以物联网技术驱动数字油田建设的建议

熊立为

摘要：物联网技术驱动数字油田建设是实现数字油田智能化发展的有效路径，不仅有利于实现数据信息的充分共享和深度利用，而且可以促进油田公司降本增效，提升企业核心竞争力。在分析物联网技术驱动数字油田建设必要性的基础上，从建设物联网管控中心、建立智能生产设施、收集海量数据、存储并使用数据信息等方面探讨了以物联网技术驱动数字油田建设的实践，并以中国石油A油田公司为例，介绍了物联网技术驱动数字油田建设的主要实践，为其他石油公司以物联网技术驱动数字油田建设提供参考。

关键词：物联网技术；数字油田；数据信息

一、前言

物联网是由感知层、网络层、平台层和应用层组成的一个体系，通过感知设备将物理世界中的各种物体与互联网相连接，实现物品与物品之间的智能化通信和控制。物联网技术的发展使得物联网应用场景不断增加，特别是随着云计算、大数据、人工智能等新一代信息技术与油气生产深度融合，使油气生产实现了由传统信息化向数字化、智能化的转型。数字油田是未来油田公司数字化转型的终极目标，需要物联网技术与油气生产深度融合，实现对海量数据信息的充分共享和深度利用，促进油田公司降本增效，提升企业核心竞争力，是油田公司数字化转型的必然选择[1]。

二、物联网技术概述

物联网是“物物相连的互联网”，是随着互联网的发展而兴起的新一代互联网，其本质是利用射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，将任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。

物联网是“互联网+”的高级阶段，在国家“宽带中国”战略推动下，5G技术逐步成熟，为物联网发展提供了有力支撑。随着以云计算为代表的新一代信息技术飞速发展，物联网产业呈现出爆发式增长态势。在能源行业，随着油气生产从传统的人工监控向自动化、智能化、无人化转变，需要利用物联网技术将生产设施中的各种传感设备、传感器、智能仪表等进行联网，实现对油气生产过程的全面实时监测，以促进油田数字化、智能化建设。

三、以物联网技术驱动数字油田建设的战略意义

（一）数字油田建设是促进油田公司数字化转型的重要路径

为有效应对当前低油价的严峻形势，中共中央、国务院和国家能源局先后出台了一系列能源政策，积极推进石油、石化企业数字化转型，打造油气全产业链智能开采、智能生产和智能服务的高质量发展模式。随着物联网、云计算等新一代信息技术的快速发展，“数字油田”概念应运而生。

“数字油田”是将物联网、大数据、云计算等信息技术与油田生产深度融合，通过感知层、网络层和应用层的数字化转型，以智能数据为基础，以智慧服务为支撑，形成生产数字化、管理智能化、决策科学化的生产运营新模式和新业态，从而推动企业降本增效，提高企业核心竞争力。通过对数字油田的内涵、外延进行分析，可知“数字油田”是一个整体，包含了感知层、网络层和应用层三个层面，“数字油田”建设的最终目的是实现数据驱动下的生产运营新模式，即从传统的数据驱动、经验决策到数据驱动、智能决策转变[2]。

（二）数字油田建设是应对复杂油田生产环境的现实需要

近几年，受国内外市场环境、技术发展、疫情防控等多种因素影响，全球原油需求大幅下滑，国内原油供给和成品油消费也受到不同程度的冲击。同时，随着“双碳”目标的提出，国内石油公司将面临更为严峻的生产环境挑战。油田公司作为国家油气生产和消费主体，其生产和运行情况对国家能源安全、社会稳定具有重要影响。

从世界范围看，随着物联网、云计算、大数据、人工智能等新一代信息技术的快速发展和广泛应用，油田公司正从传统油气勘探开发向数字化油田转型升级，从“数字油田”到“智慧油田”快速发展，并与油气生产深度融合。从国内情况看，我国石油企业大多处于低油价阶段，大部分油田公司受经济形势影响，经营压力较大。同时，在“双碳”目标的要求下，油田公司面临的环保压力日益加剧，部分油田公司还面临着安全、环保和新能源利用等多方面挑战。由此，数字油田建设是应对复杂油田生产环境的现实需要。

（三）物联网技术是提升油田行业核心竞争力的技术支撑

石油是关系到国家安全和国民经济命脉的重要战略性资源，被誉为“工业的粮食”，石油安全是国家安全的重要组成部分。石油勘探开发是一个国家高科技技术水平的综合体现，具有“高投入、高风险、高回报”的特点。油田勘探开发涉及油气资源分布、地下地质结构、地面工艺系统等诸多要素，是典型的大规模复杂巨系统，勘探过程存在诸多不确定性因素，勘探开发难度极大。物联网技术可以实现油气资源的全面感知，以“数字化、网络化、智能化”为目标，实现油气资源的“实时化、可视化、数字化”，可以降低勘探开发成本，提升油气资源采收率，对提高我国油气勘探开发水平和保障国家能源安全具有重要意义。

四、以物联网技术驱动数字油田建设实践

（一）建设物联网管控中心

物联网管控中心是“数字油田”建设的指挥中心，实现了全厂设备资产管理、运行维护管理、生产控制管理、辅助决策管理等功能，为数字化油田建设提供了有力支撑。

1.实现全厂设备资产统一管理

物联网管控中心建立了全厂设备资产数据库，并根据实际运行情况，不断进行完善更新，实现了全厂设备资产信息的集中统一管理。

2.实现生产控制管理功能

物联网管控中心建设了生产运行实时监控系统、设备故障实时监测系统、生产控制实时监控系统，并将其与全厂自动化控制系统进行整合，实现了全厂生产控制管理的数字化、智能化。

3.实现辅助决策管理功能

物联网管控中心建设了油田生产运行智能辅助决策系统，实现了油田生产运行状况的全方位感知、动态分析与智能判断，为油田开发建设提供了决策支持，为“数字油田”建设提供了有力支撑。

（二）建立智能生产设施

物联网管控中心以智能生产设施为基础，实现生产过程的数据采集、集成分析、控制决策，推动生产流程向数字化、智能化转变。

智能生产设施的建设内容主要包括：建立基于物联网的生产数据采集系统，包括油气生产监控、地面集输监控、计量与储运监控等子系统，并在此基础上建立覆盖油井、油站及集输系统的油气生产数据采集网络；建设基于物联网的生产过程数据集成分析系统，包括油气生产智能决策支持系统（OAM）和智能排产系统；建设基于物联网的油井自动控制系统，实现井站（单井）自动控制；建立基于物联网的集输系统远程监控与调度管理系统。

智能生产设施的建设成果包括：1.建成了以4个油气生产监控子系统、6个集输监控子系统为基础，涵盖地面工程、管网工程、生产运行三大系统的油气生产数据采集网络，实现了对油气生产过程的实时动态监控；2.建成了覆盖各油气生产井场（单井）的自动化控制系统，实现了单井生产参数实时监测和动态控制；3.建成了集输系统远程监控与调度管理系统，实现对集输系统的远程监测和调度管理；4.建成了油气计量与储运监控子系统，实现对油气计量、储运数据的实时监测、动态管理，形成了覆盖全油田的油气生产数据采集网络。

（三）收集海量数据

数据是一切业务的基础，随着物联网技术的快速发展，大量传感器、智能设备、视频监控等不断接入油田生产现场，采集到的数据量呈几何级数增长。

对数据进行预处理，可以将海量数据转变为有价值的信息。从油田生产管理和技术服务的角度看，主要是实现两方面内容：一是生产信息自动采集、存储与管理；二是通过对不同数据的分析，为油田业务决策提供参考。目前，油田企业已积累了海量的生产和管理信息数据，数据量占油田企业全要素数据量的90%以上。然而，这些数据只有部分进行了有效加工利用，大部分还处于“沉睡”状态，亟待进一步开发和利用。主要体现在：

1.数据共享难度大，部门壁垒问题突出

当前油田生产信息化建设中，各部门形成的数据之间的“孤岛”现象较为突出，导致不同部门之间存在信息“壁垒”。这就导致油田公司大量生产数据分散在不同的业务系统中，没有充分发挥出数据的价值。

2.数据质量良莠不齐，缺乏统一规范

由于油田公司信息化建设起步较晚，系统建设中存在不同程度的技术、管理、操作等问题，导致部分油田公司生产和管理信息系统存在质量参差不齐的问题。

3.数据安全缺乏保障，保护机制有待完善

由于部分油田公司缺乏对数据的安全保障体系，导致在使用过程中存在数据泄露、丢失等安全风险。

（四）存储并使用数据信息

物联网的核心是将采集的海量数据进行存储，并通过一定的方法使用这些数据。数据存储的目的是为了提取和利用相关信息，同时也需要将相关信息进行存储，并实现共享。

在存储方面，目前国内的油气行业应用较多的是结构化数据和非结构化数据（如各种报表、图片、视频等）。对于结构化数据而言，其可通过数据库、关系数据库等方式进行存储，对于非结构化数据而言，可以通过大数据平台等方式进行存储。

在使用方面，主要通过 OLAP （联机分析处理）系统实现对结构化数据和非结构化数据的分析与处理，并提供相关决策支持服务。例如，针对某一油田的勘探开发工作，可以利用 OLAP系统进行钻井设计、地质建模等，并进行地震采集处理。此外，针对某一油田的生产情况、油气储量、油藏分布等，也可以通过 OLAP系统进行查询、统计和分析；而在使用方面， OLAP系统可以将数据进行关联和汇总，以此为基础对其进行分析和决策[3]。

五、以物联网技术驱动数字油田建设的实例分析

（一）总体概况

中国石油A油田公司是国内最大的陆上油田，已累计生产原油2.6亿吨，连续24年保持世界第一产油规模。为充分发挥A油田的资源优势和品牌效应，进一步提高油田的管理水平和经济效益，建设数字油田是当前A油田公司发展的必然选择。近年来，A油田公司已开始探索“数字油田”建设之路，以物联网技术为驱动，重点围绕数据采集、数据集成、数据分析、数据管理等方面开展工作。通过物联网技术与油气生产深度融合，建设以智能生产设施为基础的数字油田，建立“数字油藏”“数字油井”“数字油气田”和“数字管网”，实现数字化、智能化管理，促进企业提质增效。

（二）主要流程

油田数字化建设主要分为4个阶段，即：建设阶段、实施阶段、验收阶段和维护阶段。

1.建设阶段

建设数字油田，基于物联网技术实现生产和管理数据的自动采集、传输和存储，为数据应用提供基础；通过建设统一的数据中心，实现数据的集中存储与管理。

2.实施阶段

建立统一的生产管理平台，通过远程控制技术实现远程监测、生产设备与装置控制、生产运行的协调控制；通过对生产现场实时监控，实现对油气生产过程的有效控制；通过对各单位、各岗位的实时监测，实现对异常状态及时发现、及时处置，从而保证油田安全、高效运行。

3.验收阶段

基于生产管理平台实现油田业务数据的集中存储与管理，各单位、各岗位通过统一的平台实现数据共享，形成一个完整的统一业务应用系统。

4.维护阶段

在运行维护阶段，需要根据生产数据中心的运行情况进行维护，包括：系统硬件维护、软件升级和业务变更。

（三）关键应用

1.“智慧油田”建设

①大数据与云计算技术的应用

在油田生产过程中，对数据进行加工处理、分析研究，对油田生产数据进行优化配置，为油田生产管理提供数据支持。

②无线传感器网络技术的应用

对井下油气井、油气集输管道、集输站场、注水站等重要生产场所和重要设施实时感知，实现“感知油气”。

③移动通信网络技术的应用

在油田生产现场搭建移动通信网络设施，实现“无处不在”的无线网络覆盖。

2.油气生产安全监控

油气生产安全监控系统是基于物联网技术的智能巡检系统，包括无线视频监控、无人机巡检、远程监控等子系统。通过部署在井上的摄像机实现对生产现场的全天候监控，通过无线通信技术，实现井上人员和地面人员的双向通信；通过视频图像处理技术，实现井下视频图像的实时显示，同时支持现场情况远程传输和记录。

油气生产安全监控系统可以及时发现并预防井下作业人员、车辆违章进入井场等生产安全事故；对于紧急情况下的撤离、抢修等情况可以通过应急平台迅速控制井场周边的车辆、人员；当井下出现火灾、爆炸等险情时，可以在第一时间准确报警，并实现视频和图片记录。

3.油田远程监控

目前，国内的油气生产过程中，许多作业都是在地面系统内完成的，并由地面系统统一管理和监控，如计量、输油、气井和注水井等。但在油田地面系统之外，还有其他重要的生产过程，如油气集输、油气储运等，需要根据具体情况来对它们进行实时监控和管理。

为了实现对上述各生产过程的集中监控，同时也为了在发生各种事故时及时准确地判断、处理，采用物联网技术来实现远程监控是非常必要的。

以A油田为例，油气集输系统包含了输油、输气、计量和储气库4大部分，各部分通过管道连接到不同的站场和油田中心。每个站场都有自己的控制系统，各站场间通过管道连接，但在每个站场内部都有相应的控制系统，如储气库控制系统，通过将每个储气库内的天然气压力、温度、流量等参数收集到中央控制系统，实现对整个储气库的统一管理和监控。

在输油站场，主要是通过 GPRS通信将油气集输数据传输到中心，同时中心可以通过数据库对所有输油站场的数据进行汇总分析，以判断输油站场是否存在泄漏、泄漏量是否超标等问题。

在计量站场，通过GPRS将所有计量站场进行连接，然后通过数据采集装置将生产数据传输到中心，同时中心也可以对各站场的生产数据进行汇总分析，以判断生产过程中是否存在异常等问题。

在油气储运站场，通过GPRS将各储运站场的数据传输到中心，然后中心对储气库、气井站和 LNG储配站等进行监控，可以及时掌握各储运站场的工作状态，及时发现生产过程中可能出现的问题，保证生产安全。

（四）应用效果

目前，采油厂通过“一张图”展现所有井的实时生产状况，数据通过“一张网”汇集到公司生产运营指挥中心，实现了数据的互联互通、共享共用；通过“一张表”展示各类表务，实现了各类表务的标准化管理，为井场、工区、采油厂管理提供了有力支撑。油田数字化转型工作自2020年9月启动以来，已完成了70余口井的自动化改造，完成了多套表务管理系统的升级和集成，同时开展了集输站场物联网系统、油气集输系统智能控制系统、油气田水处理系统物联网改造等项目的建设工作，全面完成了数字化转型建设任务。总体来看，采油厂数字化转型工作成效显著，主要表现在以下几个方面：一是提升了油田的生产效率，降低了人力成本；二是促进了油田的安全生产，保障了油田安全高效生产；三是促进了油田的经营管理，为油田公司效益增长提供支撑；四是实现了油区管理的统一，统一规范了各类表务管理，提升了表务管理水平[3]。

下一步，采油厂将继续以“数字油田”建设为主线，围绕智慧生产、智慧油站、智慧管网、智慧运维等重点内容开展工作，通过物联网技术驱动数字油田建设，逐步构建数字油藏、数字油井、数字油气田和数字管网，将数字油田建设成为保障油田高效生产的重要支撑。在此基础上，进一步推进数字化转型工作。

六、结语

总而言之，数字油田建设是石油行业实现数字化转型的重要途径。通过物联网技术与油气生产深度融合，在系统构建物联网管控中心的基础上，建立智能生产设施，采集并存储海量数据，并利用物联网技术实现数据信息的共享和深度利用，最终构建以数据为核心的大平台，为油田公司降低成本、提升效率、增强核心竞争力提供强有力的支撑。物联网技术驱动数字油田建设是一项系统工程，需要在明确目标、制定总体规划和具体实施方案的基础上，充分结合行业特点和自身实际情况，构建标准化、系统化的技术体系，在实践中不断完善和优化方案，更好地推动数字油田建设。

参考文献

[1]章玲，张娜，武瑛，等.基于物联网技术的数字油田建设策略[J].信息系统工程，2023（02）：108-110.

[2]崔强，贾志鹏，胡俊涛.物联网技术在数字油田建设中的应用[J].化工管理，2022（15）：165-168.

[3]艾鹏.物联网技术提高刘官庄油田数字化水平的应用路径研究[J].电子技术与软件工程，2021（17）：5-6.

作者单位：中国石油天然气股份有限公司吉林油田分公司数智技术公司

责任编辑：张津平