油田地面系统数字化建设虚拟技术应用

2022-03-01李兴国阚宝春李佶晔印重顾行崛

油气田地面工程 2022年2期

李兴国阚宝春李佶晔印重顾行崛

1大庆油田有限责任公司第六采油厂

2中国石油华北油田公司第四采油厂

大庆喇嘛甸油田正积极推近油田数字化建设，为数字油田发展为智能油田最终建成智慧油田奠定基础。喇嘛甸油田位于大庆长垣最北端，目前已进入“双特高”开发阶段，是典型老区整装油田。油田近40 年的开发建设，先后经历了层系调整、全面转抽、稳油控水、注聚开采及三次采油等开发阶段。油田经过多期开发建设，油井加密，地面设施扩大，建成了包括集输、污水、注水、配制、注入、供配电、排水及道路等庞大的地面设施，井站管网密度加大，地面设施交错纵横，各系统生产场景交互联系，生产管理点多，信息数据庞大，数字化建设难度较大[1]。地面系统实施分层、分系统的数字化建设，投资大、建设周期长，难以满足油田进行数字化管理的迫切需求，同时分散的系统改造难以建立起地上、地下及地面系统间的有效关联，以及油田数字化的全方位管理。因此在数字化建设整体规划阶段，需首先建立起与生产场景完全相符合、能够真实反映地面系统全部工艺环节、地面和地下设施之间相关联，对油田进行全面管理的数字化虚拟场景[2]，通过各生产工艺环节和设施的矢量化、图形化、虚拟数字化建设场景对地面系统进行数字化管理，实现数字化建设的顶层设计，为开展数字化建设奠定坚实基础。

1 数字化虚拟场景建立

数字化虚拟场景要真实反映油田数字化管理状态，必须以图型、数据矢量化为基础，通过油田地形地貌、井网、站库、管网等全系统的准确测绘及建模，建立起集图形、数据于一体的地面系统数字化管理体系[3]。地面系统生产场景较多，设施错综复杂，要真实模拟生产状态极为困难，因此虚拟场景需要结合以下思路开展建设。

1.1 以油井矢量化为中心的一体化管理体系

油井是地面、采油及油藏的三大系统中心环节，其中油井分布图形、坐标及相关参数，是采油工艺、油藏工艺确定采油方式，进行井网布局及调整开发的重要依据。因此要实现地上、地下一体化管理，必须首先建立起油井的虚拟场景。为满足地面、采油及油藏三位一体的管理需求，油井的虚拟化需要油井地形、井位及生产数据的真实描述。

为建立油井的地形、地貌虚拟场景，通过应用无人机航拍技术和Skyline Terra Builder 影像处理技术，构建了喇嘛甸油田全区域三维地形地貌矢量图，实现全厂范围定位测量[4]。通过建立喇嘛甸油田GPS 测绘控制网，为航拍测量、勘察测绘提供控制坐标，形成了以C 级控制点为中心，全区域大环均匀分布、局部区域小环均匀分布的合理布局，为航拍测量、勘察测量提供了准确依据。三维地形地貌图形建设包括无人机航拍提取数字地面模型DTM（Digital Terrain Model）和影像处理两方面内容。通过提取带有空间位置特征和地形属性特征的数字地面模型DTM，生成带有公里格网、图廓整饰和注记的数字正射影像DOM（Digital Orthophoto Map）单元，最终建立了MPT 格式的喇嘛甸油田三维地形地貌矢量图背景（图1）。

图1 全区域地形地貌矢量图的建立Fig.1 Terrain and geomorphological vector map establishment of the whole region

油井生产数据关联中石油油气水井生产数据管理系统（A2）、地理信息系统（A4）、采油与地面工程运行管理系统（A5）等生产数据，地面系统动静态数据全覆盖，汇集多家权属单位数据，打破信息孤岛，实现信息共享，使各单位之间的业务配合紧密无缝，实现地面工程生产、管理数据的统一，为管理决策提供了数据支持。

1.2 地面系统全区域三维可视化

原油生产过程从油井采出经集输管网进入站库进行处理，再辅以供配电、道路设施等构成了地面系统的主体网络，要模拟复杂的地面系统，建立起地面系统的关联，首先应建立起站库、管道、供配电及道路等主体网络的虚拟场景，再辅助其他设施，才能实现地面系统全区域管理[5]。主体网络的虚拟化场景采用图型与数据的交互模式。

（1）建立全比例三维站库工艺模型。采用激光扫描三维建模和3D MAX 建模相结合的方式，以现场工艺和设计图纸为依据，建设全比例三维站间工艺模型和设备内部结构，实现生产运行可视化管理。首先，采集三维点云数据。利用激光相位扫描仪，通过合理设置扫描站点、扫描路径、扫描参数，获取原始点云数据。利用激光相位扫描仪内置集成同步相机获取物体表面高清纹理信息。然后通过点云拼接、去噪、赋色、纹理处理完成原始点云优化拼接，利用Kubit Point Cloud 和3D Max 模型编辑软件完成三维仿真模型建设。

三维激光扫描点云拼接是应用Faro SCENE 点云数据处理软件，根据已设置的扫描参数，将原始三维点云数据进行自动拼接，将集成相机拍摄的场景纹理信息与黑白点云匹配，生成具有真实色彩信息的点云数据。将拼接优化后的三维激光点云数据导出，应用Kubit Point Cloud 和3D Max 三维模型编辑软件进行修整，完成站间三维模型建设（图2）。

图2 站库三维图形建模过程Fig.2 3D graphic modeling process of station

通过建设站库全比例三维工艺，实现了站库可视化管理，使地面三维工艺和生产动静态信息同步展示，为油田生产在三维可视化基础上实现集中监控提供了技术平台。

（2）建立地上、地下设施信息矢量图。对地面设备、设施进行探测及测绘，建立地面集输、天然气、污水、注水、配注、供配电、给排水及道路全部8 个专业系统矢量图，在平面和空间上实现精确定位管理。一是埋地管线探测。在喇嘛甸油田地面系统技术管理平台建设中，采用了准确性较高的电磁探测法，开展2GPS-RTK 测绘，通过建模软件绘制二维、三维系统矢量图[6]。二是测绘建模。根据管道探测点及电网、排水渠、道路的特征点，应用GPS 测绘技术，采集地面设备空间位置信息，应用Arc Map 建模技术，建设了管道、电网、水渠及道路等专业的二维、三维系统矢量图。通过二维、三维系统矢量图建设，实现了站、间、井、管网及电网等地面设施精确定位，改变了“示意图”的管理模式。

2 数字化管理平台开发

数字管理平台以建立虚拟场景为基础，通过油田三维系统图、树状网页运行视窗、统一数据处理平台，实现了地面系统生产管理信息化[7]。平台采用数据、服务、逻辑及应用四层设计，包括数据信息提取、服务逻辑统计梳理，通过二维、三维系统实现功能展示。其中二维地图、三维地图、数据综合应用及三维模型共享服务是功能实现的核心。一是充分利用测绘成果数据的空间拓扑关系。以地图数据为载体，深挖地面系统的应用功能，建立了空间目标实体点、线、面之间的邻接，关联和包含关系，即空间拓扑关系，使之成为数据处理和空间分析的基本原则和法则。根据拓扑关系，不需要利用坐标或距离，可以确定一种空间实体相对于另一种空间实体的位置关系，有利于空间要素的查询。二是应用空间拓扑关系开发专项功能。以空间拓扑关系为索引，开发管网查询统计、产量查询统计、埋地管道穿孔分析及供配电网断电分析等应用功能。三是建立规范的数据流程体系。通过研究地面系统实体对象与生产运行环节之间的关系，进行数据信息关联，建立了含数据预处理、数据规约、数据清理、数据转换、数据存储等一整套地面数据管理流程体系。

通过平台设计实现以下功能：

（1）以油井数据为中心，多系统数据相结合，实现数据的统一。生产管理过程中，综合应用各平台数据，当信息节点数据发生变化，都可以及时发现产生的影响，从而做出及时有效的调整。如供电系统中线路发生故障后，可对下游供电设备影响范围、产量影响作出统计；管道发生穿孔后，对下游油水井影响、上游站库影响都可做出快速统计。

（2）二维、三维相结合，改变了传统管理模式。通过建立地面系统集输、天然气、污水、注水、配注、供配电、道路及给排水8 个专业二维、三维系统矢量图，建立站、间、井、管网及电网等地面设施的精准图文信息，将动静态生产数据、二维线划图、三维场景相结合，实现了油田实体在虚拟世界的展现，为实现油田智能化管理奠定了基础。全比例的三维站库模型为油田生产管理提供了虚拟场景，拓展传统二维平面的管理方式，以真实的状态来模拟现场及生产运行状况，通过平台真实模拟规划、改造、管理等相关过程，为油田未来实现自动控制打下基础。

3 数字化管理平台应用

（1）全比例三维站库工艺为集中监控、无人值守提供了技术平台。喇嘛甸油田数字化建设实施分层级、分系统的数字化改造[8]。其中联合站、污水站及配制站等大型站场按照多岗合并、集中监控的建设思路，进行站场集中监控改造设计，通过设置中心控制室，整个站场的生产过程在中心控制室进行集中监控，值班人员采用定期巡检的方式对生产岗位的生产设施进行例行检查。实现大型站场内所有工艺生产过程参数的自动采集及控制功能，实现大型站场集中监控、少人值守建设模式。转油站、注入站等中型站场按照区域巡检、无人或少人值守模式进行改造，除增设必要的数据采集及参数控制外，为保证站库运行安全，需增加重要节点的远程控制，确保在中心控制室进行紧急突发处理。单井及小型站场按照区域巡检、无人值守模式进行改造。目前，喇北东块两岗以上已实施4 座站库的合岗设计、集中监控，区域内喇十七污水、注水站、配制站及周边注入站实现无人值守，节省改造投资7 191 万元，节约生产运行成本1 175 万元，核减岗位定员95 人。

（2）利用三维地形地貌矢量图升级改造油田道路。利用喇嘛甸油田地面系统技术管理平台道路查询统计功能，对全厂油田专用公路、井排路、进站路等破损情况进行分类统计（图3），经现场调查核实，2016—2018 年共安排改造道路73.8 km。其中砂石路升级改造39.9 km，沥青路大修33.9 km，改善了喇嘛甸油田的道路环境，为雨季油田井下作业及原油生产提供了便利的交通条件。

图3 二维道路线划图及二维地形地貌矢量图Fig.3 2D road line drawing and 2D topographic and geomorphic vector map

（3）利用地面设施精确定位功能检测、更换失效管线。对管线穿孔情况进行定位查询统计，利用系统预警提示功能，对全厂埋地管道失效情况进行分类，对失效严重及单条管线穿孔达到10 次以上的管道，通过检测及现场核实后，进行修复更换。自2016 年统计分析穿孔37 787 次，检测管道防腐层742 km，更换失效管道658 km，有效降低了管道失效风险。通过穿孔失效分析统计功能，对管道穿孔失效重点腐蚀区域实施区域阴极保护，应用自动调控技术，实现了自动采集数据、自动调控功能[9]。建设了喇700 站等区域阴极保护站，保护转油站、计量间共计371 km 管线，控制了埋地管道的腐蚀速率，保证了埋地管道安全平稳运行。

（4）利用断电分析、产量分析功能优化调整电力线路。应用断电分析功能（图4）可快速查询线路优化施工中受影响站、间、井信息，查询线路负荷，为规划、设计提供依据；应用区域产量分析功能（图5）计算出在改造过程中因线路优化调整影响的产量，从而合理安排施工进度，保障对产量影响最小[10]。综合利用两种功能，优化调整供配电线路11.6 km；线路优化运行加装联络开关19 座；安装高、低压计量监测等，实现年节电262×104kWh。2016—2018 年累计节电786×104kWh，节约成本500.7 万元。