基于区块链的智能油气田数据生态建设方法

胡耀义*，金锋，修宇，宋光红，陈治理

（1.中国石油工程建设有限公司；2.中国科学院西北生态环境资源研究院）

0 引言

2016 年召开的第46 届世界经济论坛达沃斯年会，将区块链、人工智能、自动驾驶等技术一并列入“第四次工业革命”。2019 年10 月24 日，中国国家主席习近平明确将区块链技术作为国家信息化的重要发展方向，并强调要把区块链技术作为国家核心自主创新的重要突破口。随着区块链理论的持续完善和技术的不断进步，区块链的理论和应用技术在全球新的技术革新和产业变革中发挥着重要作用，其应用领域不断扩大，应用深度不断拓展。

对于智能油气田数据生态建设来说，其涉及的价值链包括油气田勘探开发、地面建设、生产运营管理和检维修等各个环节，价值链冗长、沟通环节复杂、数据类型多样，且数据量庞大，各业务节点的数据需要在透明环境下及时共享，同时节点间存在博弈行为，上述特征均符合区块链方案可解决的相关技术特征［1-6］。

1 区块链技术发展现状

区块链产业在国内外的发展阶段、关注重点和发展特色各有不同，国家战略与政策监管也各有侧重。包括美国、德国、英国和中国在内的多数国家均重视区块链技术在实体经济中的创新应用，且制定了较为明确的发展战略和监管政策。截至2019年底，全球约有3 000 家区块链企业，中国成立区块链产业园共计22 家，其中20 家为政府主导或参与推进。

从整体来看，区块链技术的发展经历了3 个阶段：第一阶段以比特币去中心化的数字货币应用为典型代表；第二阶段为可编程金融，引入了“智能合约”的理念，区块链的应用范围开始从单一的货币领域扩大到涉及合约功能的其他金融领域；第三阶段是当前正在发展的阶段，主要从数字金融领域延伸至物联网、智能制造、司法存证、供应链管理、数据资产管理、电子商务等多个领域［7-12］。

智能油气田的建设关系到油气企业的发展战略，以及对应的治理体系、业务体系和组织体系。油气企业通过数据生态建设实现数据的资产化管理是油气田数字化转型的基础，而基于数据生态开展应用生态建设是智能化发展的本质目标。目前，国内油气企业在区块链方面的实际应用几乎空白，多为科研课题或试验性质的项目；国外油气企业将区块链技术主要应用于生产、施工和能源大宗商品交易等环节，且取得了一定的成效。

如：2018 年12 月，阿布扎比国家石油公司与国际商业机器公司合作，推出基于区块链的自动化系统，以整合价值链中的石油和天然气生产，通过该系统的上线运行可跟踪、验证和执行从生产井到最终客户的交易信息，旨在减少运营公司之间执行交易所耗费的时间，进而提高整个价值链的运营效率；2019 年2 月，康菲石油公司、埃克森美孚公司、雪佛龙公司等十余家石油和天然气公司合作建立了美国首个产业区块链财团——OOC 油气区块链联盟，该联盟主要针对区块链技术进行试点性探索和行业标准化规划等相关工作；2019 年，美国老牌海洋石油服务公司——钻石海洋石油，推出了基于区块链技术的钻井服务系统，该系统为一个不可篡改的云服务管理平台，可从任何支持网络的终端设备访问，用于从采购、施工、竣工到生产等阶段优化油井的相关施工业务［13-17］。

综上，区块链技术在油气田的应用依然局限于以具体油气业务活动的优化与改进进行的研究和应用。从智能油气田整体数据生态和应用生态结构来看，仍缺乏系统性的区块链应用理论和具体的解决方案。尤其是在既有形成的油气田信息化架构和经营管理模式之下，如何利用区块链前瞻技术和创新成果，发挥区块链技术的潜在价值，解决当前智能油气田建设过程中面临的数据资产管理和数据价值持续释放问题，以及助力油气企业的数字化转型和智能化发展，是当前区块链技术研究需要解决的重点问题。

2 区块链技术的核心要素

区块链由区块和链两个核心要素组成，区块是存储与管理数据的基本单位，区块之间通过时间的先后顺序形成链，区块中的数据由参与区块链建设的各方共同维护，每一个区块的产生由区块链特有的共识算法产生并更新，涉及的关键技术包括数据存储技术、数据安全管控技术和数据共识技术。

2.1 数据存储结构

数据存储结构是区块链数据存储与应用技术的核心要素。对于传统智能油气田的数据生态建设，一般采用中心化的结构来存储，包括主备式热备份或冷备份结构；而区块链的数据存储结构是去中心化的分布式存储，且每一个区块的地位都是对等的，典型和较为通用的存储结构是默克尔树数据结构，树的每一个节点即为区块节点，节点和节点之间通过哈希地址进行关联。区块链中的每一个区块分为块头和块身，头部区块的哈希值存放在后续区块的块头中（根区块除外），而哈希值由计算机哈希算法产生，依次类推，形成整个区块链的区块和链条，块身则包含了该块经过多方验证的可信数据记录。

2.2 数据安全管控

数据安全管控是区块链产生可信数据的重要手段。区块链中每一区块的数据由系统所有区块节点共同验证、认可并形成记录，且任意两区块的持有权必须保证不能属于同一组织，但数据在每一区块中都有完整的拷贝。由于每个区块形成的时间信息具有不可逆性和不可撤销性，使得任何试图入侵篡改区块链某节点的行为将被拒绝，且容易被追溯而形成黑名单被纳入区块链信用体系进行记载和公示。区块链数据的质量管控主要通过计算机密码学理论和安全技术予以全方位保障，并提供可靠解决方案。区块链的哈希地址（或指针）由该区块链体系中的哈希算法产生，但从该地址则无法逻辑反推或关联推导出区块链某一节点所包含的具体真实数据内容；同时，由于计算机密码学非对称加密算法的应用，使得区块链数据的加密和解密具有不同的密钥，为区块节点的增加和上层数据应用提供了可靠的信息安全技术保障。

2.3 共识机制技术

数据共识机制作为区块链中的关键技术，是区块链中各区块持有者达成一致意见的策略和方法。其具体策略和方法是保证最新区块被准确添加至区块链，且能够被其他区块链节点所支持和接受，同时保证区块链中各区块信息的一致性、准确性、真实性、完整性和时效性的核心功能。需要说明的是，数据一旦被确认则难以进行删除和更改操作，只能进行授权查询或使用。从目前的技术发展来看，区块链建设过程中可以利用的共识机制方法主要包括工作量证明（POW）法、权益证明（POS）法、工作量证明与权益证明混合（POW+POS）法、股份授权证明（DPOS）法等。具体使用哪一种方法，则需根据具体的业务需求和区块链架构来甄别和选择，以确保区块链共识机制与业务本身无缝融合，产生最大的投入产出比。

3 区块链存储技术在智能油气田数据生态建设中的应用要点

目前，智能油气田正在向信息共享、业务协同、全面感知、主动管理和智能决策的方向发展，而数据生态建设是实现该目标的基础条件。对于智能油气田数据生态的概念，可以总结为：以油气田的数字化建造和智能化运营为目标而构建的数据采集、数据关联与存储、数据移交、数据应用、数据管理，以及配套的标准、规范和操作规程的数据资产化体系环境。智能油气田数据生态的建设内容涉及专业多，业务复杂，数据融合难度大，产生的数据类型不同，并且各数据管理主体之间的目标、职责和权力等不一致，往往需要多方协作配合才能完成［18-19］。而区块链具有存储去中心化、数据难以篡改、信息共享透明、各区块独立等技术应用特征，因此在智能油气田数据生态建设中，区块链技术具有较高的先天应用优势和后天发展前景。

智能油气田数据生态的建设，其基础是在数据生态环境中数据的资产化管理与运营，本质是高质量数据的产生，核心是数据全生命周期的管理，目标是数据价值的不断激活和持续释放。智能油气田数据生态建设过程中，存在数据延迟交付、数据泄露、数据质量参差不齐，关键设备信息难以追踪和整合，相关数据读取困难、数据版本多样、数据血缘断裂、数据不一致等问题。其中，数据延迟交付、数据泄露和数据质量等问题就是由于数据管理不透明，数据的生产和储存不在同一地方且由不同人管理，存在数据“孤岛”等原因导致。

3.1 可信数据应用要点

智能油气田数据生态环境中数据的资产化管理与运营，对数据的完整性、准确性、真实性、一致性和时效性都有非常高的要求。区块链每个节点存储都是独立的、地位相同的，而传统分布式存储一般是通过中心节点往其他备份节点实时或分时同步数据。区块链技术不依赖额外的第三方管理组织机构或软硬件设施，没有中心化管制，除了自成一体的区块链系统本身之外，通过分布式技术予以生成、存储和管理，各个节点实现了信息区块链系统内多方验证、矫正、传递、共享和管理。因此，可以在智能油气田部分具有数据交付和接收关系的单位形成一个区块，并将区块进行链接，可以有效保证不同数据交付、接收和应用单位对可信数据的本质诉求，并且由于数据的存储与查看仅限于组织内部，可采用许可链的方式予以构建。

区块链除了各区块持有者的私有信息被加密外，区块链中各区块的真实数据对所有区块持有者均开放，任何区块链参与者均可通过公开的数据通道或接口查询区块链数据，或基于该数据开发相关智能化油气田的上层应用，这种机制可以有效解决不同参建单位的数据仅保留在自己手中的现象，可极大提升数据的共享能力和数据应用的透明度，盘活大数据时代的油气田数据价值，杜绝油气企业数据资产管理过程中主观人为数据的变更和篡改。

3.2 数据安全管控应用要点

2019 年12 月1 日，中国网络安全等级保护2.0国家标准正式实施，对智能油气田的数据安全提出了新的要求。智能油气田数据生态建设的数据安全主要包括四个方面：一是确保从产业链获取数据的准确性和一致性；二是数据不能被中途篡改；三是数据不能泄露；四是数据不能丢失。从智能油气田区块链建设的角度来讲，解决这四个问题可采用区块链的数据安全思想来解决。

第一，获取数据的真实可靠性由油气田建设和运营的各方共同验证和确认，这样杜绝了数据源头仅从数据采集单位来确定的弊端；同时，设计时需要整体考虑，关注数据如何存入区块链，通常会结合物联网等技术，采用自动采集设备数据等手段，避免人工录入，从而保证数据从源头的准确性和一致性。

第二，数据的不可篡改性由智能油气田区块链的时间序列和对应区块数据交易共识算法来保证。

第三，虽然区块链中各区块的数据各区块持有者都可见，但数据可在许可链的权限管控机制下有效运行，且存储在区块链上的账户身份信息是通过计算机非对称加密算法加密的，只有在数据拥有者授权的情况下才能访问；区块链各区块都具有数据的完整拷贝，除非区块链系统中的所有区块节点被破坏，否则数据不会丢失。该方式是解决智能油气田数据生态建设数据安全管控的新型工具之一，尤其在当前国际形势下，通过对数据的安全运营，成为企业实现科学发展和提质增效的有效方法之一。

第四，区块链分布式存储的方式，保障了单个结点的损坏、退出不会影响区块链数据的完整性，从而极大降低了数据丢失的风险。

3.3 共识机制技术应用要点

智能油气田数据生态的建设单位众多，涉及数据采集单位、数据存储单位、数据移交单位、数据应用单位和数据管理单位，同时与油气田建设的设计单位、采购单位、施工单位等存在众多复杂的关系，如何形成一套高效的被区块链持有者各方认可的约定和共识机制，是当前智能油气田良好数据生态环境建设的系统性问题。

第一，在智能油气田数据生态建设的数据产生、质量审核、数字孪生体生成、数据模型与业务模型融合、数据移交和应用等管理过程中，可利用区块链技术的共识机制，形成数据高效获取、信息快速流动、应用安全快捷的使用机制；第二，在智能油气田数据生态建设中，涉及勘探开发、建设和运营等多单位、多产业、多专业的协同工作，因此会产生大量的数据交易，而智能合约可解决智能油气田数据生态全生命周期的管理效率问题，同时可提升智能油气田数据生态的智能化应用水平和决策支持能力。

4 区块链技术的应用价值

常规油气田勘探与开发，从可行性研究到实施耗时较长，通常短则数月长则数年的时间。使用区块链技术，不仅可以减少协调沟通成本，还可以计算相关数据的可信度，而且在每个阶段，区块链都可以提供不可篡改的追溯记录。

在智能油气田的经营管理过程中，有时需要根据整个系统的信息和数据做出决策。但是，获取与物理实体对象具有关联关系的可信动静态数据较为困难，且来自不同独立系统的数据和信息，其结构、协议和数据格式存在不一致的问题。区块链技术可以使数据共享、交换和传输更加高效，从而提高决策的及时性和正确性。此外，智能合约还可以实现自动化、透明的决策投票程序，任何人都可以公开检查结果，保证信息在可信范围内的透明度。

在智能化条件下，需要对油气田物理实体和数字实体（数字孪生体或数字双胞胎）进行融合管理，若将相关数据形成区块链，将相关建设数据和运行数据上传到区块链并形成智能合约，则可以更加完整、可靠地对油气田运行情况进行管理，使得油气资源的管控和部署更加科学有效。

目前，国内外智能油气田数据生态的建设主要以中心化的方式进行数据架构与业务管理，这也是上述区块链技术在智能油气田数据生态应用中存在的巨大挑战，但可以通过选择某一典型工程项目的建设与运营管理进行试点，并将现有数据库系统中有可信、共享等需求的数据作为上链，并通过螺旋式加深的方式不断扩展至整个企业生态上下游，以稳妥的方式实现油气田企业面向未来可持续发展的数字化转型工作，逐步解决既有油气田企业信息化建设过程中存在的数据生态结构性和系统性问题。

5 结束语

智能油气田数据生态建设的关键是建立数字化交付体系，形成数据获取、数据资产化和数据资产价值交付的数字化交付标准，以及全生命周期管理工具和服务交付平台，打通数据资产价值赋能产业的桥梁。通过目前已开展的区块链技术研究和应用探索成果情况来看，基于区块链技术应用要点开展智能油气田数据生态构建，可有力支撑智能油气田应用生态中可视化、智能化应用对可信数据的需求，进而助力油气田企业的数字化转型和智能化发展。