王鵬

(石化盈科信息技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 100020)

數(shù)字孿生技術(shù)自1969年形成概念并在美國NASA阿波羅計劃中得到應(yīng)用以來歷時50余年，陸續(xù)被美國空軍研究實驗室、通用電氣、達(dá)索和西門子等公司接受并推廣應(yīng)用[1]。直到2020年，中國工信部電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院牽頭編寫了《數(shù)字孿生應(yīng)用白皮書》，在發(fā)改委、住建部、國資委和工信部的大力支持下得以在智慧城市、智慧樓宇、工業(yè)生產(chǎn)等方面應(yīng)用。數(shù)字孿生基于模型和實時數(shù)據(jù)，構(gòu)建對物理對象或工藝裝置性能進(jìn)行持續(xù)更新的數(shù)字化配置文件，進(jìn)而用于優(yōu)化業(yè)務(wù)績效。數(shù)字孿生可確保工廠在建模時嚴(yán)格使用了工藝模型，并通過嵌入了成本與風(fēng)險模型的AI技術(shù)得以增強效果[2]。

“十三五”期間，中國石化集團按照“中國制造2025”和“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃加快推進(jìn)兩化融合，在工信部的大力支持和推動下，陸續(xù)建成了具有示范意義的智能油氣田企業(yè)。以某氣田為例，截至2020年底，天然氣產(chǎn)量1.583×109m3/a，共有氣井490余口，集氣站17余座，處理廠17 座，氣井?dāng)?shù)字化無人值守率100%，新建站場無人值守率100%，老舊站場無人值守改造率近 95%，13座集氣站實現(xiàn)無人值守，形成了適合該氣田信息化建設(shè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。實踐成果鑒定了圍繞生產(chǎn)一體化管控建設(shè)應(yīng)用生態(tài)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型思路，實現(xiàn)“廠直管班組”的新型勞動組織模式，推動企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，探索兩化深度融合，提高了勞動效率和生產(chǎn)時率，確保氣田安全生產(chǎn)保障能力，對氣田智能化建設(shè)具有一定的借鑒和參考意義。其中，ProMACE[3]油氣田生產(chǎn)一體化管控軟件發(fā)揮了舉足輕重的作用，它利用數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)油氣田井、站的數(shù)字化與通信、網(wǎng)絡(luò)的可視化感知，將油氣田全部井場、集氣站、處理站的無人值守及集中管控變成現(xiàn)實，實時掌控現(xiàn)場維護作業(yè)人員和應(yīng)急指揮資源，支撐遠(yuǎn)程操作和監(jiān)控決策中心。

以下重點介紹ProMACE油氣田生產(chǎn)一體化管控軟件，并闡述在該氣田的應(yīng)用實踐與成效。

1 油氣田企業(yè)數(shù)字化管理目標(biāo)

智能化油氣田建設(shè)的重要目標(biāo)之一是物聯(lián)網(wǎng)[4-11]，實現(xiàn)信息物理系統(tǒng)CPS(cyber-physical systems)，即工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)體系。該氣田開展智能化建設(shè)是在數(shù)字油田的基礎(chǔ)上，圍繞上游的油藏、井、管網(wǎng)、設(shè)備設(shè)施等核心資產(chǎn)，借助信息技術(shù)提升整個管理水平，實現(xiàn)整個管理的自動化、遠(yuǎn)程化、流程化、智能化。全面輔助資產(chǎn)管理和效益優(yōu)化，建立全面感知、集成協(xié)同、預(yù)警預(yù)測、分析優(yōu)化四項能力，助力高效勘探、效益開發(fā)，達(dá)到資產(chǎn)價值最大化。

2 ProMACE油氣田生產(chǎn)一體化管控軟件的研發(fā)

2.1 云平臺

基于先進(jìn)云生態(tài)系統(tǒng)的流程制造平臺ProMACE (process manufacturing advanced cloud ecosystem)，通過建設(shè)基本組件構(gòu)建該氣田云平臺，對各類業(yè)務(wù)應(yīng)用進(jìn)行有效的支撐。該平臺可實現(xiàn)異構(gòu)資源的整合調(diào)度；面向服務(wù)組件打造統(tǒng)一的能力開放中心，對上層的服務(wù)、模塊、接口、應(yīng)用實現(xiàn)能力封裝，并向下連接基礎(chǔ)層的存儲、網(wǎng)絡(luò)與計算資源，起到承上啟下的支持作用；在充分借鑒該公司已有云技術(shù)和應(yīng)用的前提下[12-15]，建設(shè)云平臺提供各類技術(shù)服務(wù)域： 應(yīng)用接入域、統(tǒng)一交付域、統(tǒng)一運營域、技術(shù)服務(wù)域、業(yè)務(wù)服務(wù)域和數(shù)據(jù)服務(wù)域。

各個服務(wù)域都是一組功能組件的集成。技術(shù)服務(wù)域、統(tǒng)一交付域、統(tǒng)一運營域為整個平臺提供技術(shù)支撐能力，對外提供平臺的軟件開發(fā)能力、運維能力、基礎(chǔ)技術(shù)能力等；業(yè)務(wù)服務(wù)域和數(shù)據(jù)服務(wù)域是平臺的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)核心能力中心，對外提供業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)共享服務(wù)能力，并對該氣田平臺上未來所有應(yīng)用發(fā)揮支撐作用；應(yīng)用接入域是整個氣田生態(tài)圈建設(shè)的核心，通過API引擎和APP商店實現(xiàn)對整個生態(tài)圈體系的支持。通過建設(shè)信息云平臺中各類技術(shù)服務(wù)域等的核心能力，實現(xiàn)該氣田云平臺開放及可擴展的基礎(chǔ)服務(wù)能力，為未來實現(xiàn)氣田云生態(tài)圈奠定堅實基礎(chǔ)。ProMACE油氣田生產(chǎn)一體化管控軟件總體功能架構(gòu)如圖1所示。

圖1 ProMACE油氣田生產(chǎn)一體化管控軟件總體功能架構(gòu)示意

2.2 基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的研發(fā)與服務(wù)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺包括網(wǎng)絡(luò)、平臺、安全三部分。平臺是工業(yè)全要素鏈接的樞紐，也是工業(yè)資源配置的核心，平臺下連設(shè)備、上連應(yīng)用，通過海量數(shù)據(jù)匯聚、建模分析與應(yīng)用開發(fā)，推動制造工藝和工業(yè)生產(chǎn)流程的標(biāo)準(zhǔn)化、軟件化、模塊化與服務(wù)化，支撐工業(yè)生產(chǎn)方式、商業(yè)模式創(chuàng)新和資源高效配置，是構(gòu)建制造業(yè)新生態(tài)體系的核心。

國際上領(lǐng)先的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺有美國GE的Predix平臺、德國西門子的MindSphere平臺和國內(nèi)的石化盈科ProMACE平臺、航天云網(wǎng)INDICS平臺等。GE和西門子基于自有設(shè)備開發(fā)了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，實現(xiàn)設(shè)備連接、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、設(shè)備健康及可靠性管理，從服務(wù)于自身向服務(wù)于行業(yè)滲透；航天云網(wǎng)依托于中國航天科工集團，打造平臺的資源配置優(yōu)化能力，服務(wù)于裝備、模具、家具、電子、汽車等制造行業(yè)和領(lǐng)域；石化盈科專注于能源化工行業(yè)，打造以物理信息系統(tǒng)為核心的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺ProMACE，提供設(shè)備接入、邊緣計算、實時優(yōu)化、工業(yè)AI等工業(yè)引擎和工業(yè)服務(wù)。ProMACE平臺體系架構(gòu)如圖2所示。

圖2 ProMACE平臺體系架構(gòu)示意

從工業(yè)SaaS，PaaS，云架構(gòu)部署方式以及案例等方面對比可見，石化工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺ProMACE的特點和優(yōu)勢在于以下幾個方面： 面向流程工業(yè)深耕細(xì)作，有行業(yè)領(lǐng)域知識的沉淀和積累；提供的工業(yè)PaaS服務(wù)能力和工業(yè)SaaS能力針對性強，覆蓋能源化工全產(chǎn)業(yè)鏈；云架構(gòu)部署方式靈活，適合于中國國情，容易“落地”；承擔(dān)國家標(biāo)準(zhǔn)編制，引領(lǐng)和規(guī)范智能工廠和平臺健康發(fā)展；在理論、技術(shù)和實踐方面的成功經(jīng)驗均很豐富。

2.3 油氣田生產(chǎn)一體化管控軟件功能設(shè)計

油氣田生產(chǎn)一體化管控軟件業(yè)務(wù)應(yīng)用主要分為4個模塊，共計20余個功能，智能化應(yīng)用功能架構(gòu)如圖3所示。

圖3 智能化應(yīng)用功能架構(gòu)示意

2.3.1 一體化生產(chǎn)管控

基于實時數(shù)據(jù)庫，圍繞采氣生產(chǎn)從生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)運行、生產(chǎn)分析、生產(chǎn)研究等業(yè)務(wù)流程，開發(fā)數(shù)字化、流程化的應(yīng)用功能。在生產(chǎn)基層崗位全面應(yīng)用，進(jìn)而實現(xiàn)生產(chǎn)動態(tài)的全面掌握，以及生產(chǎn)運行的協(xié)同管理。

2.3.2 氣田裝置智能監(jiān)測

基于氣田生產(chǎn)裝置的動設(shè)備運行的動態(tài)數(shù)據(jù)，建立設(shè)備模型，開發(fā)部署全方位監(jiān)視設(shè)備實時/歷史運行狀態(tài)，統(tǒng)計分析啟停記錄、參數(shù)越限記錄，再現(xiàn)異常時間段的生產(chǎn)過程及相關(guān)參數(shù)越限趨勢等功能。

氣田裝置智能檢測功能主要包含： 實時監(jiān)視，生產(chǎn)報表，報警統(tǒng)計與分析(實時報警、報警明細(xì)、報警統(tǒng)計、越限統(tǒng)計、報警原因維護)，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視、啟停查詢、啟停統(tǒng)計)，測點管理(測點查詢、歷史查詢、條件查詢、測點收藏)，趨勢分析。

通過實時數(shù)據(jù)和安防監(jiān)控數(shù)據(jù)的自動采集，可滿足氣田生產(chǎn)運行動態(tài)與安環(huán)風(fēng)險的遠(yuǎn)程管控的需要，大幅減少基層人員去井場的頻次，每年可節(jié)約人工成本約235萬元人民幣、直接成本(車輛使用費、燃料費、資料整理費等)近100萬元人民幣。

2.3.3 HSSE管控

健康、安全、安保和環(huán)境(HSSE)管控功能包括HSSE體系、風(fēng)險分級動態(tài)管控、生產(chǎn)運行過程管控、承包商施工過程安全管控、環(huán)境敏感因素識別與分析等模塊，實現(xiàn)以風(fēng)險分級、環(huán)境敏感因素分析為核心的安全環(huán)保管理體系。

2.3.4 安防綜合管理

基于安防網(wǎng)絡(luò)，集成現(xiàn)場視頻、周界防御、語音、門禁等安防子系統(tǒng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、聯(lián)動處理和綜合監(jiān)視管理。建立以“生產(chǎn)風(fēng)險”為核心，識別企業(yè)生產(chǎn)過程風(fēng)險、管理風(fēng)險，建立企業(yè)安全管理標(biāo)準(zhǔn)，排查與治理隱患，消除作業(yè)和生產(chǎn)風(fēng)險，提升本質(zhì)安全。

HSSE管控和安防綜合管理的信息化，為打造安全、環(huán)保的油氣田提供了支撐。

3 應(yīng)用效果

3.1 氣田經(jīng)營經(jīng)濟效益顯著提升

通過生產(chǎn)信息化建設(shè)，減少了基層人員大量的人工統(tǒng)計工作，優(yōu)化了業(yè)務(wù)流程。通過生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)，信息平臺實現(xiàn)了對現(xiàn)場的實時監(jiān)控，目前已累積實現(xiàn)13個集氣站的無人值守，節(jié)約用工50余人，為公司節(jié)約人力成本約人民幣828萬元/年，減少關(guān)于生活配套設(shè)施類直接投資資金人民幣550萬元。另外，在效益分析的基礎(chǔ)上，完善公司核算體系，實現(xiàn)“單元成本核算、單井成本評估”，建立有效的成本控制體系，從而達(dá)到增效的目的。

3.2 信息化引領(lǐng)生產(chǎn)組織模式管理的變革

生產(chǎn)過程信息化建設(shè)實現(xiàn)了對井站生產(chǎn)運行各流程節(jié)點的實時監(jiān)控，以及單井工況、集氣站工藝等關(guān)鍵參數(shù)的實時監(jiān)測、趨勢分析、預(yù)警報警，支持氣田井場、集氣站的無人值守及集中管控的管理模式。技術(shù)的進(jìn)步打破了傳統(tǒng)的管理區(qū)理念，實行“中心控制室-巡檢班”運行的內(nèi)操、外操生產(chǎn)組織模式，單井由人工巡井變?yōu)樵诰€檢測，站內(nèi)巡檢由每小時一次改為每天一次，大幅提高勞動生產(chǎn)效率，提質(zhì)降本。

3.3 降低了勞動強度并提高了勞動效率

通過SCADA，DCS，PLC等自動化系統(tǒng)的部署，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置，省時省力；智能間開系統(tǒng)和遠(yuǎn)程自動加藥系統(tǒng)，自動控制生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)時率；智能氣田項目利用實時數(shù)據(jù)庫，自動采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)及生成報表，把管理區(qū)技術(shù)人員花費2～3 h收集、分析、整理生產(chǎn)數(shù)據(jù)的時間減少到1 h之內(nèi)，而且快速、準(zhǔn)確。石油工程管控系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)督生產(chǎn)現(xiàn)場，避免舟車勞頓且效率倍增。通過安裝HART協(xié)議卡，實現(xiàn)對儀器儀表及設(shè)備自身狀態(tài)的感知，使定期檢查維護設(shè)備變?yōu)閷崟r在線檢測，預(yù)防性維護減少的維護成本十分可觀。

3.4 深挖數(shù)據(jù)，助力主營業(yè)務(wù)

電泵單井監(jiān)控系統(tǒng)綜合電泵井生產(chǎn)特點實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時數(shù)據(jù)采集、傳輸、管理，支持自動監(jiān)測、實時分析、實時調(diào)控和決策等業(yè)務(wù)。通過數(shù)據(jù)分析，構(gòu)建工況診斷模型，探索地下、井筒、地面一體化，穩(wěn)產(chǎn)增效，實現(xiàn)井筒地面一體化；智能化生產(chǎn)管控以油壓、套壓、流量、溫度為基礎(chǔ)參數(shù)，綜合井生產(chǎn)數(shù)據(jù)、井斜、氣藏物性以及管線運行等數(shù)據(jù)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬，構(gòu)建生產(chǎn)狀況智能分析模型，實現(xiàn)井筒積液、水淹等多種異常工況診斷，并自動調(diào)節(jié)針閥實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。

3.5 信息化助力本質(zhì)安全

智能氣田安防系統(tǒng)模塊與HSSE管理相結(jié)合，用開放式架構(gòu)和先進(jìn)的系統(tǒng)集成技術(shù)，集成了視頻監(jiān)控、周界防護、語音對講、智能門禁、煙霧火氣報警等子系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、聯(lián)動處理和綜合監(jiān)視管理，實現(xiàn)安防系統(tǒng)內(nèi)各系統(tǒng)之間的信息交換及聯(lián)動控制，確保井、站場生產(chǎn)過程的安全可控。

4 結(jié)束語

信息工程是企業(yè)發(fā)展的卓越之翼，掌握油氣行業(yè)信息化發(fā)展的最新趨勢，將信息化作為企業(yè)可持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展的核心動能，持續(xù)提升油氣生產(chǎn)精細(xì)化管控能力，打造一流智慧油氣田，是油氣田生產(chǎn)企業(yè)的重要建設(shè)內(nèi)容?；赑roMACE的油氣田生產(chǎn)一體化管控軟件的成功應(yīng)用是油氣田信息化建設(shè)的開端，仍需在以下三方面繼續(xù)開展研究和應(yīng)用：

1)實現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研全業(yè)務(wù)鏈管理，提升信息化覆蓋范圍和管控能力。在提升原有業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，規(guī)劃建設(shè)決策分析、協(xié)同研究、工程項目管理等信息系統(tǒng)，提升信息化覆蓋范圍和管控能力，提高公司整體管理水平。

2)建設(shè)企業(yè)級集成應(yīng)用平臺，提高數(shù)據(jù)共享和業(yè)務(wù)協(xié)同能力。開展企業(yè)級信息化架構(gòu)設(shè)計，建設(shè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心和技術(shù)平臺，從根本上消除信息孤島和管理壁壘，實現(xiàn)信息系統(tǒng)“標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，數(shù)據(jù)唯一，業(yè)務(wù)協(xié)同，數(shù)據(jù)共享”，提高系統(tǒng)應(yīng)用水平。

3)加強信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，提升自動化采集、預(yù)警和監(jiān)控能力。加強單井、場站、管線等生產(chǎn)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)及采集、監(jiān)控設(shè)備的配備，滿足數(shù)據(jù)自動采集、問題預(yù)警和遠(yuǎn)程監(jiān)控需要，提高氣田生產(chǎn)自動化水平。