何小川

（中國石油股份有限公司西南油氣田公司川中油氣礦，四川 遂寧 629000）

數字油氣田，簡言之，即氣田的信息化、數字化。數字氣田產生和發(fā)展于大數據背景下，它生成與處理的數據量大，但有效的處理與應用后，從中得到的收益是較高的。隨著數字油氣田的發(fā)展，我國有公司對其價值有了更深的認識，普遍致力于數字氣田的建設與優(yōu)化，目前已經取得了良好的發(fā)展成果。

1 數字油氣田

雖然不同國際學術團體、不同石油石化企業(yè)對數字油氣田的解釋有所差異，但其本質相同。特別是對新區(qū)域或者邊遠區(qū)域的資源勘探開發(fā)工作，通過研究加工歷史資料服務于現下工作。利用大數據結合新型技術、計算機網絡構建油藏仿真模型，同時配以遙感器、智能井，實現自動控制。讓管理者更準確地預測石油石化未來的變化趨勢，以便于形成科學的氣田管理決策。研究表示，數字油氣田有助于提高石油石化產量，降低生產成本，對油企業(yè)發(fā)展具有重要影響。

2 基于大數據的數字油氣田現狀分析

2.1 數字氣田研究現狀

（1）沿技術研究現狀。隨著數字化、網絡化、信息化的發(fā)展，人們加強了對數字油氣田的研究，出現了許多研究熱點，這些熱點對于形成數字氣田網絡構架均具有十分重要的意義。從數字油氣田研究史來看，物聯(lián)網技術、信息化氣田、大數據應用等是數字油氣田的研究熱點?，F階段，石油石化行業(yè)極其重視數字氣田的研究，在整個油氣田現代化發(fā)展過程中，數字氣田起到基礎作用，數字氣田的下一步研究是智慧氣田，它對于石油石化的發(fā)展將會產生巨大影響。

在現階段的數字氣田研究中，我國對大數據、信息化以及5G的應用研究都屬于熱點研究項目，我國在數字油氣田的研究方面與國外基本同步，甚至部分研究項目領先于國外，比如，我國中石油的IT發(fā)展規(guī)劃、ERP項目部分正在實踐中，同時如我國塔里木氣田、勝利氣田等都先后樹立了數字氣田建設目標，且在逐步推進，而國外大部分還停留在思想觀念的層面。

（2）應用研究。21世紀數字油氣田開始在我國發(fā)展起來，人們開始進行相關研究，并著手了編程工作，近幾年，數字氣田的專著才漸漸多了起來。對數字氣田專著發(fā)行量進行分析，發(fā)現我國在數字氣田的發(fā)展抱有較高的熱情，且國內眾多石油石化企業(yè)已經開始應用數字氣田，這對提高我國油公司生產效率、經濟效益至關重要。除此之外，我國部分油公司還開始了對油藏預測、氣田生產信息化應用數字化平臺建設的研究。

（3）跨專業(yè)融合性。數字氣田涉及眾多專業(yè)，包括計算機、通信、數學、物理等，同時在數字氣田的基礎上還衍生出了許多交叉學科，其中對數字氣田有重要影響的是AI與大數據，因此，必須重視對這兩個專業(yè)的研究。

2.2 數字氣田建設現狀

21世紀以來數字氣田在我國獲得了飛速發(fā)展，我們結合國內油公司的相關研究，對此進行了合理的分析與評價。數字氣田作為新事物，從理論到實踐，從實驗到普及，從探索到建設，不可謂不艱辛。我國在數字氣田的建設現狀，可從下述三個角度較為全面地進行分析。

（1）數字化建設。經過15年的時間，數字氣田初步實現數字化，我國80%～90%的油公司現已實現了數字化管理。數字化建設是數字氣田建構的第一步，現階段，部分氣田公司在實施數據建設，一些油公司在研究數據治理，數字化建設日趨成熟，正在走向完善。

（2）示范性建設。我國油公司耗時5～8年，依托于物聯(lián)網、數字化等技術完成了初步示范，并逐步走向規(guī)?；ㄔO，目前，約有80%以上推行數字化管理，且還有部分油公司探索實施建設了智能氣田。

（3）數字與智能油藏的建設。我國大體用3～5年的時間對數字與智能油藏有了較為成熟的認識，并在此基礎上對其逐步進行探索建設，現階段，在該領域還處于探索嘗試階段，尚未形成規(guī)?；ㄔO。

2.3 數字氣田發(fā)展現狀

我國最早在1999年提出數字氣田，隨著數字氣田被質疑、被研究、被認可，發(fā)展至今，數字氣田已初具規(guī)模。大數據近年來的高速發(fā)展，氣田數字化、信息化產生的數據不斷增多，這引起了油公司的重視，有必要建設服務于數字氣田的數據中心。如今，數據中心構架基本形成，以層級為標準，主要分為3部分，第一級為集團中心系統(tǒng)；第二級為區(qū)域中心系統(tǒng)，包括大慶、新疆等；第三級為區(qū)域企業(yè)中心系統(tǒng)，該類企業(yè)側重于石油石化產品銷售。由此不難發(fā)現，石油數據中心內含豐富而龐大的石油數據，這也是大數據下，我國石油石化企業(yè)必須要走的數據化道路，它對于數字氣田發(fā)展十分重要。

3 基于大數據的數字氣田關鍵技術分析

3.1 智能監(jiān)控技術

（1）智能監(jiān)控概述。數字氣田監(jiān)控系統(tǒng)包括圖像采集、軟件解碼、報警聯(lián)動、后端存儲等模塊，它是一個大型氣田監(jiān)控系統(tǒng)。結合當下我國數字氣田的現狀以及氣田對監(jiān)控的需求來看，智能監(jiān)控系統(tǒng)是數字氣田發(fā)展的重要內容之一，有必要設計一套科學合理的監(jiān)控系統(tǒng)，本文所述監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示。

結合油公司管理特點與實際需求，以采集給井、核心設備等數據為手段，以實現有效報警、保障安全為目的，應用視頻監(jiān)控氣田。該系統(tǒng)主要包括前端、傳輸、監(jiān)控中心三個模塊。具體而言，前端系統(tǒng)引入視頻分析技術，對附近環(huán)境進行監(jiān)控，具有檢測、跟蹤等功能，對附近可疑車輛、人員進行記錄，通過大數據分析對可以信號發(fā)出報警。傳輸系統(tǒng)能夠實現對視頻、控制、報警的指令的傳送，由于前端系統(tǒng)趨于集中，因此，在應用傳輸系統(tǒng)時應當結合具體需求采用適宜的傳輸數據。中心監(jiān)控包括管理模塊、數據存儲模塊、監(jiān)控終端以及管理員模塊。

圖1 數字氣田監(jiān)控系統(tǒng)結構圖

在監(jiān)控系統(tǒng)中融入NDVR，實現自動控制、數據采集與分析。同時應用NDVR還能夠實現遠程數據轉發(fā)，以確保上級部門能夠實現對遠距離氣田的監(jiān)管。管理人員還可以借助網絡與氣田工作人員實時交流。

（2）關鍵技術內容。

第一，行為分析技術。監(jiān)控系統(tǒng)通過采集行為數據可以進行描述與建模，其中描述包括對個體、群體與場景三者的描述，通過在數據采集與描述的基礎上進行建模，監(jiān)控系統(tǒng)內部自有相關行為模型，監(jiān)控系統(tǒng)通過描述與建模分析行為，若發(fā)現行為與系統(tǒng)內部模型一致，可以進行報警，提高了氣田安全性。

第二，人臉識別技術。把識別的人臉圖像傳送到服務器比對，同時把識別結果呈現在顯示屏上，以實現對氣田工作人員的管理。該方法精確度高，且人臉數據資料易獲取。

第三，圖像處理技術。數字氣田，其氣田所在區(qū)域存在較大的特殊性，市面上的監(jiān)控設備在特殊場所數據采集率、圖像分辨率會受到影響，為了提高數據采集的精確度，應當引入圖像處理技術，例如，降噪、矯正等，以提高監(jiān)控水平。

第四，分析預警技術。該技術運行原理是在圖像數據與事件數據間構建一定的邏輯關系，以確保計算機可以從海量數據中快速分析，識別異常，同時高效過濾干擾信息，自動讀取重要信息，參照分析結果傳送預警信號。

3.2 數據融合技術

（1）氣田數據融合概述。數據融合是大數據背景下數字氣田建設發(fā)展過程中產生的新概念，它主要是指在數字氣田鏈條下的數字、數據、信息、智能等的整合。在數字氣田鏈條中數據發(fā)揮著至關重要的作用。一般而言，數據源于數字，經過處理的數據就是可以應用的信息，從數字氣田的角度看，這些可應用的信息包括對氣田的遠程控制以及自動運輸，能夠實現自動勘探資源，提高油氣生產效率。

數字氣田中的氣田數據主要是指為加工的、初步采集的原始數據，這些原始數據有利于分析、發(fā)現更多預期數據，即有價值的數據。因此，數字氣田數字融合的第一步就是解決怎樣融合所有原始數據這一問題。所謂氣田數據融合的目標，主要是指“合二為一”，形成新的數據群，新數據相較于原始數據其本質與特性均需要有所變化。實踐中的氣田數據融合多為數據相互間的重組，數字系統(tǒng)再對重組的數據開展分析，對氣田發(fā)展走向進行預測。

數字氣田數據融合發(fā)展需要考慮3個問題，其一，多源數據，氣田數據來源眾多，存在專業(yè)與應用方面的差異，但是把這些數據放在一個技術環(huán)境下時，可以從各自的角度對特定對象進行反映，實現多源數據表征同一對象的目標。其二，數據組合，氣田數據計算不見得十分復雜，也存在大量簡單相加的計算步驟，計算的目的是組合數據，將結果提供給數字系統(tǒng)，實現數據融合，可以采用融合器。其三，數據融合體，已經融合的數據需要轉換成其他形式，例如，把氣田地質條件轉換成地質圖像，呈現出信息。圖像是數據的載體，也是信息。氣田工作人員可以結合信息開展工作，管理者也可以依據信息實現對氣田的管控。

采集氣田數據需要在勘探、開發(fā)、運輸等環(huán)節(jié)用到傳感技術。數字氣田能夠實現對所采集的數據的組合、分析處理，將其轉化為直觀可視的圖像、文字，向管理員傳遞信息。例如，氣田區(qū)域地質條件圖等。此外，還可以把分析成果轉化成可學習的知識，供新員工學習，同時還能夠把有效信息升級為能夠為油公司創(chuàng)造價值的信息。

（2）關鍵技術原理。數字氣田想要實現數據融合必須合理應用專業(yè)技術和方法，在此基礎上，采集多項源頭數據，之后，需要進行數據處理與解釋，在處理與解釋的基礎上，依據源頭的不同，數據大體可以分為數據體和成果數據兩類，其中數據體數據就是氣田數據。所獲得的成果數據是指數據采集者或者數據研究者對自己獲取的數據制作的解釋報告，成果數據屬于知識型數據，最后可歸類到成果數據庫中，又可以將其稱作計算機管理數據。對于形成的氣田數據可以將其應用到業(yè)務環(huán)節(jié)，對于投入使用的數據，還可以進行二次分類，同樣分為數據體數據和成果數據。這一環(huán)節(jié)產生的數據體數據不同于上一環(huán)節(jié)，研究人員可能向其中加入了新數據，因此，需要讓這些數據全部進入原始數據庫，再次進行上述環(huán)節(jié)的處理、分析，這樣就形成了數據處理分析的閉合循環(huán)程序，同時也實現了對數據的常態(tài)化管理。

下面我們對氣田數據新數據體形成原理進行具體分析，它就是氣田數據融合的產物。具體而言，氣田數據融合過程十分復雜，技術含量高，它能夠表征地下油氣資源，同時提供地質信息。先來看一下氣田數據融合技術的含義，該技術的核心是數據之間的關系，也就是數據的關聯(lián)性，這是一個既簡單又復雜的過程，其簡單在數據計算方面，加減乘除運算就可以解決數據計算問題，其復雜在數據應用結果方面，數據應用結果會受到氣田數據組合關系的影響，不同的組合代表著關聯(lián)性不同，因此，不同組合下數據應用所產生的結果也不同。從氣田數據關聯(lián)的角度看，數字氣田在對地質、油藏進行描述時會實現數據融合，通過一定方式組合數據會形成新數據體，把數據體輸入到軟件中，會轉換成研究圖像，反映油氣信息。也就是說，數據關聯(lián)和組合，是數字氣田地質、油藏信息研究或者油氣開發(fā)過程中的一般做法，在該過程下，油氣得以被發(fā)現、被開發(fā)、被應用。為了強化數據的聯(lián)系，油公司可以采取流程圖的方式建立仿真模型，通過明確數據流向與數據融合過程，最終實現氣田數據融合一體化目標。

3.3 三維建模技術

國內外學者在數字城市、智能小區(qū)等領域先后進行了相關技術研究。本文所研究的三維建模技術所涉及的對象是大數據背景下的數字氣田，同時結合國內外研究經驗針對數字氣田發(fā)展過程中，對其存在影響的地上下三方面的數據進行建模研究。主要以BRep-CDTINGTP為核心，著眼于對氣田地形、地上以及地下的無縫集成建模。氣田地下建模一般采用六面體元構建，因此，本文對于氣田地下建模也主要以三維六面模型為主，分析數字氣田建模所需要的眾多數據，本文所述地表模型采用GRID構建，本文所述地上模型采用CSG構建，通過結合遺傳算法、三維網格平滑等進行研究，以保證數字氣田成功建模。

以大數據背景下數字氣田勘探開發(fā)為視角切入。數字氣田建模需要大量數據作為支撐，因此，從數據的角度結合建模內容，將其分為地表、地上以及地下三類。采集氣田地表數據可以使用遙感影像的方式，形成地表影像，在模型中以柵格貼圖的方式表現出來，對于油藏數據采用Pillar模型呈現，應用3dsMax構建地上物模型。

現階段，依托于上述技術已經能夠實現對數字氣田的建模，通過合理利用模型，可以實現高效開發(fā)油氣資源，有助于管理者形成開發(fā)方案，選擇最佳勘探目標，滿足氣田生產需要。下一步發(fā)展應當圍繞三維建模計算、優(yōu)化方案等領域，以保證在氣田地上下三維建模無縫銜接的基礎上，對其進行進一步優(yōu)化。

4 基于大數據的數字氣田應用實踐分析

4.1 “龍王廟”氣田信息化建設背景

“挖掘地下兩萬尺，迎來龍王五億年?！痹凇褒埻鯊R”氣田信息化建設管理平臺的建設下，促使沉寂在地下幾千米的氣藏呼嘯而出，使氣田的“大腦”通權達變。在作業(yè)區(qū)域建立2.0數字管理平臺，完善氣田的空間化建設、數字化建設、可視化建設以及網絡化建設等基礎設施。同時在業(yè)務協(xié)同管理系統(tǒng)中，利用物聯(lián)網技術、人工智能技術、大數據技術、圖像識別技術、云計算技術等，對氣田進行全方位感知，最終實現自動化操控，預測出其未開發(fā)展趨勢，展開啊優(yōu)化管理。在此信息化建設背景下，“龍王廟”氣田已經成為典型的智能化氣田。

4.2 系統(tǒng)構建特點

在“龍王廟”氣田信息化管理系統(tǒng)建設過程中，通過完善系統(tǒng)構建，對氣田中各項信息進行感知。例如：建立DCS/SIS系統(tǒng)，搭建氣田神經網絡，使其具備和人類大腦相同的感知功能，對各種運行狀況精準掌握；構建氣田管道光纖預警系統(tǒng)，對超過兩萬個監(jiān)測點中的溫度進行實時感知，重點感知氣田液位數據、壓力信息、溫度情況、流量信息等；構建視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對氣田中井站地所有角落進行監(jiān)控，重點關注裝置管線以及供電線路中的各個節(jié)點，找出集輸管網內部較為薄弱的位置，關注氣田生產運行每個細節(jié)。使用無人機進行巡線，搭建遠程智能管道監(jiān)控系統(tǒng)、物聯(lián)網系統(tǒng)、雙網冗余鏈路光纖。在管理過程設立“身份電子信息驗證”將氣田中各設備的實時運行數據上傳，保障管理過程信息獲取的高效性。在完善的系統(tǒng)下，氣田管理可實現自我診斷，結合各系統(tǒng)的協(xié)調對儀表數據展開實時對比，保證氣田的精準運行。使用“同溝敷設”以及“同桿架設”等組成光纖鏈路，形成互相冗余氣田“神經網絡”，保障發(fā)生網絡故障時可順利切換，構建高速運行的信息系統(tǒng)。

4.3 自動控制系統(tǒng)

在自動化氣田控制系統(tǒng)當中，通過RTU/PLC系統(tǒng)可實現氣田整體完成數字化覆蓋，在控制系統(tǒng)當中實現數據自動化采集、氣田關鍵設備的遠程控制以及站場的遠程控制效率更高。使用智能型防爆機器人，加強對現場設備進行巡檢，掌握設備實施運行狀態(tài)、數據信息以及氣體泄漏等情況，保證了氣田的管理過程更加高效和安全。在智能安防系統(tǒng)的運用下，可精準識別氣田工作人員的身份，對進出氣田的人員進行鎖定，規(guī)范其勞保用品的穿戴情況，保證氣田當中沒有異物遺留，重要物品不發(fā)生位移。同時還能強化對明火以及外來人員的檢測，當氣田中出現異常時，系統(tǒng)可運用聲波驅離方式進行防御。在自動控制系統(tǒng)中，使用AR智能設備進行現場巡檢，促使各項管理工作更加規(guī)范，人員之間高效溝通。在系統(tǒng)中應用信安防御技術，通過“安全衛(wèi)士”建立防護終端，大膽創(chuàng)新，打造氣田工控防御體系，形成加密數據傳輸、建立工控防火墻以及啟動身份認證等自動控制方案，解決管理面臨的各項問題。

4.4 系統(tǒng)應用

在系統(tǒng)應用過程，通過DCS大數據展開智能分析，促使氣田進入到運行感知的狀態(tài)，保障自動化系統(tǒng)高效運轉。在氣田“大腦”分析大量歷史數據之后，建立設備異常波動以及儀表數據預警模型，當實時運行數據和模型不相符時，就會提前對故障進行預警，保障系統(tǒng)高效運行。在智能調度系統(tǒng)當中，可結合輸氣管道內部腐蝕情況以及脫硫塔的發(fā)泡情況，確定設備檢修周期，對管道腐蝕厚度產生的動態(tài)數據進行評估，及時預警，形成可視化的分析圖表，便于管理者更精準地觀測管道、井場以及站庫等信息情況。

4.5 系統(tǒng)優(yōu)化取得效益

通過對“龍王廟”氣田工程信息化建設的探索，實現了在控制前端采集的自動化、傳輸的自動化、感知的實時化；在系統(tǒng)終端落實安全存儲工況信息、展開實時監(jiān)測、實現集中管控；在系統(tǒng)后端利用大數據技術以及智能分析，輔助管理者完成決策。最終形成了“龍王廟”氣田中單井的無人看守，對各區(qū)域進行集中控制，在控制中心完成遠程協(xié)作的自動化管理模式。同時還形成了集電子巡檢、定期維護以及檢修結合的氣田運行模式，完成了氣田管理的數字化升級。在系統(tǒng)優(yōu)化之后，更新了人員管理機制，保障當前氣田實現單井無人看守，人員用量為原有管理模式30%。在優(yōu)化信息化建設系統(tǒng)之后，氣田的安全管理更加高效，可結合氣田運行工況，借助遠程控制，制定應急處理措施，保證管理安全。此外，在信息化管理系統(tǒng)建立之后，全面提升了氣田的經營效益。實現覆蓋氣田整體業(yè)務的協(xié)同和共享，優(yōu)化管理環(huán)境，實現項目周期性數字化形式的管理，“龍王廟”氣田效益稅后達到48.59%，有效降低設備運行故障的損失率。從2014～2018年，“龍王廟”氣田在信息化管理下產生的效益達3444.3萬元。在大數據技術的應用下，優(yōu)化了氣田的信息化管理系統(tǒng)，有效提高氣田中工作者對工作的滿意程度。減少了員工處于艱苦環(huán)境下的工作時間以及工作量。大量重復性的工作由機器人代替，增加了工作中的技術含量，同時有效提高了員工對自身工作的認同感。

5 基于大數據的數字氣田發(fā)展趨勢的展望

基于大數據的數字氣田需要分析大量數據，因此，在數字氣田發(fā)展過程中，必須重視更加高效智能處理這些數據，只有這樣才能夠滿足數字氣田信息化發(fā)展的需求。因此，智能氣田是數字氣田的進一步發(fā)展。現代化管理理念結合數字氣田與信息技術共同打造出智能氣田，使得油公司全部領域都能夠實現智能化管理、運營、工作等。從發(fā)展的角度看，智能氣田是數字氣田的升級版本，但二者又存在相當程度的不同，例如，技術上，數字氣田依托于計算機網絡技術而實現，智能氣田依托于云計算、物聯(lián)網等更為先進、科技含量更高的技術而實現。

基于大數據的智能氣田是數字氣田的升級發(fā)展，從油公司生產過程來看，智能氣田智能化路徑如下，即依托于云計算、物聯(lián)網等更為新型的現代化技術，結合網絡技術、傳感器技術等，在通過視頻監(jiān)控、傳感器等現代化設備實現對智能氣田的全方位打造。將其融合到井、廠區(qū)等各個位置，以此實現對油藏、銷售等全過程的數據采集和監(jiān)管，工作人員、管理人員以及設備之間能夠實現實時信息交換?，F階段，國際社會已經出現了十分成功的智能氣田，例如，挪威國家石油公司，它和IBM公司共同研發(fā)了全新的油氣業(yè)務流程，這一流程涵蓋了眾多先進技術，使得智能氣田在運行中取得了巨大成功，我國可以借鑒挪威國家石油公司的改革發(fā)展思路，在數字氣田的基礎上努力建設智能氣田，使得我國油公司實現自動化、信息化、智能化的氣田管理的目標。

6 結語

總之，大數據時代下信息技術快速發(fā)展，氣田發(fā)展過程中會產生大量數據，在數字氣田下，數據呈現瘋狂增長的趨勢，傳統(tǒng)信息技術難以有效處理這些數據，因此，必須重視采用更為先進的數據處理技術。大數據時代為數據處理提供了云計算、物聯(lián)網等方法，在更為先進的數據處理的作用下，數字氣田也在向著智能氣田的道路不斷發(fā)展，這對于氣田自動控制、自動運行等均有重要影響，它有助于提高氣田企業(yè)生產效率，降低企業(yè)生產成本。

此外，必須重視對智能監(jiān)控、數據融合、三維建模等技術的應用與發(fā)展，以此保證智能氣田的成功建設，實現氣田的自動化、信息化管理。