油气田地面工程数字化信息模型建设方式探讨

吕莉莉 杨宝荣 吴浩 李庆 侯博文

1中国石油规划总院

2青海油田采油三厂

当前中国石油作为中国最大油气田企业，把信息化纳入创建世界一流示范企业的目标体系，把数字化转型作为贯彻习近平总书记关于建设网络强国、数字中国等重要指示精神的具体行动，作为推进公司治理体系和治理能力的重大战略举措，应大力推动互联网、大数据、人工智能等与油气业务融合应用，着力培育新的增长点，加快形成新动能，驱动公司高质量发展[1]。

随着油气田地面工程建设项目的逐步推进和完成，短期建成的油气田地面工程设施顺利移交给油气田生产管理单位，并为二十年、五十年甚至更长时间的油气田地面工程设施改造、生产运营、安全应急、储运管理、能源管理、HSE管理、设施延寿及弃置管理等提供有效服务和保障，这也是油气田地面工程建设面临的重要课题。本文基于数字化油气田转型需求，探讨油气田地面工程数字化信息模型建设和落地方法，研究如何通过建立油气田地面工程数字化信息模型，实现对油气田地面工程建设及运维的数字化管理和应用提供支持。

1 需求分析

1.1 研究背景

油气田地面工程企业在油气田地面工程建设和运维过程中需要管理不断产生与变化的庞大数据[2]，如何把大量初始采集数据转化为可用信息，进而提升运营效率，降低运营成本（OPEX）是油气田地面工程数字化转型的关键研究方向[3]。在数字化建设中，借助IT技术并与OT融合是油气田地面工程企业必须思考的问题，也是企业进一步发展的源动力。数字化转型、智能制造、智能工厂等作为更加广泛的课题，国内外各类研究机构和大型企业进行了深入的研究和实践，并给出了可参考的实践路线。

德国工程院研究报告指出“工业4.0 的发展路径以数字化为开端，而计算机化和连通性是实现数字化的基本要求”（图1）[4]。

图1 工业4.0与数字化的关系Fig.1 Relationship between Industry 4.0 and digitalization

SMLC（智能制造领导力联盟）提出智能制造（智能工厂）的实现应分为5 个步骤：①将数据转化为信息，关注建模标准、数字化环境与信息基础设施；②将信息转化为模型，关注智能化的工艺建模、仿真、分析与优化；③将模型转化为关键工厂资产，关注工厂级的智能工艺实施与智能制造管理；④关键工厂资产的全球化，关注企业（联盟）级的智能制造；⑤建立关键绩效指标，关注面向智能制造的教育与技能。从以上步骤可见，建立满足业务需求的数字化信息模型是实现数字化转型的基础。

以中国石化为例，中国石化企业智能工厂的探索和实践经历了两个发展阶段：一是智能炼厂1.0，总体以炼化企业信息系统建设与应用为核心；二是智能炼厂2.0，以智能化优化技术研发与应用为核心。未来的智能炼厂将以具有较高知识结构的专业技术人员为基础，以生产管控一体化优化为主线，以自主学习和智能预测为最终目标[3]。

1.2 业务需求

油气田管理业务既有流程行业的特点，又有自身的特殊性。油气田地面工程作为其重要的组成部分，其业务特点偏向于流程行业（图2）。

图2 油气田业务分析Fig.2 Oil-gas field business analysis

不同行业的数字化转型都应从实际业务需求出发，油气田地面工程数字化信息模型应能够为数字化应用需求服务，包括油气田地面工程规划设计、建设、生产运维业务数字化应用，油气田数字化综合管理业务数字化应用。

地面工程业务在执行中有很多问题，例如：当前油气田地面工程业务相关的资料基本上以纸介质或电子版保存，未能集中整理或数字化存储，随着业务执行结束，一些过程资料散失，造成宝贵的信息资产流失；信息的变化不能及时更新，给规划设计、生产维护带来不便，导致工作效率降低，相关成本上升[5]；对安全应急事件缺乏可视化信息以及相关资料，从而影响对事件的应急指挥等。

2 总体设计

智能油气田以感知、互联、数据融合为基础，为实现生产过程“实时监控、智能诊断、自动处置、智能优化”的油田业务新模式的要求[6]，应从数字化信息管理的角度搭建合理的油气田地面工程数字化信息管理和应用总体架构（图3）。

图3 油气田地面工程数字化信息管理和应用总体架构Fig.3 General framework of digital information management and application for oil-gas field surface engineering

油气田地面工程数字化转型的基础应是建立满足油气田地面工程业务需求的数字化、智能化动态信息模型[7]（包括资产信息、基础生产信息模型），所形成的数字化信息模型应符合油气田地面工程全生命周期的信息规范要求，并以此为基础逐步实现油气田地面工程数字化转型。

3 数字化信息模型

3.1 模型的构成

油气田的数字化建设首先需要为相关人员创造一个“环境”（油气田地面工程数字化信息模型），使不同来源的信息有效地联系起来，而不必关心这些信息的来源和最终用户位于何处[3]，使规划设计、工程建设、运行维护等企业所有员工在同一个环境下都能迅速找到相关信息，并在业务数字化执行过程中能够充分利用这些信息。

从满足油气田地面工程规划设计、建设和运维角度出发，需明确采集数据来源，并在不同系统间生成相关联的数字化信息模型是满足数字化业务需求、推进数字化油田建设的探究重点（图4）。

图4 满足油气田地面工程业务需求的信息Fig.4 Information to meet the business needs of oil-gas field surface engineering

油气田地面工程管理是对实时变化的规划设计、工程建设、运行维护以及生产等进行指令的下达，类似人体的大脑对器官、血管和神经的控制（图5）。在油气田地面工程业务数字化转型中，其载体和作用体是油气田地面工程资产，它的组成及其作用犹如人体。地面设备设施犹如人体的器官，实现相应的生产和辅助功能；串联起设备设施的工艺系统和管路犹如人体的血管系统，输送介质并完成工艺联通；负责控制的工控网络犹如人体的神经系统，对控制信号和反馈信号进行传输，使设备设施和工艺系统正常工作。以上各部分产生的信息组成了油气田地面工程管理所需的资产信息。

图5 数字化信息及应用虚拟说明图Fig.5 Digital information and application virtual illustration diagram

3.2 信息模型组织

油气田地面工程所涉及的设备设施是最基础的管理单元，以设备设施为基础形成所需的工艺系统和工控系统，再加入其他相关生产环境和生产信息，逐步形成油气田地面工程数字化信息模型。

油气田地面工程数字化信息模型应该以资产对象为核心，实现不同来源信息的网状关联，建立可视化信息模型。同时，它需要将现阶段以图纸文件工作为核心的思路，转变为以设备设施、工艺、工控、生产环境、生产信息的完善和应用为中心（图6）。

图6 油气田地面工程数字化信息模型示例Fig.6 Example of digital information model for oil-gas field surface engineering

油气田地面工程数字化信息模型基于不同信息的产生和变化特征，分为两个不同的部分。第一部分是可调整、可迭代、阶段性变化的油气田地面工程资产数字化信息模型，根据不同业务需求形成。其中，设备设施信息模型反映油气田地面工程设备设施的基础信息和关联的相关信息，体现设备设施的全生命周期变化；工艺系统信息模型反映工艺设备设施的关联和工艺连接，体现生产工艺的全生命周期变化；工控网络信息模型反映工控设备设施的关联和连接关系，为用户提供对工控系统的透视能力，体现工控系统的全生命周期变化。第二部分是不同物理资产对象产生的动态变化的油气田地面工程基础生产数字化信息模型，该模型需反映不同物理资产对象动态变化所产生的实时数据、图像、位置等信息。

3.3 信息模型规范

信息规范是数字化信息模型建设的基础，是指在油气田地面工程规划、建设、运维、退役过程中，为保证数字化业务应用和数字化转型，其所管理的信息应遵循的标准和原则[8]。

为标准化运营方、合同商、设备制造商与供货商的项目信息交付规范，世界知名的业主公司、工程企业等（如BP、Shell、Chevron、Woodside 等）联合发布了CFIHOS 标准，以在整个供应链中使交付信息各方均受益。

2010 年，中海油开始开展其海上油气田数字化的探索和研究，构建了EDIS 系统，并根据其业务需求制定了《工程信息数字化移交规范（固定生产平台分册）》；2019年，中国石化在国家颁布的《石油化工工程数字化交付标准》的基础上，根据其中、下游业务特点，制定了更加详细的《石油化工工程数字化交付执行细则》。

油气田地面工程数字化信息规范是每个阶段信息传递和管理的基础，是数字化信息模型建设的必要保障。信息规范包括信息标准、基础标准数据及信息管理要求。基于油气田地面工程建设和维护业务需求，信息标准包括满足设备设施信息完整性管理所需的对象属性模板、对象类别划分、信息结构、信息创建的深度规则等，满足信息唯一性管理所需的设备设施、工艺系统、工控系统以及业务应用需求相关的编号以及各类涉及的文档编号规则等；基础标准数据包括实现满足工程规划、设计标准化、一致性所需的标准化元件，满足物资全生命周期管理所需的工程材料编码等；信息管理要求包括数字化信息模型相关信息的创建和修改原则，满足建立数字化信息模型需求的信息移交方式和移交原则，满足数字化信息模型管理和多系统间信息传递的规则定义。

4 数字化信息模型的应用

遵循油气田地面工程数字化信息规范，针对不同的项目类型可采取不同的方式完成油气田地面工程数字化信息模型的建立。

4.1 新建项目

随着国内外业主和工程企业对数字化认知的深入，新建项目越来越多地采用数字化交付的方式，在交付给业主物理工厂/建筑/油气田设施的同时，交付一个与此对应的数字化孪生模型。

近期较有代表性的项目包括中国石化的中科、中沙、古雷、海南炼化项目等，中国石油的广东炼化、俄罗斯AGPP项目等，中海油的大部分海上油气田项目，以及大量的国外石油石化项目。

对比和研究这些正在执行和已经完成的针对新建项目类型的数字化交付项目的情况，能够看到石油石化类型项目的数字化信息管理PIM（Plant Information Management）与建筑行业广泛推进的BIM（Building Information Modeling）方式，其侧重点和应用方式有所不同。BIM 强调建筑结构三维可视化，以建（构）筑物为核心的全周期信息管理。石油石化PIM强调工厂或油气田包含对象的数据集成和管理；以设备设施为核心的全周期信息管理，可包含BIM的内容[9]。

随着业务数字化应用的深入，石油石化类型项目的数字化交付已经从“三维可视化”逐步向“数据可视化和应用”过渡。

新建项目的数字化交付大部分还是独立于新建项目工程管理之外执行，多为建设项目结束后才能交付委托方，通过数字化交付形成的数字化信息模型对建设期业务支持有限。通过数字化交付形成的数字化信息模型以设备设施信息模型为主，工艺系统模型和工控网络模型不完整，造成其在运维期的应用支持范围及深度不足。

针对油气田地面工程业务特点和目前油气田地面工程相关企业的信息化、数字化建设程度，油气田地面工程新建项目的数字化信息模型建设，可采用如下的步骤，随新建项目进度逐步完善。同时，应充分利用油气田已建数字化系统和数据库成果。

（1）定义项目信息规范。在项目开始之前，应以油气田地面工程数字化信息规范为基础，针对不同类型的新建项目和实际项目情况，补充和完善形成新建项目信息规范。

（2）明确资产信息来源。对新建区块或项目的规划、建设采用数字化执行方式产生所需的数字化成果。即在规划设计中采用相关数字化应用系统产生规划设计数字化成果；在建设过程中充分利用规划设计的数字化成果，采用相关数字化建设应用系统产生建设数字化成果；信息模型还应包括能充分反映现场情况的动态、可视化环境信息。

（3）实现信息交付。需搭建油气田地面工程数字化信息管理平台，实现信息规范的数字化落地，强调以设施设备为核心的信息关联、可视化管理。应明确交付时间，强调随项目进度，以数字化交付方式逐步获取所需的规划设计、建设产生的数字化成果（包括二三维模型、设计文档和数据等）；应随油气田地面工程项目建设进度实现连续数字化交付，而不应在建设项目结束后集中交付，使数字化交付真正成为建设项目管理的有力辅助手段。做好交付管理，即通过平台实现基于项目进度的数字化交付过程和质量管理。数字化交付应是工程数字化管理的副产品，不应把数字化交付与项目管理分离。

（4）构建资产信息模型。资产信息模型包括设备设施、工艺系统、工控网络信息模型。在数字化信息管理平台上，首先形成基本的以设备设施为核心的不同来源信息的自动关联、可视化设备设施信息模型[10]；其次，基于设备设施信息模型（需含智能P&ID 模型和智能三维模型），通过工艺系统分析、按系统类别重组等形成所需的工艺系统信息模型；再次，基于设备设施、工艺系统信息模型，以及智能仪表模型和所采用的工控硬件，通过仪表分析、工控分析等形成所需的工控网络信息模型；考虑到油气田地面工程设施分散，网状结构的特点，资产信息模型还应将其“放置”于其所处的周边环境中，即与环境信息相融合才是完整的。资产信息模型应随油气田地面工程物理资产的变化进行更新，使其具有长久的可信度；资产信息模型的建立和完善工作建议主要由工程建设企业负责。

（5）实现资产转移。在建设项目结束后，工程建设企业应在交付物理资产的同时，把建设完成的资产信息数字化模型同步交付予运维管理方。工程建设企业应通过提供持续性的服务来保证资产信息模型全生命周期完整性。

（6）构建基础生产信息模型。油气田地面工程设施的持续性生产维护管理业务（设备、工艺、生产、储运、HSE管理等）所需的基础信息是随时变化的动态信息，如来自工控硬件、计量设备的实时生产运行数据，来自视频硬件的现场数据，来自监控硬件的人员、车辆位置数据等。这些实时变化的数据，实际是物理资产对象随时间序列的一系列时间点数据，这些数据构成了基础生产信息模型。基础生产信息模型可采用集中大数据或独立数据库管理方式，但必须保证其所对应的物理资产编号符合油气田地面工程数字化信息规范的要求。

（7）构建完整的油气田地面工程数字化信息模型。油气田地面工程数字化信息模型为业务数字化应用提供唯一数据来源，并随工程业务的推进不断丰富和完善，同时与其他数字化应用进行双向信息传递。完整的油气田地面工程数字化信息模型应该是以资产信息模型为基础，通过物理资产编号（涉及设备设施、工艺系统、工控网络对象）为索引，实现与基础生产信息模型关联，形成动态变化的数字化信息模型。

4.2 已建项目

油气田地面工程经过多年的建设和发展，存在大量的已建油气田地面设施，必须同时考虑已建项目的数字化信息模型的建立。

对于已建项目，应根据已有的专业化运维系统和信息要求，补充、完善并形成已建项目信息规范。已建项目数字化信息模型建设重点是已建设施的数字化转换。

（1）现场实际情况获取。当前三维激光扫描方式可支持高精度、快速获取现场实际状况。

（2）对已有技术资料进行整理，包括大量分散存储的设计、采购、施工技术资料，各类设备设施的厂家资料，改扩建形成的变更资料等。

（3）进行数字化转换。对于普通的技术资料，例如纸质资料可通过扫描形成电子化文件，利用Excel 等软件对设备设施基础属性进行整理；基于已有工艺系统图纸，使用智能化二维设计软件翻版绘制所需的智能P&ID；基于现场三维激光扫描形成的点云模型，使用智能化三维设计软件进行选择性转换，形成所需的智能三维模型；基于实际业务需求，选择性对仪表信息使用智能仪表设计软件进行数据转化，形成基础的智能仪表模型。

实现数字化转化后，已建项目油气田地面工程数字化信息模型构建过程与新建项目相同。

5 结束语

为实现油气田地面工程数字化转型，必须首先建设完整的油气田地面工程数字化信息模型，为数字化转型提供坚实的基础。油气田地面工程数字化信息模型不应是简单的数据累计和可视化，必须是基于实际业务需求所形成的资产信息、基础生产信息以及环境信息模型的融合体。借鉴了国内外实施方案的油气田地面工程数字化信息模型构建方法对油气田数字化建设提供了可行的行业解决方案。