基于油气生产物联网的“油田智能化管理体系”建设

□ 文/卢怀宝 管尊友

大庆油田是目前世界上为数不多的特大型砂岩油田之一，由萨尔图、杏树岗、喇嘛甸等52个油气田组成，含油面积6000多平方千米；勘探范围包括黑龙江省全境，内蒙古海拉尔，吉林延吉、珲春，新疆塔里木东部等16个盆地，登记探矿权面积19.15万平方千米。油田现有二级单位51个，员工24万人。近年来，大庆油田通过对标先进水平，加强顶层设计，以油气生产物联网建设、云计算数据中心建设、ERP和生产经营辅助决策系统为重点，不断加快信息化建设步伐。

一、实施背景

（一）是实现“当好标杆旗帜，建设百年油田”的客观要求

大庆油田经过半个世纪的长期高效开发，已处于特高含水和特高采出程度开发阶段，在做出巨大贡献的同时，经过长期的高强度开发，油田发展也面临许多现实矛盾与挑战。主要是：后备资源接替不足，储量替换率只有0.5左右，储采平衡系数只有0.6左右；开发难度日益增大，长垣主力油田综合含水94.6%；企业历史包袱沉重，油田规模扩大与用工体制机制不够灵活，稳定压力巨大，还承担着大量企业办社会职能；成本上升较快，收入利润大幅下降，在低油价下处于亏损边缘；油田产量规模递减，对相关业务和地方经济社会发展产生较大影响。同时，围绕油田“建设百年油田”目标，强化顶层设计，以服务勘探开发主营业务和经营管理为主线，着力推进重大信息项目实施，统一共享应用环境，提高基础数据质量，巩固网络设施，强化信息管理和应用，信息化建设取得明显成效。

（二）是油田实施精细化、专业化管理的内在需要

油田要发展，资源是基础，技术是关键，坚持以技术换资源、以管理促效益是油田低成本发展战略的唯一途径。大庆油田虽然采出程度很高，但是地下剩余储量仍然十分可观。2010以来，井网密度由89.6口/平方千米增加到96.6口/平方千米，增加了生产管理操作与流程的复杂性，使得传统的劳动组织结构与分工方式与实施精细化、专业化管理的矛盾日益突出。因此，大力发展和应用以物联网为代表的新兴信息技术是实施精细化、专业化管理的内在需要。

（三）是油田数字化—智能化—智慧化发展的必然趋势

中国石油为加快业务领域信息化建设，全面提升企业整体管理水平，结合公司的发展和信息系统建设情况，编制了《中国石油“十二五”信息技术总体规划》。大庆油田按照公司信息化“数字油田—智能油田—智慧油田”三步走的战略部署，“十三五”期间，将建成油田公司生产指挥和共享服务中心，建成两个采油厂油气生产物联网系统，实现油田油气生产数字化覆盖率达到50%，完成信息化与油气工业的初步融合，基本建成“数字油田”，完成油气生产管理数字化建设，实现油田主营业务转型升级，2021— 2030年，全面推广油气生产物联网系统，实现大庆油田油气生产数字化全覆盖，完成全油田主营业务转型升级，向“智能油田”迈进。

大庆油田基于“油气生产物联网”的智能化管理体系基本构架

二、基本内涵

大庆油田积极抓住“油气生产物联网”系统建设这一有利契机，积极推动生产组织机构调整，优化生产管理流程，开展油田精细化管理，实施“油田智能化管理体系”建设，为破解油田勘探开发生产难题贡献信息智慧和力量。主要内涵是：围绕一个中心，打造三项基础建设，提供两项技术支持和一项管理保障。

一个中心是以中国石油统建油气生产物联网系统（A11）为契机，建设油田公司数据中心，实现所有油气生产物联网系统生产数据的顶层管理与数据共享，同时，由公司统一管理实现统一的生产管理平台、统一的网络架构设计和统一的方案设计实施。

三项基础建设包括：1. 以中国石油油气生产物联网系统为契机，重点开展了东北老油田油气生产物联网系统模式建设，并以此为基础建立了大庆油田数字化建设统一架构和标准；推进场站集中监控、无人值守，实现了专业化管理模式，生产劳动组织进一步优化，用工大幅精简，形成东部老油田油气生产管理数字化模式；2. 在庆新油田全面建成第一个整装数字化油田，并开展了智能化探索；3. 在头台油田开展了低成本数字化现场试验和示范区建设，为下一步全面推广做好了技术储备和保障。

两项技术支持包括：1. 建成了自动化仪器仪表产业基地；2. 建立了软件平台和网络建设等信息技术服务队伍。

一项管理保障是颁布实施了数字化建设管理办法和运行维护管理规定，从制度上保证了油气生产物联网系统建设的高效开展和智能管理提升的顺利推进。

三、具体做法

大庆油田以“高水平、高效益、高效率”为目标，遵循“低投资、低成本、低劳动强度”的要求，积极推进油气生产物联网项目示范工程建设与应用和数字化改造，着力探索低成本物联网建设和数字化技术与模式，形成了东部老油田油气生产物联网建设和数字化改造模式系列，开展了智能化管理体系建设，为推动油田主营业务提质增效发挥了作用。主要做法包括：

示范区组织机构优化调整示意图

（一）加大力度，深入开展三项物联网系统基础建设

第一，探索东部老油田油气生产物联网模式，推进组织机构和生产方式变革。A11项目全称油气生产物联网系统，是《中国石油“十二五”信息技术总体规划》中确定的重要项目之一，大庆油田是中国石油首批试点建设单位之一。大庆油田试点实施投资超过1.5亿元，实施内容包括采油二厂第三作业区以手持终端方式实现1739口油水井数据采集，采油三厂第二油矿实现859口油水井全自动数据采集，两个作业区共计143座计量间、17座转油站、4座注入站、1座污水站和8座联合站的数字化改造，并相应建设配套数据传输网络，建设厂矿两级生产指挥中心，建成生产管理平台。截至2016年12月，大庆油田全面完成了作业区井间站场3474个采集设备、共计43048个采集点的数字化改造任务，建立了井间站场实时生产数据的数字化采集与传输系统，建设了生产管理平台，全面建成采油厂和矿/作业区生产调度和管理系统，建立了全新的油气生产数字化管理方式。通过项目建设，研究并开发了统一的数字化实施思路和策略、技术和实现架构、软件量油和工况分析方法、A11与A2、A5系统数据交互和共享机制、基于PaaS的云平台、站场边界网络安全防护技术，以及油田油气生产数字化管理机制，形成了统一标准的东部老油田油气生产数字化管理和劳动组织用工示范模式，探索实现了统一架构、统一标准的东部老油田数字化改造的模式和模板，技术达到国际先进水平。同时，油田以油气生产物联网系统建设为基础，在试点单位组织开展了劳动组织机构优化改造，创新劳动组织模式，建立以作业区为主体的专业化管理架构，按照“专业整合、区块优化、人机组合、现代高效”的原则，将采油队、联合站、地质队及后勤保障队进行重新整合，重新定岗、定员、定责，由原来的采油矿综合管理模式改变为作业区专业化管理模式。

第二，全面建成整装数字化庆新油田，开展智能化探索。庆新公司自2010年以来，通过三期工程建设，实现了整装油田数字化。按照“整体规划、先易后难、分步实施、逐步完善”的原则稳步推进，形成了“让数据工作、听数据说话、用数据指挥”的管理新模式。当前，庆新油田实现了所有井、间、站数据自动采集、故障智能分析、生产参数远程调控，生产站场“有人巡检、无人值守”，形成了一个整体的外围油田数字化管理模式，实现了专业化管理。油田数字化使庆新公司的各项管理提质增效，实现了由传统管理模式向智能化、精细化、定量化管理的飞跃。2014年以来，在数字化油田全面建成的基础上，开展了数字化油田深入应用的工作，初步实现了将数字化油田向智能化油田的转变。2016年开始，庆新油田开展了智能化提升探索，初步建成了全面感知、预测预警、数据驱动、智能操控的智能油田。

庆新油田智能管理体系总体架构图

1. 井、间、站场全面实现数字化。数据自动化采集，生产单元实时监控、生产场所无人值守、生产数据辅助分析、电子巡井等功能，降低了现场工作强度、提高了工作效率，具体工作实现以下几项：①数据传输实时化：井数据每隔20分钟传输一次、站数据实时传送。②控制调节远程化：注配间水量、集油间掺水量远程自动精准调控。③电量计量单井化：单井电量准确计量、电量月度考核。④电子监控无人化：井间站均实现集中监控、定期巡检、无人值守。⑤告警分析自动化：通过告警软件将进行事情发展中的故障报警。⑥产量计量自动化：研发功图量油软件，实现产量自动计量。

2. 智能提升探索，基本建成了油藏—井筒—地面—生产智能一体化运行模式。2016—2017年，庆新油田开展了功图量油、含水智能分析和分层注水智能控制等智能化升级应用，井间站全面完成数据自动采集控制，实现了现场采集自动化、生产运行高效化、油田开发精准化、措施管理精细化。管理方式由传统管理模式向现代化管理模式升级，数字油田向智能油田升级。油藏、井筒、地面智能一体化的开发模式初步显现。

第三，率先开展的低成本物联网新技术研究和试验取得重大进展。针对大庆油田井间站数量多规模大、数字化程度低，以及外围油田单井产量低，井站间较分散，经济效益低的特点，油田公司统一组织开展了基于低成本、架构简单、方便实用的油田生产物联网建设新技术和新模式探索—低功耗广域网（LPWAN）的无线技术（LoRa）试验，经过半年多调试和测试，验证了设备和网络传输设备在冬季长期工作的稳定性和可靠性，降低了传统模式的RTU、电控箱等设备、施工和运维的工程量和投资，油井投资1万元以内。2017年5月—7月，扩大实验规模，开展了基于LORA低成本物联网示范建设，建立规模化建设技术和实现模式，以及积累相关经验。同时，公司统一组织开展了基于LoRa传输技术的的低成本物联网技术研究与应用，针对井场低功耗自动传输仪器仪表的研发与规模应用等方面开展技术攻关。从A11生产管理平台与LoRa、NB-IOT等低功耗传输技术的融合、利用低功耗传输网络技术改造Mcwill传输模式、井场低功耗自动传输仪器仪表的研发与规模应用等方面开展技术攻关，形成油田自主的技术和产业，探索油田油气生产物联网建设降本增效的有效方法和途径，在头台油田开展现场试验，为油田低成本物联网系统建设大面积应用提供基础。

（二）结合技术服务，实施产业化战略，做好两项技术支持

首先，深入贯彻油田公司关于“以油气生产物联网系统建设为契机，发展数字仪表产业化生产制造业务”的要求，以庆仪公司为基础，开展了数字仪表产业基地建设。实现从侧重组装生产、整机检验，到板级生产、板级检验的全面转型。目前，产业基地已经具备自主生产能力。2016年建设完成的大庆油田数字化仪表生产基地，拥有世界先进水平的SMT、DIP、涂覆等板级生产线和电力综合自动化、高低压电器设备、锅炉燃烧器等，共8条生产线以及3D打印机、环境测试设备、电磁兼容试验设备。目前已形成18个系列上百个品种，涵盖油田数字化建设所需全部品种。尤其结合A11和油田低成本物联网示范工程的建设，积极推进新产品研究、技术改造、产品升级，研制了基于LoRa和4G传输协议的新型低成本物联网数字化仪表产品，并基于NB-IOT开展了攻关，做好了技术储备，标志着油田密切跟踪数字化新技术，自主的物联网和数字化产业已经形成。

其次，为确保数字化质量，油田公司统一组织成立了物联网和软件平台技术支持队伍—信息技术公司物联网技术分公司，主要负责提供物联网及油田数字化相关项目的软件开发、系统维护、项目建设等技术服务。主要负责物联网、油田数字化及各类应用系统的平台软件开发、维护；各应用系统架构的分析、设计、搭建及运行维护；物联网业务、油田数字化业务的技术交流、方案制定、业务推广、售后服务、技术支持等。

（三）出台数字化管理规定，制定运维管理办法，为油田数字化建设提供持续保障

数字化运维能力是决定系统应用效果和应用提升的关键因素，大庆油田通过数字化产业基地建设和技术支持队伍建设，加大对现场应用人员的技术培训，有效的保障了数字化建设和运行维护工作的持续高效开展，同时，积极与中国石油北京总部取得联系，争取到总部的技术支持，为油田数字化提供了持续的技术保障。

1. 数字化建设与管理工作向规范化、标准化推进。为了保证今后项目的高效开展、有序推进，大庆油田严格执行集团公司统一架构和技术规范，同时结合油田业务实际，编制完成了《大庆油田油气生产数字化建设管理办法》，建立了地面工程项目方案信息化审查制度。

2. 建立运维制度保障体系。针对A11项目的特点，调研借鉴其他油田数字化建设维护经验，组织人员讨论研究，制定符合大庆油田现场实际的维护方案，确保项目建设和后期运维平稳过渡、无缝衔接。编制完成《大庆油田油气生产物联网（A11）运行维护管理办法》。同时，通过专业化服务和属地化管理有机结合，建立油田公司和采油厂两级运维服务机制，形成大庆油田统一的数字化专业运维队伍，提高自主维修保养能力。

3. 总部技术支持为油田数字化系统平稳运行和管理提升提供了持续的技术保障。通过与中国石油北京总部项目组沟通，使之加大了对大庆油田现场的技术支持力度，并与现场技术人员共同研发了油田开发生产决策管理和故障预警信息管理平台，实现A2、A4、A5、A11等信息工程的整合升级，为油田开发生产决策提供依据。

四、实施效果

（一）基于示范区建设，优化组织，提升了管理水平，大幅精简劳动用工

东部老油田油气生产物联网模式的建立，为优化油气生产工艺和管理方式以及劳动组织机构，提供了现实的技术基础，示范区实现了生产方式的变革、生产效率的提高和管理水平的提升，解决了油田油气生产面临的劳动用工难题。在示范区，按照“专业整合、区块优化、人机组合和现代高效”的原则，重新优化整合第二油矿劳动组织结构，实现作业区专业化、数字化管理。全矿由原来的1020人，调整为908人。

通过岗位优化调整与实际数字化建设相结合，实现作业区专业化管理，把传统的“定岗值守、按时巡检”转变为“集中监测、按需巡检”的新型生产管理模式。油气生产物联网的建设，使得组织结构优化、业务流程优化、生产方式变革，精简合并部分基层班组，减少一线用工总量，由此带来了减人增效，减岗增效、换岗增效。通过实施作业工区专业化管理，2016年年底，采油三厂第二油矿基层队数量由原来的12个小队整合为9个工区，全矿总人数从1023人减少到857人，总计减少用工人数166人。采油二厂第三作业区依托物联网系统建设共减少员工42人，两个示范区年节约人工成本2080万元。

示范区组织机构调整前后用人数量对比图示

同时，示范区通过生产过程实时监控、工况分析等功能，及时掌握现场生产情况，延长洗井周期，减少热洗影响产量；油水井运转效率提升0.2%，提高产量2044吨/年；提高泵况发现及时率，减少泵况影响产量2200吨/年；减少原油偷盗320吨/年，两年来累计增加产量23528吨，按照2016年油田公司吨油边际效益为2039.91元/吨计算，两个示范区共产生经济效益5900万元。

同时，数字化示范区建设使得管理效益显著提升，具体体现在：1. 数据自动采集，提高油水井生产管理水平和效率。2. 数字化与生产过程自动监控相结合，为安全生产提供保障。通过视频监控系统，规范员工操作行为，降低安全风险，保证员工人身安全。3. 通过大中型站库远程监测，实现生产过程的科学管理。有效提升站场数字化程度，通过生产数据传输与集中存储，依托采集与监控平台及生产管理平台，实现对生产现场全程监测，促进了生产过程科学管理，改善了工作环境，提高了员工幸福指数。

（二）基于数字油田建设，探索智能升级，助力庆新油田生产管理的全面提档升级

庆新油田在数字化建设应用基础上开展了数字油田智能化拓展，公司生产管理水平显著提升，走上了“安全、绿色、和谐、高效”发展之路，通过智能化提升探索，初步建成了全面感知、预测预警、数据驱动、智能操控的智能油田。

1. 全面感知、预测预警。开发预警感知系统，通过阈值告警功能，将问题处理在“萌芽”阶段，利用“经验库”达到智能问题原因分析及方案推送，将专家的经验转化为数据库信息，系统根据出现的问题自动匹配最佳处理方案，油水井管理实现了“一键巡检”。同时，研发了智能发布系统，利用连续采集的数据流，实时监控系统运行状况。以“稳产、降本、增效”为目标，分层确立整体与各节点的挖潜方向。建立关键技术监控指标，以指标预警监控为手段、以分析优化为突破，分类施策，动态跟踪，形成智能化闭环管理，实现了油气开发生产的实时预警与优化。每天由数字化指挥中心对问题汇总发布，相关单位及时反馈处理情况，生产管理过程的控制由原来的事后处理转变为“事前预测，事中监控”，生产管控及有效决策能力大幅提升。2. 数据驱动、智能预警精细管控。庆新油田数字化的应用，通过预警感知系统和发布系统的建立，缩短了各类设备故障判断时间，做到了“信息共享、决策有效、反应快捷、过程管控”，生产管理过程的控制由原来的事后处理转变为事前预测，事中监控，生产管控及有效决策能力大幅提升。通过生产数据智能分析系统的应用，建立生产数据管控公众平台，保障了各类问题的及时处理、督促和反馈，提高生产运行效率。2016年油井生产时率和利用率分别较之前提高了2.4和0.9个百分点。数字化的恒流注水远程管控功能，提高了注水效率，分层注水合格率提高了8个百分点，对油田开发效果的影响意义深远。数字油田建成以来，产生直接可见的经济效益达亿元以上。3. 打破传统，智能提升，效益效果显著。庆新油田通过数字化改造与智能化提升，打破了油田传统的区域管理、逐级上报的管理模式，建立了指挥中心集中管控一体化管理模式，实现了专业化、扁平化管理。吨油操作成本控制在大庆外围油田最低；生产时率提升2%以上，检泵周期超过1000天。管理细化到单井、单环及单台设备，实行“一井一措施”，吨液能耗显著降低，2013年以来年均节电400万千瓦时，节气200万立方米，并被确定为集团公司能源管控示范点。

（三）低成本建设“新方案”，为“老油田”提供了生产管理新选择

大庆油田通过低成本物联网系统建设技术研究与实践，形成了油气生产物联网系统低成本建设方案，掌握相关技术，并具备自主知识产权，具备规模生产能力，组建了建设团队，培养了人才队伍。同时，通过该技术的研究和试用，在头台油田促进了物联网系统的“高水平低成本”开展，达到了提升工作效率和质量、提升安全监控水平、提升生产时率的效果。能够实现油气水井重点关注的远程开关井、示功图采集、电机参数采集、采油树温度压力参数采集等实用功能和小型站间的参数采集和简单控制，综合建设成本大幅度降低。

大庆油田低成本物联系统建设新技术在科研和试验取得双丰收。主要成效包括：

1. 降成本：节约了RTU和控制柜的成本、节约了大部分井场施工成本、极大降低了通讯链路建设成本和使用成本，将单井综合建设成本由3万元直接降至1万以下。2. 简易运维：井口使用无线仪表，参数直接传输至云端，物联网管理平台对仪表设备进行在线管理，现场问题基本上不需要专业人员排查，油田巡井工就能进行维护。3. 无名岛实现无人值守：通过数字化建设，在无名岛实现了井站间资料自动采集、注水量自动调控、现场故障自动报警等功能，降低了劳动强度，提高了生产时效。目前正在进行无名岛303队组织机构整合，下一步无名岛将实现无人值守、定期巡检。4. 实现精准控制：无名岛注水井平均单井配注15立方米/吨左右，日常注水量人工调控难度较大。应用数字化实现自动调控后，资料全准率由原来的95.2%提升到99.1%，注水合格率达由原来的91.5%提升到目前的94.6%。5. 提高生产时效：井站间通过自动录取传输电参、示功图、油套压等数据，能够实现生产动态时时监控。与以往对比，井站间地面故障发现更加及时，抽油机井井下故障发现时间可以缩短到2天以内。6. 降低安全风险：无名岛实现无人值守、定期巡检后，油水井、阀组间日常巡检频次可以降为5天一次，降低了乘船安全风险。

同时，通过该技术的研究和试用，在头台油田促进了物联网系统的“高水平低成本”开展，达到了提升工作效率和质量、提升安全监控水平、提升生产时率的效果。能够实现油气水井重点关注的远程开关井、示功图采集、电机参数采集、采油树温度压力参数采集等实用功能和小型站间的参数采集和简单控制，综合建设成本大幅度降低。使得大庆油田数字化建设单井投资从3.7万元降至1万元以内，以全油田8万口油井计算，可节约建设投资达20亿元。