对其进行整体评价，即运用“人—机—评价对象—评价方法”一体化评价模式的综合评价体系，按照优选排序、揭示问题、事项评估、识别预警4项功能，多方面综合评价某方面或某项目的价值或效果或可行性，为决策提供依据[7]。

（4）协同功能。油田开发是一个涉及多部门、多学科、多工种、多岗位及决策者、管理者、操作者等众多人员协同工作的过程，亦是个系统工程。智慧油田应通过协同软件和人机互动协调各方面工作，使之和谐、平稳、科学地发展和运行。

（5）预警功能。油田开发是动态发展过程，其中充满了不确定性与各种风险。各部门、各学科、各工种、各岗位都具有风险，且风险具有复杂性、突发性、未来性和可变性[8]。何时何地发生何种风险受内外因素影响，亦会有量变到质变的变化趋势。当变化趋势发展到某风险阈值范围就应预警，以免达到或超过阈值构成风险或事故。智慧油田的预警应比智能油田更为精准和可靠。

（6）管控功能。油田管控涉及方方面面，最主要体现在如下3类：

①一级数据或基础数据的采集、传输、处理、组合。一级数据采集是否齐全准确、传输是否及时可靠、处理是否合理科学、组合是否正确妥当，直接关系到后续各环节。

②油气产量（含老井、新井和措施产量）平稳运行。是否能按期按质按量完成规划中产量的安排，年、月、日产量运行是否符合预设计态势等，关系到能否实现油田开发目标、提高油田开发效果与经济效益。

③风险预警。油田开发涉及成百上千个岗位和众多部门，针对其中存在的不同程度的各类安全隐患，加强风险预警管控，确保安全环保，这关系到企业的持续性发展和声誉。

（7）应因功能。应因性是指油田开发中预测主体对预测客体或对象有意识应对行为，即趋利避害行为[4]。因应性实质是人对预测结果的能动反应。当发现运行曲线有不良趋势时，油田开发工作者应主动采取相应的趋利避害措施，避免不良趋势的发生。智慧油田需具备人机共筑的应因功能，当综合、预测、评价、协同、预警、管控等功能出现不协调、不和谐、不平衡等情况，或出现偶发性、突发性事件以及其他不利因素时，通过相应软件实施应因功能，自动提供针对性的调整措施，使之趋于正常。

（8）决策功能。综合评价是决策的基础，预测是决策的前提。只有综合评价结论可靠，预测趋势明朗，决策才会英明。决策是人机共同行为与思维的结果，尤其是“人”，即决策者或决策机构的综合素质高低会直接影响决策结果。智慧油田应具备自动决策功能，决策正确，才有可能实施包括协同、预警、管控等功能在内的各种措施，以实现目标。

4 智慧油田分阶段特征、任务与建设 难点

4.1 基本原则、分阶段特征与任务

油田数字化、智能化、智慧化是智慧油田3个发展阶段，不同阶段的特征、任务、目标、要求有所不同，但建设的基本原则应是相同的（表1）。

4.2 智慧油田建设难点

建设智慧油田是长期的系统工程，建设中必然会遇到众多难点，主要表现为如下方面。

4.2.1 海量数据采集、传输、储存难

油田开发系统是自然和人工共筑的复合系统，也是开放、动态的复杂巨系统[9]，具有多类型、多单体、多属性、多层次、多阶段、多变化、多部门、多学科、多工种、多岗位等特征。采集的实时数据量多门类广，且多为非结构数据。需从井下、井筒、井口、井场、地面站等多部位安装自动采集装置（包含传感器、摄像头及其他采集装置、仪表等），数据传送到远程中心，构成地上地下3D可视的立体采集系统，并与油田互联网、物联网相联，进行处理、组合、分析、归纳、演绎。这些操作不仅涉及地域广、人员多，而且有众多的采集装置需创新、攻关、研制。

4.2.2 应用软件多而复杂，需克服互联互通程度低的 弊端

要实现智慧油田的八大功能，需建立相应的数据库和研制大量的协同软件。围绕数据采集、整理、分析、发掘、展现、应用等环节，要研发大型通用海量数据存储与管理软件、大数据分析发掘软件、各级监控软件、数据可视化软件等产品，对原始数据进行专业化处理、加工、提升、增值。这必须依托云计算的分布式处理、分布式数据库和云存储、虚拟化技术；必须依托人、机联作且以人为主的集体智慧。

表1 智慧油田分阶段综合表

研制与开发这些软件必须与石油行业云相适应，适应互联网+与物联网，适应运算能力、存储能力的动态变化；满足大量用户的使用要求，包括数据存储结构、处理能力；具有高度安全性，确保抗攻击、私有信息安全；可适应移动终端、手机、网络计算机等各种工作环境，既能服务又能应用，达到互联互通。目前，各油田均不同程度在进行智慧油田建设，但基本上是“各自为战”，并设计相应安全防卫，互联互通程度低。因此，在保留油田各自特点的前提下，相似部分应相通，交流经验、互相启发、互相促进，避免重复劳动。

海量软件的发展必然带动芯片、操作系统等信息技术核心基础产品的发展，推进打造健全、系统的大数据信息化产品体系。

4.2.3 投入费用大，企业难以承担

建设智慧油田需投入大量费用，其中包括购置、安装大量采集和传输装置、接收和存储装置、各类计算机、控制平台、虚拟装置、信息交换装置、宽带网络装置等的费用；研制、开发大量各类软件和研发相应标准与阈值的费用；引进、培训油田开发专业和IT人才的费用；智慧油田基础建设费用等。这些费用数额大且投入相对集中，一般油气生产企业难以承受，低油价时期尤其如此。如要进行区域性联网，还需租用空间设备甚至需发射专业卫星。这些费用的投入，必然会引起开发成本的急剧上升。即使智慧油田建设是个长期的工程，时间可分散投入比例，但对企业来说投入仍十分可观。

4.2.4 需专业人员与IT人员无缝连接

建设智慧油田需配备大量油田开发专业人员和专业性很强的IT人员，难点是这两类人才要紧密结合、无缝连接。这需要相关人员专业水平高、综合素质高、责任心强，具备较强的创新能力、较严格的执行能力、较大的承载能力和独立的操作能力。然而油田这种综合性人才不多，短期内难以满足大量的需求。

4.2.5 地域发展不平衡

建设智慧油田应有序进行。各油田由于油藏类型、地质特征、开采特点、开发阶段等存在差异，建设智慧油田的难易程度亦有不同，虽采用先易后难的建设顺序，但发展的不平衡依然存在。若涉及区域性联网，有可能还会受到各区域政治、经济、地理、治安等方面的差异影响。

智慧油田建设过程中，还有可能出现新的困难和问题，但油田智慧化是大势所趋，随着国家的发展、政府的重视、企业的投入、技术人员的努力，这些困难和问题都会逐步解决，油田智慧化将具有美好的前景。

5 展望与建议

可以设想，当智慧油田建成时，将会出现钻井自动化、修井自动化、设备操作自动化、现场管理无人化、井站巡查无人机化、资料采集与信息无线传输等令人振奋的局面，实现精心管理、精细操作、精准开发。智慧油田是油田整个生命周期最为辉煌的时期，这种辉煌表现在无论是油气产量上升期、稳产期还是递减期，都会进行资源的优化配置、高效协调运转和经济效益的最佳化。智慧油田是油田可持续发展的需要，是油田高效开发和经济效益最佳化的需要，是油田现代化与时俱进的生动体现。建设智慧油田是艰难的系统工程，需要油田内外、行业内外、国内外的专业技术人员和IT人员共同努力，充分运用先进的技术手段与良好的政策环境，实现油田的数字化、智能化、智慧化，达到油田开发的最高境界。

为此建议：（1）建设智慧油田是系统工程，需各油田单位将涉及地质、油藏工程、采油工程、地面工程、财务、管理、系统工程、人事、IT等各领域专家结合在一起，组成专项研究、开发与实施团队，围绕智慧油田建设问题，各专业相互了解、融合贯通，共同研究油田开发、运行、管理、技术高效与经济高效等体制及相应机制，充分发挥各领域专家的理论、知识、经验和智慧。（2）集团公司级需将各油田的专项团队有机结合，形成高层次的研究、开发与实施团队；国家级则应组织更高层次的专家团队，统一协调。（3）注意应用系统科学的术语界定有关智慧油田中各种名称、概念，制定相应统一标准，使油田单位有章可循、按标准执行，也更利于相互交流促进、互通互联。