大慶油田有限責任公司第七采油廠

十九大報告中指出：要善于運用互聯(lián)網(wǎng)技術和信息化手段開展工作，推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實體經(jīng)濟深度融合。目前油田信息化已進入了以數(shù)據(jù)的深度挖掘和融合應用為主要特征的智能化階段，各油田、都在加快智能化轉(zhuǎn)型升級，大慶油田提出了“數(shù)字油田、智能油田、智慧油田”發(fā)展戰(zhàn)略，各采油廠正積極推進數(shù)字化、智能化建設。采油廠轄區(qū)面積大，涉及管網(wǎng)、間站等地面基礎設施多，員工逐年遞減，管理難度加大，需要借助信息技術促進管理模式變革。地面工程系統(tǒng)在保障支撐油田生產(chǎn)運行中發(fā)揮著關鍵作用，運用前沿信息技術，實現(xiàn)相關業(yè)務的智能化、自動化，是進一步提高地面工程管理質(zhì)量和效率的重要手段，也是油田地面工程系統(tǒng)發(fā)展方向和必然趨勢[1]。

1 智能化建設基礎

為加快智能油田建設步伐，某采油廠近兩年加快井間站數(shù)字化、網(wǎng)絡資源、數(shù)據(jù)資源等基礎建設進度，為油田各系統(tǒng)智能化建設奠定基礎。

（1）數(shù)字化建設。采油廠生產(chǎn)單元包括油水井、聯(lián)合站、轉(zhuǎn)油站、集油閥組間、配水間等，目前已完成部分井、間、站的數(shù)字化建設和改造，幾年內(nèi)全廠數(shù)字化覆蓋率將達到100%。

（2）網(wǎng)絡建設。構(gòu)建了覆蓋至小隊和站庫的“辦公網(wǎng)+生產(chǎn)專網(wǎng)”的光纖網(wǎng)絡鏈路，核心網(wǎng)絡帶寬達到千兆，百兆帶寬到桌面，滿足數(shù)據(jù)、視頻、圖像等傳輸需求。

（3）數(shù)據(jù)資源建設。按照“信息統(tǒng)領、業(yè)務主導、集中管控”的原則，大力開展數(shù)據(jù)資源管控工作。整合數(shù)據(jù)資源，通過物化視圖、存儲過程等方式完成廠內(nèi)數(shù)據(jù)集中整合、廠外數(shù)據(jù)集成共享，為系統(tǒng)應用提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源；開展數(shù)據(jù)核查、修正工作，提高了數(shù)據(jù)質(zhì)量；在地面工程方面，完善基礎數(shù)據(jù)，積極推進A4系統(tǒng)深化應用建設。

2 A4系統(tǒng)深化應用

2.1 數(shù)據(jù)采集解析

近2年對全廠管道、道路、設施等油田要素的地理信息和屬性數(shù)據(jù)進行采集處理，通過現(xiàn)場檢查、抽檢、復測、開挖檢測等手段保障數(shù)據(jù)質(zhì)量，進一步完善A4（中國石油地理信息）系統(tǒng)中點、線、面地理信息。

2.2 三維建模

完成4座聯(lián)合站地上設備設施、地下管網(wǎng)的三維建模，全方位立體展示聯(lián)合站、閥組、管網(wǎng)等地面設施，為三維仿真監(jiān)控、生產(chǎn)現(xiàn)場可視運行提供基礎。

2.3 航測

開展廠區(qū)、礦區(qū)航測工作，完成廠區(qū)及部分礦部1∶1 000比例尺、部分礦生產(chǎn)區(qū)域1∶2 000比例尺的航測，實現(xiàn)清晰的影像電子地圖展示。

2.4 系統(tǒng)深化應用

（1）編制廠級系統(tǒng)圖集。為方便各單位直觀了解站間位置和各系統(tǒng)圖形關系，輔助生產(chǎn)管理和規(guī)劃設計，應用地理信息數(shù)據(jù)，更新廠級集輸、注水等系統(tǒng)圖集，包括地形圖、基礎數(shù)據(jù)和位置信息等。

（2）基于A4系統(tǒng)建立三維地理信息系統(tǒng)。集成已采集地理信息、航測成果、站庫三維模型等數(shù)據(jù)，建立三維地理信息平臺，實現(xiàn)二三維一體化聯(lián)動展示、影像圖疊加展示、局部區(qū)域放大顯示、動靜態(tài)數(shù)據(jù)查詢及統(tǒng)計分析、地形圖輸出打印等功能，為占壓管道治理、故障搶修、生產(chǎn)管理、規(guī)劃設計現(xiàn)場調(diào)查等工作提供輔助。

（3）基于A4數(shù)據(jù)建立管道完整性管理平臺。實現(xiàn)管道維修上報、審核流轉(zhuǎn)、任務分派等功能的管道維修網(wǎng)上流程，提高管道維護效率；通過移動端采集上傳管道漏點位置、現(xiàn)場照片等信息，疊加至電子地圖上，直觀展示漏點分布情況，結(jié)合維修統(tǒng)計數(shù)據(jù)，為管道更換提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

（4）指導生產(chǎn)管理。在配合中俄管道施工方面，應用管道地理信息數(shù)據(jù)，標記管道敷設路由，指導管道切斷施工，縮短施工工期，將產(chǎn)量影響降到最低。在配合燃氣站選址方面，當?shù)卣媱澬陆ㄈ細庹?，為避免占壓廠管道，應用地理信息數(shù)據(jù)標記管道路由，配合當?shù)卣x址調(diào)整，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)深化應用。在指導油田生產(chǎn)管理方面，輔助管道應急搶修和生產(chǎn)管理，為各采油礦提供坐標信息和管道走向圖形。

3 地面工程智能化建設構(gòu)想

3.1 總體思路

以“總體規(guī)劃、突出重點、分步實施、逐步完善”為原則，按照從間站到單井、從小隊到礦區(qū)的步驟，在保障生產(chǎn)安全、信息安全的基礎上，有序推進數(shù)字化建設。同時，加大人工智能、邊緣計算等前沿技術研究和實踐力度，加快智能化應用建設。

在數(shù)字化階段建立物聯(lián)網(wǎng)，依托傳感器、遠程終端、PLC、SCADA系統(tǒng)等初步實現(xiàn)間、站庫、管網(wǎng)等相關數(shù)據(jù)自動采集、參數(shù)遠程調(diào)控及基本異常報警[2]。智能化是數(shù)據(jù)“采、傳、存、管、用”中“用”的不斷升級[3]，因此智能化階段是在數(shù)字化基礎上構(gòu)建數(shù)據(jù)中心，融合多種數(shù)據(jù)，應用大數(shù)據(jù)、云計算、虛擬現(xiàn)實、人工智能等信息技術，實現(xiàn)油田地面系統(tǒng)智能化建設，如圖1所示。

3.2 建設目標

基于A4系統(tǒng)及數(shù)據(jù)深化應用，通過傳感技術、采集傳輸實現(xiàn)感知互聯(lián)，運用大數(shù)據(jù)、VR、人工智能等信息技術，與地面工程設計、管理、運行等主要業(yè)務深入融合，逐步建立地面工程智能化應用體系，在智能化階段實現(xiàn)：

（1）全景可視：以A4系統(tǒng)為基礎，通過地理信息、三維仿真、視頻監(jiān)控、無人機等技術，實現(xiàn)地面系統(tǒng)多方位直觀展示、生產(chǎn)現(xiàn)場模擬、可視化運行。

（2）實時感知：應用物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)間站、管網(wǎng)相關數(shù)據(jù)的實時自動連續(xù)采集和展示。

圖1 智能化建設架構(gòu)Fig.1 Intelligent construction framework

（3）智能分析：建立專家報警預警模型，實時分析運行參數(shù)，異常情況主動報警。

（4）自動控制：實時獲取并分析現(xiàn)場運行參數(shù)，根據(jù)計算結(jié)果和設定規(guī)則，可現(xiàn)場進行自我調(diào)節(jié)控制。

（5）趨勢預測：通過數(shù)據(jù)挖掘、模型分析，對間、站庫、管網(wǎng)等運行情況趨勢進行模擬和預測。

4 地面工程智能化建設

4.1 物聯(lián)網(wǎng)基礎建設

油田物聯(lián)網(wǎng)建設是利用各種傳感器對油田實體對象、生產(chǎn)過程與環(huán)節(jié)對象進行實時數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)通過有線或無線網(wǎng)絡傳到數(shù)據(jù)中心，構(gòu)建覆蓋油田地下、地面、天空全方位的物聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)油田全面感知。在油田地面工程部分，主要是構(gòu)建覆蓋油田間站、管網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)[4]，如圖2所示。

圖2 地面數(shù)字化建設Fig.2 Ground digital construction

（1）站庫：完成全廠聯(lián)合站、中轉(zhuǎn)站、注水站、注聚站的數(shù)字化改造升級，站庫實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動采集、設備運行及工藝流程可視化監(jiān)控、參數(shù)遠程調(diào)控、異常報警和安全預警、視頻監(jiān)控。

（2）配水間：完成全廠配水間數(shù)字化建設，實現(xiàn)注水壓力、流量自動采集、注水量遠程調(diào)節(jié)、注水異常報警、視頻監(jiān)控。

（3）集油閥組間：完成全廠集油閥組間數(shù)字化建設，實現(xiàn)摻水及回油壓力、流量、溫度等數(shù)據(jù)自動采集，摻水流量遠程調(diào)節(jié)，異常報警，視頻監(jiān)控。

（4）管網(wǎng)：采集完善管網(wǎng)地理信息和屬性數(shù)據(jù)，依托A4系統(tǒng)建立準確的油氣水管網(wǎng)平面圖、三維圖，并與井、間、站庫數(shù)字化建設同步，實現(xiàn)管網(wǎng)各節(jié)點壓力、流量、溫度等參數(shù)自動采集，流量遠程調(diào)節(jié)及異常報警[5]。

4.2 地面工程數(shù)據(jù)建設

建立油田數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)按專業(yè)分類存儲與管理，其中地面工程部分需融合多種數(shù)據(jù)，將油田地理信息、站庫管網(wǎng)基礎數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、視頻、圖像、電子圖紙等多種結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進行分類整合存儲[6]，消除數(shù)據(jù)“孤島”，加強數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和數(shù)據(jù)安全防護，為上層應用提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)共享接口，實現(xiàn)統(tǒng)一管理，并為大數(shù)據(jù)應用奠定基礎，如圖3所示。

4.3 智能化應用建設

4.3.1 基于GIS的可視化全景展示

A4系統(tǒng)提供了標準的二維、影像、高程等GIS基礎數(shù)據(jù)和應用，建立基于A4地理信息系統(tǒng)的可視化地面展示平臺，將不斷完善的間站、管網(wǎng)等地面相關實體數(shù)據(jù)疊加至A4系統(tǒng)，并關聯(lián)相關屬性、三維模型、實時運行、現(xiàn)場視頻等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)二三維多方位展示、數(shù)據(jù)層層穿透，可宏觀展示油田地面系統(tǒng)場景，可“微觀”展示各單元基礎數(shù)據(jù)和實時運行數(shù)據(jù)[7]，如圖4所示。

圖3 地面數(shù)據(jù)建設Fig.3 Ground data construction

圖4 基于GIS的可視化全景展示Fig.4 Visual panorama display based on GIS

4.3.2 智能分析預測預警

簡單的參數(shù)閾值報警不能滿足實際需求，需根據(jù)管理實際建立專家報警及預警模型，通過多參數(shù)綜合分析、專家算法、大數(shù)據(jù)分析等[8]，實時分析采集的運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)生產(chǎn)運行異常報警、預警及趨勢預測，以系統(tǒng)報警、預警為驅(qū)動，建立閉環(huán)處理流程，及時發(fā)現(xiàn)并處置異常情況，提高生產(chǎn)管理效率。

生產(chǎn)報警：按照“一點一策”原則，建立專家報警模型，實時獲取分析間、站、管網(wǎng)運行數(shù)據(jù)，對出現(xiàn)的流量、溫度、壓力等異常情況進行分級報警，并對建立閉環(huán)的網(wǎng)上流程進行跟蹤處理，提高問題處理效率，以系統(tǒng)報警為驅(qū)動，促進提升運行管理質(zhì)效。

安全預警：建立生產(chǎn)安全預警模型，實時分析壓力、流量、溫度、液位等數(shù)據(jù)，對間、站、管網(wǎng)出現(xiàn)的堵、漏、冒、燒等危險情況進行提前報警，將“事后”報警轉(zhuǎn)變?yōu)椤笆虑啊鳖A警，保障安全生產(chǎn)。

趨勢預測：對于增壓泵、加熱爐等地面設備，基于其監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合相關工藝、介質(zhì)、能耗、歷史檢維修信息、故障信息等數(shù)據(jù)，以設備模型、大數(shù)據(jù)算法等為技術支撐，實現(xiàn)設備在線運行分析、故障診斷和預測等，保障設備健康平穩(wěn)運行。對于生產(chǎn)管網(wǎng)，建立管道健康診斷模型，通過分析壓力、流量、溫度、介質(zhì)、材質(zhì)、歷史維護記錄等數(shù)據(jù)，對管道進行結(jié)蠟、泄漏預測，通過健康評估為管道更換提供依據(jù)。

4.3.3 智能化現(xiàn)場監(jiān)控巡檢

智能視頻監(jiān)控：在間站重要位置布置攝像頭，實現(xiàn)現(xiàn)場遠程監(jiān)控，在此基礎上，應用智能化視頻監(jiān)控技術進行監(jiān)控數(shù)據(jù)的自動分析與智能識別[9]，實現(xiàn)越線、違章行為、身份等自動檢測報警，快速準確定位現(xiàn)場異常情況和全天候自動監(jiān)控，提高異常情況發(fā)現(xiàn)的及時性。

雷達監(jiān)測：建立雷達監(jiān)測預警系統(tǒng)，360°大范圍掃描監(jiān)測重點生產(chǎn)區(qū)域，主機通過對紅外雷達圖像處理計算出目標的運動要素，自動判定物體形態(tài)及該物體是否跨越虛擬墻，如判定結(jié)果為跨越虛擬墻，雷達預警主機發(fā)送報警信息，同時聯(lián)動攝像機云臺對活動目標自動跟蹤。

無人機巡檢：無人機具備高空、遠距離、快速的作業(yè)能力，選擇具備定點懸停能力的多旋翼無人機，對站庫等重要位置進行短距離巡檢；選擇固定翼無人機，設置巡航路線對管網(wǎng)等地面設施進行長距離巡檢。將實時拍攝的視頻或圖像回傳至地面站，實現(xiàn)高空間、大面積、高頻率的巡檢，提高巡檢效率。

機器人巡檢：站庫數(shù)字化改造后，儀表損壞、跑冒滴漏等情況仍依靠人工現(xiàn)場巡檢，應用由動力、采集、控制系統(tǒng)組成的智能機器人，按照設置的巡檢路線和采集點進行自動巡檢，并將現(xiàn)場視頻、圖像、溫度等數(shù)據(jù)回傳至調(diào)度指揮中心，提高巡檢效率，節(jié)省勞動力，實現(xiàn)站庫安全平穩(wěn)無人值守。

4.3.4 智能控制

在數(shù)字化階段，運行參數(shù)調(diào)控依靠人工遠程進行。進入智能化階段，借鑒邊緣計算的思想，應用具備計算能力的遠程終端或智能終端設備，將控制邏輯和指令前移至現(xiàn)場，實時獲取現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)，實時分析計算發(fā)送調(diào)節(jié)指令，實現(xiàn)現(xiàn)場自動控制，擺脫網(wǎng)絡影響，減輕服務端壓力，提高調(diào)節(jié)的效率和質(zhì)量。

智能注水系統(tǒng)按照“一井一策”原則建立注水控制邏輯，將自動控制程序部署在遠程終端RTU上，RTU實時獲取現(xiàn)場注水數(shù)據(jù)進行運算，再根據(jù)計算結(jié)果將調(diào)節(jié)指令發(fā)送至電磁流量控制裝置，提高注水調(diào)節(jié)的效率和精度以及注水合格率。

智能摻水系統(tǒng)應用RTU二次開發(fā)技術將摻水控制程序部署在現(xiàn)場RTU設備中，程序根據(jù)溫度、壓力變化自動控制摻水流量，實現(xiàn)摻水量的現(xiàn)場實時自動控制，提高摻水調(diào)控的效率，有效避免堵環(huán)、凝環(huán)情況發(fā)生，優(yōu)化摻水溫度控制，節(jié)約能耗。

4 面臨的問題和解決辦法

（1）數(shù)據(jù)的質(zhì)量需持續(xù)加強。依靠傳感器采集傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，影響其質(zhì)量的因素很多，如設備精度、校驗及時性、通信情況、周圍環(huán)境等，如何控制數(shù)據(jù)質(zhì)量，保障數(shù)據(jù)連續(xù)完整，讓數(shù)據(jù)更加真實可用，是面臨的一大問題。在網(wǎng)絡上，要“因地制宜”，選擇最適合最穩(wěn)定的網(wǎng)絡建設方案；在設備上，要統(tǒng)一型號、協(xié)議、安裝等各項標準；在運維上，要制定完備合理的數(shù)字化設備運維及校驗機制。

（2）海量數(shù)據(jù)的應用和管理面臨著一定挑戰(zhàn)。油田大規(guī)模數(shù)字化建設后，必將面臨海量數(shù)據(jù)的采集、存儲與管理，目前大多采用傳統(tǒng)單機版實時數(shù)據(jù)庫，很難滿足性能、應用和安全上的要求。建立服務器集群，應用Hadoop等分布式數(shù)據(jù)管理方案，其分布式的消息隊列、流計算、多副本備份等機制可很好地滿足海量數(shù)據(jù)管理和對上層應用的支撐[10]。

（3）分散系統(tǒng)需要集成整合。目前站庫SCADA、視頻監(jiān)控等系統(tǒng)獨立運行，數(shù)據(jù)獨立存儲，未來公司、廠、礦將建立多級指揮中心，這些分散應用系統(tǒng)需要分類集成，方便應用與管理。可通過實時數(shù)據(jù)接口、OPC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲、建立中間服務等方式，將數(shù)據(jù)進行匯集整合至數(shù)據(jù)中心，為上層集成應用提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

（1）數(shù)據(jù)應用是關鍵。智能化本質(zhì)是對數(shù)據(jù)的應用，建立油田大數(shù)據(jù)、智能化算法需要的是可用有用的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接影響智能化應用效果。

（2）自動控制是手段。實現(xiàn)自動控制，比人工現(xiàn)場或遠程操作效率更高、精度更好，可有效優(yōu)化運行，減輕員工勞動強度，實現(xiàn)無人或少人值守。

（3）設備運維是保障。受壓力、溫度、震動、老化等多種因素影響，設備存在一定的故障率，做好數(shù)字化設備運維，及時排除設備運行故障，保證設備上線率，是實現(xiàn)數(shù)字化應用效果的重要保障。

隨著信息技術不斷的創(chuàng)新發(fā)展，大數(shù)據(jù)、AI、機器人等技術已在油田展現(xiàn)了巨大潛力和價值，未來也必將產(chǎn)生新的更加智能化信息技術。地面工程系統(tǒng)智能化建設是油田信息化發(fā)展的必然趨勢，數(shù)字化、智能化建設是一個系統(tǒng)工程，在建設過程中將面臨著環(huán)境、設備、技術等諸多問題和挑戰(zhàn)，通過不斷探索、完善和新技術的應用，油田各系統(tǒng)必將逐步達到全面感知、全面互聯(lián)、全面智能。