李玥洋 孫一丹 任靜思 趙 涵 張 春 王 娟

1.中國石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院 2.中海油研究總院有限責任公司 3.中國石油西南油氣田公司通信與信息技術中心

0 引言

氣田開發(fā)作為一項系統(tǒng)性工程，不僅包括了氣藏動態(tài)、井筒舉升和地面集輸?shù)壬a(chǎn)流程，還涉及輔助生產(chǎn)決策的各類工作流程。如何應用“氣藏—井筒—地面”一體化模型構建不同業(yè)務場景的智能工作流，解決生產(chǎn)中的復雜問題已成為氣田實現(xiàn)智能高效開發(fā)的技術關鍵。

一體化模型的高效運轉需要強大的數(shù)據(jù)交互技術，才能實現(xiàn)外部有效數(shù)據(jù)資源與一體化模型的互聯(lián)互通。近年來，一體化模型數(shù)據(jù)交互技術已成為國外油氣技術服務公司的重要開發(fā)領域。如殼牌石油的生產(chǎn)一體化模擬優(yōu)化與智能油氣田生產(chǎn)管理平臺[1-4]、哈里伯頓的AC數(shù)據(jù)交互軟件[5-6]、馬來西亞國家石油公司的Ocean數(shù)據(jù)整合軟件[7-8]等。這些專業(yè)軟件搭建的一體化模型與具體模塊之間的數(shù)據(jù)交互技術支持專業(yè)模型接入，具備接口技術，但主要采用人工映射的方式，且具體模塊業(yè)務需要定制化開發(fā)，自動化程度低，工作量繁瑣且成本高。

磨溪區(qū)塊龍王廟組氣藏在智能氣田建設過程中，發(fā)現(xiàn)新建氣田的數(shù)據(jù)資源存在來源分散、整合難度高、可用性差、模型加載自動化程度低等復雜問題。本文試圖搭建一體化模型數(shù)據(jù)共享平臺，利用DSB（Data Service Bus，縮寫為DSB，意為“數(shù)據(jù)服務總線”）與PI OLEDB（Plant Information System, Object Linking and Embedding Database，縮寫為PI OLEDB，意為“實時數(shù)據(jù)對象鏈接和嵌入數(shù)據(jù)庫”）接口技術進行數(shù)據(jù)的高效整合、抽取，同時自研一體化模型數(shù)據(jù)流引擎技術，以期實現(xiàn)一體化模型與業(yè)務應用模塊間數(shù)據(jù)的自動交互和工作流的靈活編排。

1 一體化模型數(shù)據(jù)共享平臺設計和搭建

1.1 一體化模型數(shù)據(jù)共享平臺的設計

氣田的一體化模型數(shù)據(jù)共享平臺是支撐生產(chǎn)系統(tǒng)多源數(shù)據(jù)接入、專業(yè)軟件數(shù)據(jù)交換、綜合數(shù)據(jù)治理，為氣井生產(chǎn)提供安全、高效的一站式數(shù)據(jù)服務平臺，可以實現(xiàn)各統(tǒng)自建系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成、清洗、標準化、抽取、管理等功能[9]；同時，編碼映射還能擴展為一體化模型運算的自動化調(diào)用，實現(xiàn)生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)與一體化模型的交互，以及可視化靈活編排工作流場景。平臺的技術架構采用分層架構模式，共4個層級：資源層、數(shù)據(jù)層、服務層、應用層（圖1）。

資源層：其中的勘探與生產(chǎn)技術數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（A1）、油氣水井生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理平臺（A2）、采油和地面工程運行管理系統(tǒng)（A5）等常規(guī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，主要通過DSB技術為一體化模型提供生產(chǎn)動態(tài)數(shù)據(jù)（日度、周度、月度等）、場站管網(wǎng)的靜態(tài)數(shù)據(jù)；以及生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺等信息系統(tǒng)利用PI OLEDB技術為一體化模型提供秒計實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)層：一體化模型數(shù)據(jù)共享平臺數(shù)據(jù)庫的建設主要通過數(shù)據(jù)整合和專業(yè)軟件數(shù)據(jù)交互的方法實現(xiàn)[10-11]。其中，數(shù)據(jù)整合主要利用DSB和PI OLEDB技術[12-15]進行生產(chǎn)秒級、日度、周度等動靜態(tài)數(shù)據(jù)的集成；一體化模型的數(shù)據(jù)交互主要采用數(shù)據(jù)流引擎技術進行一體化模型的編碼映射，實現(xiàn)生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)、生產(chǎn)日數(shù)據(jù)等與一體化模型的數(shù)據(jù)監(jiān)控、分析和交互。這些從統(tǒng)自建系統(tǒng)和一體化模型中來的過程數(shù)據(jù)、結果數(shù)據(jù)，都將自動存儲在數(shù)據(jù)共享平臺數(shù)據(jù)庫中，為上層的智能應用提供數(shù)據(jù)服務。

服務層：為上層應用提供支撐的數(shù)據(jù)服務和技術服務[16]，包括身份認證、權限管理、模型管理以及工作流的靈活編排服務等[17]。

應用層：利用服務層的各類組件，進行工作流的靈活編排，實現(xiàn)工作流與底層數(shù)據(jù)的耦合，構建可視化的業(yè)務應用場景[18]。

1.2 一體化模型數(shù)據(jù)共享平臺的搭建

一體化模型數(shù)據(jù)共享平臺的搭建，需要根據(jù)西南油氣田數(shù)據(jù)資源的特點，基于DSB、PI OLEDB、數(shù)據(jù)流引擎[19-21]、可視化展示等關鍵技術，將數(shù)據(jù)有效整合、抽取，采用特定的程序命令實現(xiàn)一體化模型的全過程自動化運算，將運算結果和實時預警信息可視化的展示出來。一體化模型數(shù)據(jù)共享平臺關鍵技術運行如圖2所示。

圖2 一體化模型數(shù)據(jù)共享平臺關鍵技術運行示意圖

1.2.1 DSB技術應用

將DSB技術用于磨溪區(qū)塊龍王廟組氣藏的各信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整合，解決數(shù)據(jù)的不同來源、不同格式、結構差異較大、共享程度較低等突出問題，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)靈活抽取、數(shù)據(jù)多維轉換、數(shù)據(jù)加載及集成管控等功能。針對Oracle數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、SQL Server數(shù)據(jù)庫等主流數(shù)據(jù)庫以數(shù)據(jù)庫直連的方式進行數(shù)據(jù)的提取，同時支持數(shù)據(jù)的對比、去重、過濾、抽取、計算、行列轉換等處理，可以定時觸發(fā)傳輸將所需數(shù)據(jù)提取至一體化模型平臺共享數(shù)據(jù)庫，并供外部服務接口調(diào)用。這樣整合后的低頻生產(chǎn)數(shù)據(jù)（日、周、月數(shù)據(jù)）輸入一體化模型可對一體化模型進行校準，確保模型的準確性。

1.2.2 PI OLEDB接口技術應用

PI OLEDB接口技術可對氣井和管線進行實時跟蹤分析，應用OLEDB（Object Linking and Embedding Database，縮寫為OLEDB，意為“對象鏈接和嵌入數(shù)據(jù)庫”）接口技術實現(xiàn)秒級生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時抽取，并且提供PIMAX（標準指數(shù)）、ABS（絕對函數(shù)）、ACOS（反余弦函數(shù)）、ASIN（反正弦函數(shù)）、SQRT（平方根函數(shù)）等20種基礎數(shù)據(jù)計算函數(shù)，滿足磨溪區(qū)塊龍王廟組氣藏一體化模型對不同時間維度生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集的業(yè)務需求。在此基礎上PI OLEDB技術將生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理平臺PI數(shù)據(jù)庫中的秒級數(shù)據(jù)點陣抽取成了按時間維度排列的連續(xù)高頻數(shù)據(jù)，按照每20分鐘自動提取一次氣井輸量和壓力數(shù)據(jù)，導入一體化模型運算。這樣實時數(shù)據(jù)與一體化模型計算結果進行對比、分析，達到對現(xiàn)場生產(chǎn)運行的監(jiān)控、診斷、預警的目的。

1.2.3 數(shù)據(jù)庫部署與初始化

模型運行涉及氣藏、井筒、地面全局生產(chǎn)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)交互量大，需要在一體化模型建模軟件與上層應用之間部署一套數(shù)據(jù)庫，以支撐上層應用場景的數(shù)據(jù)需求。一體化模型建模軟件是通過頁面的方式與其他信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進行交互，沒有獨立的存儲空間。一體化模型數(shù)據(jù)共享平臺數(shù)據(jù)庫的建設主要通過數(shù)據(jù)整合和專業(yè)軟件數(shù)據(jù)交互的方法實現(xiàn)。云服務器具有靈活擴容與高容災的特點，可以提高數(shù)據(jù)庫存儲效率和穩(wěn)定性，滿足模型生產(chǎn)動態(tài)實時跟蹤的要求。因此數(shù)據(jù)共享平臺選用了云服務器部署數(shù)據(jù)庫，按照中國石油勘探開發(fā)一體化數(shù)據(jù)模型（EPDM，Exploration and Production Data Model，勘探開發(fā)數(shù)據(jù)模型）標準來初始化數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)不同的業(yè)務應用場景進行本地化擴展。

1.2.4 可視化展示技術

應用一體化模型對不同業(yè)務應用場景進行分析處理時，會產(chǎn)生大量的運算數(shù)據(jù)，并存儲至數(shù)據(jù)庫。技術人員往往希望把數(shù)據(jù)轉換成表格或者圖像的形式，開發(fā)成數(shù)據(jù)可視化展示應用，以達到準確獲取數(shù)據(jù)信息的作用。一體化模型數(shù)據(jù)共享平臺中的圖形服務、數(shù)據(jù)服務結合WebGL（網(wǎng)頁圖形庫）、Java（Java 編程語言）、JavaScript（Java腳本語言）等編程語言，開發(fā)氣井全局優(yōu)化配產(chǎn)、管網(wǎng)跟蹤預警等業(yè)務可視化展示應用，輔助氣藏研究和管理人員及時掌握氣藏動態(tài)變化，進而科學高效的指導生產(chǎn)。圖3為生產(chǎn)運行與監(jiān)控日度可視化展現(xiàn)頁面，主要側重通過氣藏整體生產(chǎn)運行情況與氣井生產(chǎn)動態(tài)的有機結合，將氣藏全局統(tǒng)計分析與單井個體多維度指標展現(xiàn)進行有效映射，以日產(chǎn)水、日產(chǎn)氣、計劃產(chǎn)氣、油壓、水氣比五大指標的多維度、多視角的呈現(xiàn)，達到持續(xù)跟蹤、預警的目的，實現(xiàn)氣藏生產(chǎn)運行狀態(tài)、特征及規(guī)律的精準描述。

圖3 生產(chǎn)運行與監(jiān)控日度可視化界面圖

2 數(shù)據(jù)流引擎技術應用

2.1 模型數(shù)據(jù)自動交互

由于搭建一體化模型所采用的建模軟件沒有數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)交互不是傳統(tǒng)意義上的數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)庫之間交互，而是專業(yè)軟件與數(shù)據(jù)庫之間的交互。于是采用特定的程序命令將業(yè)務上的數(shù)據(jù)與一體化模型的編碼一一對應，實現(xiàn)數(shù)據(jù)映射。這樣一體化模型的全過程實現(xiàn)自動化運算，數(shù)據(jù)快速、連續(xù)地按照一定的編排處理規(guī)則在一體化模型內(nèi)部及外部自由流轉，并將結果輸出至一體化模型數(shù)據(jù)共享平臺數(shù)據(jù)庫，整個過程智能高效，此處特定的程序命令我們稱為數(shù)據(jù)流引擎。數(shù)據(jù)流引擎技術可自動啟動模型、自動連接數(shù)據(jù)庫并輸入所需數(shù)據(jù)、自動啟動模型運算、自動輸出運算結果并保存至數(shù)據(jù)庫、自動關閉模型，實現(xiàn)模型運算全過程自動化。

如圖4所示，數(shù)據(jù)流引擎技術是一體化模型實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動交互的核心，自動運算前需要進行業(yè)務數(shù)據(jù)和模型編碼數(shù)據(jù)的分析，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的映射。實現(xiàn)映射后，外部指令或數(shù)據(jù)能在一體化模型內(nèi)部進行處理和分析，并將數(shù)據(jù)運算結果儲存到一體化模型數(shù)據(jù)共享平臺數(shù)據(jù)庫，供上層應用。

圖4 數(shù)據(jù)自動交互的實現(xiàn)過程圖

2.2 工作流靈活編排

根據(jù)一體化模型業(yè)務分析場景，將數(shù)據(jù)處理流程抽象形成不同的處理單元，利用數(shù)據(jù)流引擎技術可靈活組裝處理單元，編排不同應用場景的工作流，從而滿足業(yè)務分析的需要。如圖5所示，將不同的處理單元預設到軟件界面上，當需要編排某一工作流時，只需拖動和組裝等操作即可完成工作流搭建工作，工作效率大為提高。

圖5 工作流靈活編排過程示意圖

與傳統(tǒng)的線性數(shù)據(jù)流轉方式相比，工作流靈活編排技術可針對不同應用場景中數(shù)據(jù)源多、中間計算模塊多且各模塊依賴性較強、數(shù)據(jù)處理靈活性要求高等特點，將數(shù)據(jù)處理流程的各個環(huán)節(jié)和計算模塊進行抽象，形成處理單元，

并對處理單元進行靈活編排，形成滿足不同業(yè)務場景的劇本（圖6）。劇本具有高度靈活的自定義能力，并支持通過web（網(wǎng)頁）拖拽方式對劇本按照不同場景進行靈活組裝，最終建立一體化模型內(nèi)部以及與外部數(shù)據(jù)通道，實現(xiàn)一體化模型全自動運算及科學成果數(shù)據(jù)共享。

圖6 數(shù)據(jù)流引擎技術下不同應用場景處理單元組合概念圖

工作流的正常運行，需要對關鍵指標進行監(jiān)控和預警。程序編制過程需要結合實際業(yè)務現(xiàn)狀進行定制化開發(fā)。例如，龍王廟組氣藏應用一體化模型對地面集輸系統(tǒng)進行動態(tài)跟蹤、預警時，首先利用數(shù)據(jù)流引擎技術，將實時數(shù)據(jù)推送至一體化模型中驅(qū)動模型運算，并將運算結果存儲至數(shù)據(jù)庫，最后依據(jù)一體化模型運算的結果與實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行差值運算和邏輯判斷，診斷是否超出經(jīng)驗閾值，來達到監(jiān)控和預警的作用。依據(jù)上述預警邏輯設計，編制預警邏輯如下所述。

時間ti為產(chǎn)出真實產(chǎn)水量與產(chǎn)氣量的時間點，分別對應日產(chǎn)水量與日產(chǎn)氣量，于是有時間序數(shù)列T、階段時間產(chǎn)水量Qw以及階段時間產(chǎn)氣量Qg，如下：

設時刻t為開始調(diào)參的時間，t'為調(diào)參完畢的時間，則有：

令F為實際壓力的計算值p'的模型函數(shù)，模型函數(shù)中算法參數(shù)與操作參數(shù)用向量λ表示，參數(shù)向量假設空間為x，則時刻對應初始向量參數(shù)為λt，t'時刻對應初始向量參數(shù)為，于是有：

于是，對于時刻為開始調(diào)參，為調(diào)參結束后的值，公式如下：

式中a%表示業(yè)務經(jīng)驗限值。

3 應用實例

一體化模型數(shù)據(jù)共享平臺實現(xiàn)了一體化模型的數(shù)據(jù)自動交互，及對生產(chǎn)系統(tǒng)的跟蹤與診斷。以磨溪區(qū)塊龍王廟組氣藏的地面集輸管網(wǎng)為例，該管網(wǎng)目前有80余條集輸管線、上百個傳輸節(jié)點，現(xiàn)場人員利用常規(guī)的監(jiān)測方法難以實時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的異常問題，諸如某些管道的積液、污物堵塞等。應用一體化模型數(shù)據(jù)共享平臺技術驅(qū)動一體化模型對氣井的輸壓、油壓、氣水比、輸量、井底流壓等多項生產(chǎn)指標進行實時監(jiān)測就可以解決這個問題，監(jiān)測過程主要分為兩個層次，首先利用DSB技術，并使用低頻生產(chǎn)數(shù)據(jù)（日、周、月數(shù)據(jù)）對一體化模型進行校準，確保模型準確；然后應用PI OLEDB技術將PI數(shù)據(jù)庫中的秒級數(shù)據(jù)點陣抽取成按時間維度排列的連續(xù)高頻數(shù)據(jù)接入一體化模型，每20 min自動提取一次氣井輸量和壓力數(shù)據(jù)，導入一體化模型運算；結合數(shù)據(jù)流引擎技術，將計算的模型數(shù)據(jù)與實際生產(chǎn)值進行對比，超過技術人員設定的預警閾值5%（預測值與實際值的偏離度），便會預警和診斷。

2019年，一體化模型在對地面集輸管網(wǎng)生產(chǎn)跟蹤和診斷中，僅上線運行數(shù)天后就成功發(fā)現(xiàn)了管線存在的問題（表1）。

表1 一體化模型數(shù)據(jù)流引擎技術進行管網(wǎng)診斷結果匯總表

綜合對比分析，這兩口井的報警為管線積液或者堵塞引起實時數(shù)據(jù)異常導致的。對管線進行清管作業(yè)后，實時數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)再次吻合。根據(jù)以上應用實例可以看出，相對于生產(chǎn)現(xiàn)場以往的人工檢測方法，應用一體化模型數(shù)據(jù)共享平臺技術驅(qū)動集輸系統(tǒng)進行跟蹤預警，可以快速及時地發(fā)現(xiàn)地面異常工況，并對異常進行快速定位和預警，縮短檢測周期90%以上。管理人員也能第一時間發(fā)現(xiàn)問題并采取措施，避免了異常工況造成進一步的生產(chǎn)損失，減少了作業(yè)和管理成本，保證集輸管網(wǎng)運行的穩(wěn)定與安全。

4 結論

1）一體化模型數(shù)據(jù)共享平臺采用分層架構設計，實現(xiàn)了有效資源與專業(yè)模型的高效融合，有利于數(shù)字化氣田標準建立，為后期智能化業(yè)務應用的擴展提供了良好平臺開發(fā)環(huán)境。

2）應用模型數(shù)據(jù)編碼及映射的方法，創(chuàng)造性地提出了一體化模型數(shù)據(jù)流引擎技術，實現(xiàn)了自建系統(tǒng)數(shù)據(jù)與一體化模型的全過程自動化交互，取代了研究人員手工收集處理巨量數(shù)據(jù)的過程，解決了人工分析過程存在大量冗余性、機械性、重復性勞動問題，大幅提高了科研工作效率，高效支撐了數(shù)字氣田智能化業(yè)務的應用和推廣。

3）通過應用數(shù)據(jù)共享平臺技術驅(qū)動一體化模型，對磨溪區(qū)塊龍王廟組氣藏地面集輸系統(tǒng)進行實時跟蹤預警的實例表明，相對于以往的人工檢測方法，應用該技術可以及時預警和定位地面異常工況，大幅縮短檢測周期90%以上，減少了生產(chǎn)現(xiàn)場的作業(yè)和管理成本，確保了集輸管網(wǎng)運行的穩(wěn)定與安全。