涪陵页岩气田智能化架构探讨

汪宏金

摘要：中石化重庆涪陵页岩气田为国家级示范区，从气田的发现开始就以智能化建设为目标。在自动化、数字化气田的基础上，建设智能化气田，该文提出了需从实现井、管网、集气站、处理厂等各生产单元智能化，建立科学合理的气藏工程数据模型，实现配产、单井及气藏智能分析，生产和管理的智能化的气田智能化架构，并对实现智能化气田的途径和方法进行了探讨。

关键词：智能化；气田；架构

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）18-0183-03

1 智能化气田概述

1.1 智能气田的概念

“智能气田”是在“数字气田”的基础上，借助业务模型和专家系统，全面感知油气田动态，自动操控油气田活动，预测油气田变化趋势，持续优化油气田管理，虚拟专家辅助油气田决策，用计算机系统智能地管理油气田，基本实现油气田生产过程自动化、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。

1.2 智能化油气田的由来

智能化油气田的提出仅有10余年的时间，借鉴航天航空、汽车工业生产管理与运行系统的工作原理，壳牌公司管理层最早提出了智能化油气田的理念，其运行方式类似现代汽车的发动机：整个发动机是一个封闭系统，大量的传感器与一个计算机诊断系统相连，计算机系统通过传感器接收数据模拟发动机运行，并根据模型即时给出最优化调整，汽车或者汽车工程师则相应自动作出调整；通过这种方式，可以大大提高燃料的有效性。

1.3 可借鉴的智能化架构体系

1.3.1 智能建筑

智能建筑分为通信网络系统、信息网络系统、建筑设备监控系统，其监控范围为空调与通风系统、变配电系统、公共照明系统、给排水系统、热源和热交换系统、冷冻和冷却水系统、电梯和自动扶梯系统等各子系统、火灾自动报警及消防联动系统、安全防范系统包括入侵报警系统、视频监控系统、出入口控制系统、停车库管理系统、巡更系统等 、综合布线系统、智能化系统集成指在建筑设备监控系统、火灾自动报警和消防联动系统、安全防范系统等的基础上，实现建筑管理系统（SMS）的集成，以满足建筑监控功能、管理功能和信息共享的需求、电源与接地、环境和住宅（小区）智能化等10个子分部工程；子分部工程又分为若干分项工程（子系统）。

1.3.2 智能医院（图1）

2 气田智能化架构（图2、图3）

3 智能化气田建设目标

通过智能油气田建设，努力实现油气田的“四个转变”：数据管理由分散采集、逐级汇总、层层上报向自动采集、集中管理、授权共享转变；地质研究由分专业、多层次的研究向跨专业、不同学科的协同研究转变；生产管理由人工巡检、逐级反映、经验管理向生产过程实时监测、动态指挥的转变；经营管理由分系统操作、期末算账、事后分析向业务联动、事前预测、事中控制、优化决策的转变。实现更高的工作效率、更低的工作成本和人工成本、更高的设备可靠性和安全性、 更少的污染、更智能的决策过程。

3.1 气藏、单井分析的智能化

建立气藏、单井运行诊断与优化模型。智能化油气田的核心是基于模型系统的最优化，智能化油气田的计算机模型是基于油田实际运行状态过程而建立与实时修改的，该模型包括全油藏的方方面面，具备处理多信息不确定性能力和即时更新调整能力，并实时更新优化油气田生产指标等。数据是建模的基础，不同来源的数据都会用于油气藏模型，包括通过传感器、测井仪器以及井下和地面其他各种测量工具获取的实时数据。

單井生产受多重因素的综合作用，流入能力受储层特征及压裂特征控制，流出能力除了受井筒结构特征影响外，还受地面集输系统约束，使单井运行动态复杂。把单井的诸多因素整合为定量的“单井模型”可以帮助实现单井的智能管理。

3.2 生产管控的智能化

通过对自动控制系统的提升改造，实现生产的自主操控，各生产子系统及各环节的互联互通和自动调节，以满足不同工况条件、不同配产方案、不同环境条件的自主调节控制。具体包括井、集气站、管网、脱水站等生产单元的智能化建设。

3.3 安全保障的智能化

通过海量数据分析和智能预警系统，使井、站、管网、脱水站能够安全平稳运行，在非正常情况下进行分级报警，并自动执行相应预案，包括降低产量或者关断。

3.4 集输智能管控

进行管道运行的压力、温度、流量、管线腐蚀、泄漏等参数全过程实时监测。根据天然气腐蚀模型，对管线腐蚀情况进行预警；根据天然气泄漏模型，对可能泄漏点进行判断并预警。实现气田管网运行的智能管控。

3.5 设备智能管理

建立设备管理系统，系统及时、准确的自动报警，并诊断出设备异常原因，预测设备持续运行状况。设备知识库准确给出故障位置，提供维修预案，并记录案例。通过智能仪表管理系统，可实时监测仪表自身的运行状况及导压管等附属实施的情况，以确认仪表反应的参数的可靠性。根据故障报警信息，推送相应维修方案、维修方法，消除故障。

4 智能化建设实施

4.1 智能化生产管控系统——井、集气站、管网、脱水站等单元的智能化建设及数据分析预警

4.1.1 单井的智能化

实现在压力、可燃气体浓度等异常情况下分级别进行预警和提醒，在最高级别预警状态下进行自主井底 （在具备井下安全阀的情况下）或井口的快速关断，在其他情况下经操作人员确认后进行关断。

后期开展智能井试验工作，智能井是一个实时注采管理网络，是一种利用放置在井下的永久性传感器实时采集井下压力、温度、流量等参数，通过通信线缆将采集的信号传输到地面，利用软件平台对采集的数据进行挖掘、分析和学习，同时结合油藏数值模拟技术和优化技术，形成油藏管理决策信息，并通过控制系统实时反馈到井下对油层进行生产遥控、提高油井产状的生产系统。

4.1.2 集气站智能化

集气站是天然气生产的主要环节和单元，通过智能化改造达到集气站能够实现自主调节产量、温度、压力等参数。智能化集气站建设应在现有基础上增加智能角形调节阀和相应的控制系统：在不同工况条件下，保持出站温度、压力、流量的基本恒定，但是在超过一定限度时又能够自主进行调节降低产量，保证管网压力的平稳。具体的在集气站出站压力高于（低于）设定值、在出水量过大或分离器液位过高时、加热炉出口温度在一定时间内过低不能自动升高等异常情况下，系统自动降低各井产量直至流量为零。在井口关断情况下实施相应的自动操作；加热炉的水浴温度在不同产量情况下保持恒定（目前已基本实现）。

4.1.3 管网运行智能控制与监测

建立管网运行数据库，通过分析管网起始点、RTU阀室及脱水站进口压力温度变化，实时输差变化，自动的智能化判断管网运行状况，在异常状况下进行预警提醒。建设光纤泄漏检测系统，实时在线检测管道泄漏及大型施工、占压情况，通过三维场景模拟，结合管道数据采集成果，在线显示管道泄漏地点及周边情况。泄漏检测数据结合管网起始点、RTU阀室及脱水站进口压力、温度、流量变化进行综合判定，给出管网泄漏提示预警，并与井、集气站、脱水站控制系统联动。在后期定期进行管道内检测，借助数据模型将检测数据进行分析诊断，进行管道运行的预测预警，避免管道穿孔泄漏的事故发生。

4.1.4 脱水站的智能化

脱水站为有人值守战场，目前已经能够满足生产自动化和数字化需求，控制系统装备比较齐全，脱水站的智能化建设主要是脱水工艺控制智能化。在工艺超出预设值一定范围后，系统分级别进行超限提醒和预警，在突然停电、出站压力急剧超压等突发事件时，进行关断预警，在人工确定后进行紧急关断。

4.1.5 集中远程设备及智能仪表自诊断系统

井口（井下）、集气站、阀室、脱水站均安装有大量的支持HART（Highway Addressable Remote Transducer）协议的智能仪表，包括压力变送器、温度变送器、液位变送器、流量仪表、可燃气体检测及执行机构，仪表及执行机构自身是否运行正常，检测输出数据是否真实可靠是至关重要的。实现现场设备（仪表）的集中管理：包括设备运行情况、维护信息、预测性分析、在线组态和调试、在线标定、事件顺序跟踪记录、自动生成各种标准报告，降低整个测量和控制系统的不确定性。在设备运行分析管理系统中建立设备资产档案、提前预警，减少巡检维护工作量。

4.1.6 供电系统运行状况的智能化监控

1）在集气站、脱水站、阀室等地方增加电力监控设备，对供电方式进行识别（市电/UPS供电/发电机发电），对UPS运行状态进行监控，自动定期对UPS进行充放电操作。

2）根据实时数据展示情况，对集气站、脱水站、阀室等地方电力运行异常状态（超压/欠压）进行报警，并结合公司已有短信网关平台，对关键人员进行警报信息发送。报警和事件具有应用类别、优先级、责任区、智能化处理和确认机制，这使得运行人员能够快速、准确地捕捉最新的报警和事件，提高处理报警和事件的响应速度，保证电网的安全运行。

4.2 智能化安全保障系统——各种非正常情况下的自主控制与切断

无人值守集气站的安全平稳运行是摆在我们信息化工作人员面前的首要问题。在复杂多变的各种情况下，控制系统应能够实现异常智能报警，事故紧急关停，保证气井和集气站设备及管网的安全运行。

智能化安全保障系统需要与已建HSE系统、应急指挥系统、脱水站火气系统管网监控系统进行整合，形成一体化的安全保障系统，在应急指挥系统的流程中对气田进行应急处置时，指令能在智能化安全保障系统中传递，可同时采用多种通信方式进行并发通讯，对脱水站、集气站、单井进行紧急关断处理。

5 结语

智能化气田融合信息化技术、自主控制技术和管理创新手段，改造和建设物联网设备和自控系统，降低油气田运营中人为因素的干扰，优化气田运营流程、降低气田运营成本，变被动运行方式为主动运行方式，提升气田整体运营效率。

参考文献：

[1] 贾爱林，郭建林.智能化油气田建设关键技术与前景.中国石油勘探开发研究院.

[2] 徐晓宇.第三代智能井技術在大庆油田的应用.大庆油田采油工程研究院.

[3] 周峰.智能井监测技术研究进展.中国地质大学机械与电子信息学院.