石油工程数字化发展现状与策略分析

闫 娜

（中国石化石油工程技术研究院）

以数字技术为基础的云计算、大数据、人工智能、物联网、区块链及3D打印等新兴技术，在发展到一定阶段后，逐渐向各行业下沉，演变成全社会的平台性产业，推动各行业向数字化、智能化转型。石油工程也不例外，特别是在2014年油价下跌以来，数字化技术已成为石油工程领域降本增效、提高生存能力和盈利能力的现实选择[1]。数字技术给石油工程行业发展注入了新动能，为打造新业态激发了新活力，同时也给经营管理带来了新挑战。本文介绍了石油企业数字化发展最新实践，提出中国石油工程企业打造数字化时代运营优势的策略建议。

1 石油工程领域数字技术应用现状与挑战

1.1 石油工程是数字技术应用的领先者，但数字化发展不够成熟

石油行业曾经是数字技术应用的领先者，石油工程行业涉及物探、钻井、测井、固井、测试、压裂、生产等多个环节和专业，各个专业及作业环节相互连接，整体协同性强，数据是各专业和环节交流对话的基础，油气勘探开发就是在各专业数据之间互相印证、互相支撑中实现了价值递增。管理咨询公司埃森哲2017年发布的《数字化转型倡议：油气行业白皮书》指出，“早在20世纪80—90年代，数字技术就开始在油田得到应用，90年代以后，数字化油田技术更是几乎席卷了整个油气行业，只是绩效提升非常有限”。埃森哲分析师多次强调，“在数字化方面，油气行业非常不成熟”。中国海洋石油集团有限公司（简称中国海油）董事长杨华也曾专门写信给全体职工，敦促全员进行数字化发展的思考[2]。

数字技术的应用已在石油工程的作业方式和管理方式等方面引起了巨大的变革，但石油工程行业的特殊性决定了它不会像消费领域那样迅速发生颠覆式的变革。企业规模越大、涉及部门越多、专业性越强，数字化发展需要跨越的障碍就越多，就越需要企业谨慎布局，不能贸然实施。另外，油价走低和历史资产负担重等因素也拖累了数字技术对石油工程领域经营效果的改善。

目前，石油工程行业普遍认识到数字技术的影响。据IBM调查报告，大多数石油工程企业提出了采用数字技术的改革愿景[3]，数字技术、数字化转型和数字业务在各公司战略中的优先级不断提升，在物联网、数据分析和人工智能等方面的研发投入逐年增加，已占上游投入的10%，近年这些方面的研发产出激增[4]。

雪佛龙、壳牌、BP等石油公司，以及斯伦贝谢、贝克休斯等油服公司都进行了一系列战略性数字投资，积极拓展数字化技术应用，推动勘探开发进程。例如，挪威国家石油公司（简称挪威国油）投资2.4亿美元，要在2020年之前建成数字化中心；壳牌公司建立了由70多名专家组成的大数据分析研究团队；威德福公司以物联网技术与装备为基础，构建了由数据采集与监控系统、云计算和大数据分析构成的智能油田生态系统（图1）；中国石油化工集团有限公司（简称中国石化）也在“研究制定应对万物互联的专项规划”。行业外的众多科技公司，如华为、IBM、微软等，也纷纷涉足油气行业数字业务；而一些石油企业也在投资数字化创业公司，如挪威国油投资自动化钻井公司，壳牌、雪佛龙等公司投资科技初创公司。

1.2 数字技术将改变石油工程竞争优势的来源

石油工程行业竞争优势的来源，经历了从有形资产占有、经营范围扩张到产业链垂直整合的变迁。在数字技术推动产业融合的背景下，企业的优势将不仅仅来源于内生优势，还将来源于对外部资源的有效利用，网络协同和数据智能是数字技术价值产生的两个主要来源。

网络协同推动比较优势让位于系统集成优势。通过大规模、多专业、多地域的网络实时互动，协同解决特定问题已成为发展趋势。企业收益将更多地来源于客户、供应商、商业伙伴和研究人员协同形成的合力，这考验的不仅是企业的技术和资源，更是组织的弹性和制度创新的智慧。

数据智能推动传统资产优势让位于数据资产优势。数据是新兴技术的血液，提升业务操作效率，改善客户体验，都依赖于数据分析形成的洞察力，数据将成为最有创效能力的资产。数据越多、质量越好，依靠数据分析驱动决策取得的竞争优势也就越明显。

图1 威德福公司智能油田生态系统设计

1.3 数字技术对石油工程运营机制提出更高要求

数字技术对企业的商业模式和业务流程带来了颠覆性改变。石油工程领域数字化发展首先要打破部门间壁垒，营造一个无缝互联的环境，对每项业务环节进行优化、重组，从系统全局最优目标出发来设计和优化流程各项活动，追求简洁和有效控制，力求整体效率和效益最大化。这些业务流程的变革，需要企业组织架构、管理模式和管理体系的重构来支撑。

目前，国内石油工程企业数字信息建设以“条块化、烟囱式”系统为主，信息过载与信息孤岛并存，这些系统的融合集成需要结合数字技术的发展趋势，进行科学规划。根据咨询机构DNV-GL统计，落后的组织文化、制度和程序限制、文化限制等是影响很多石油企业数字化发展的重要因素。另外，数字化转型是一个不断修改、发展和发现的过程，数字化投资受回报期望、时间表和目标的制约，需要在长远战略规划与短期内见效益之间进行权衡。

2 数字技术为石油工程发展带来机遇

2.1 数字采集传输技术推动运营能力提升

传感器、无人机等技术在油气领域的应用，实现了数据采集手段多样化、数据传输实时化、数据格式标准化，使施工现场与后方支持部门间建立起联系，实现信息和数据共享，推动企业运营能力提升。例如，哈萨克斯坦一个预计2022年投产的油田扩建项目，约安装100万个传感器。在石油工程作业中，人工检查监测管道和设备往往既危险又不可靠，并会对生产过程造成干扰。利用无人机进行海上项目检查，对生产无影响，所需人员仅为原来的1/3。BP公司在海上和陆上使用无人机进行火炬监测，所花费的时间和费用仅为传统方式的1/10，采集方式不仅更安全、更高效，而且采集的数据标准化程度更高、质量更高。数据采集预测机构Mordor Intelligence称，无人机在45分钟内采集的数据量将与过去30年采集的数据量总和相当，无人机在油气行业的应用在2020年将达到20亿美元，年均增长率达37%[5-8]。

移动设备应用程序提供了新的便捷操作途径。在压裂施工现场，一个组合一般包括40台大型装备，4000个可替换的零部件。这些装备和部件在现场需要11个员工安排部署，以往需要两组人员轮班维护监测，现在使用手机应用程序，可省略手动输入环节，大幅提升监测效率，而且数据可共享到远程支持中心和设备维护中心。BP通过可穿戴装置追踪操作人员的动作，优化操作，保障安全，目前尚有待规模推广应用。

数据采集和实时传输技术的应用，推动了石油工程领域人与人、人与物、物与物之间的广泛互联，消除了沟通在空间和时间的界限，改变了交互的时间和位置，强化了机构之间的相互支撑，推动石油工程服务业务的过程管理逐步走向实时化、远程化和集成化。石油工程企业凭借数字技术，建立远程支持中心、区域协调中心等机构，优化跨职能、跨地域/业务单元的运作流程，提升运营能力。斯伦贝谢公司将水平钻井专家从野外转移到远程支持中心，在那里一位工程师可以监督6口井作业[9-11]。

2.2 数字集成分析技术提高工程决策质量

数据采集手段的多样化及广泛连接，为决策质量提升提供了基础。数字时代的决策不再依赖于经验、直觉，而是以实时数据为基础。实时数据多角度、多层次的交叉复现，通过对更广泛的数据源展开更复杂的分析、可视化和数据挖掘，提供更深入的洞察，科学决策，支撑更高质量的发展。

油气行业价值链跨度大、涉及专业众多、经营主体多种多样，在技术融合的大趋势下，搭建跨学科工作平台已成为共识。挪威国油推行“整合运营”，实现了公司组织、地方协同的跨学科合作。BP在全球建立35个协作中心，将地面与地下的实时数据都传送到协作中心，实现多学科多地区的协同；并开发了基于云的地球科学平台（Sandy），将地质、地球物理、油藏和历史项目信息链接在一起，识别新的连接和工作流程，加速从勘探到储层建模的过程，目标是将数据收集、解释和模拟的时间缩短90%[12]。斯伦贝谢推出DELFI勘探开发平台，整合各类计划和作业程序，存储全部历史数据，为油气项目全体管理人员、作业队伍提供入口，为各类专业操作系统和程序提供接口，形成了共享工作平台。中国石油天然气集团有限公司（简称中国石油）搭建勘探开发梦想云平台，涵盖油气藏、生产、经营等6个领域，将物探、钻井、经济评价等15个专业均纳入统一管理，建立共享模型，整合专业软件，提升业务协同能力、智能化创新能力、专业软件共享能力、应用集成与开发支持能力。

这些跨学科跨领域的工作平台具有3个特点：一是打破学科界限，促进各专业知识互相沟通，形成互相印证和互相促进；二是以数据分析、机器学习、可视化呈现、高性能计算和物联网等数字技术为支撑，提升施工设计的科学性，优化生产、降低综合成本；三是系统可扩展，在这些平台上可开发或连接新的专业软件或工作流程。服务响应方式由人为配置与评估向实时精确配置与评估转变，进一步提升石油工程服务的主动性。

2.3 数字控制技术提升施工自动化程度

随着自动化技术、机器人技术的不断发展，石油工程施工领域的自动化程度不断提升，自动化技术在高风险地区或环节、重复性作业、周期性检查等施工中得到越来越广泛的应用。美国市场研究机构Technavio研究显示，油气行业是机器人终端的应用大户，约占市场总规模58.5%[13]。

道达尔公司2013年发起陆用机器人挑战赛，来自奥地利和德国的团队研制出ARGOS原型，可替代人工检查，精确发现异常，进行异常干预。NOV公司的自动化钻井系统，通过软件机器人实现流程自动化，提供4个等级的自动化级别，可自动进行重复性钻井作业。有专家预测，目前一部钻机需配置26个人，到2025年左右可能只需要5个。

威福德公司推出了AutoTong自动化接套管系统，用速度控制算法准确控制接扣过程。专用评价系统可对套管与完井管柱进行精确控制与无差错评估。AutoTong系统操作员只需按下大钳手柄上的按钮，交互更为简单。与传统下管柱设备相比，海上作业成本降低约20%。

2018年挪威国油宣布，挪威大陆架第一个全自动无人平台投入使用，由Oseberg油田中心远程操作。平台上只配备最基本的生产设施，上层结构仅重1000t，每年仅需进行一两次维护，这种平台为开发较小规模油藏提供了很好的选择。

2.4 3D打印与虚拟实验技术加快研发速度

在技术研发中，数字技术为聚集创意和缩短上市时间提供了充分支撑。利用大数据分析技术和虚拟社区，实现更精准的创意，以支持产品开发。

数字孪生体技术、3D打印技术可加速原型开发和测试，快速低成本试错和调整，提升设计效率和先进性水平。3D打印技术支持的小批量生产，尤其适于针对客户需求和偏好定制。GE公司在软件平台上创建制造社区，广泛汇集优秀创意，通过3D打印和微制造工厂，快速制造出产品原型，大幅削减从创意到最终产品的时间，推动新技术产品“以闪电般的速度进入市场”。

数字虚拟现实技术为石油工程新技术培训、练习和推广提供了新途径。斯伦贝谢、哈里伯顿等油服公司将AR/VR技术应用到新技术应用的培训，哈里伯顿将AR培训功能集成在DceisionSpace平台中。斯伦贝谢应用VR系统进行固井培训。Altus Intervention公司推出了培训模拟器MultiSIM，展示井筒干预操作，给培训人员提供操作中遇到的各种可能情况，使受训者提升操作信心与能力，为提高施工安全和效率提供支撑（图2）[14-15]。

图2 新员工应用MultiSIM进行连续油管气举模拟练习

2.5 数字技术发展带来新的业务内涵

数字技术与石油工程技术的结合为石油工程领域的业务发展提供了契机。贝克休斯公司设立了专门的数字化服务板块，主要服务于上中下游设备的数字化监测和企业的数字化转型。以数字孪生技术和Predix工业互联网操作平台为基础，将实时监测与控制协调相结合，推出了监测分析设备运营情况的资产绩效管理系统（APM）和预测性腐蚀管理系统，以及监测和分析陆上油气生产情况和油气井状态的智慧流系统（IntelliStream）[16]。

随着数字技术在油气行业应用逐渐扩展，人为错误、终端与网络安全等问题逐渐突出。移动连接性增强、操作数据广泛使用和自动化带来了新的漏洞，用最先进技术保证系统顺畅运行成为行业共同需求。斯伦贝谢公司2004年开始对油公司和油服公司提供网络安全服务，并于2014年、2016年、2017年分别建立了软件技术创新中心、工业互联网中心、机器人部门，主要研发高性能计算、云、大数据、物联网、工业互联网、可视化等技术，并推动其在石油工程领域的应用。

Diamond海洋钻井公司推出区块链钻井服务，优化钻井施工的平台由5个基本模块组成：供应链和物流管理、井设计监测、预算监控、动态关键路径和性能跟踪。用户可从任何网络访问设备状况并进行性能分析，实现总成本实时管理。该平台对采购、施工、完成和生产各阶段进行跟踪、规划、优化建井和生产过程，通过协调各方、改善进程，达到提高钻井效率、降低作业者总成本的目的。

哈里伯顿公司推出“油田之声”（Voice of the OilfieldTM）服务，针对不同公司的目标，依据对井口、油田和资产的闭环管理，部署与应用智能设备、物联网、数据分析和云平台等数字技术，与生产和油藏工作流程相结合，帮助客户进行数字化投资的优先级管理。凭借开放的协作平台，“油田之声”能够整合来自不同供应商的各类型技术，帮助客户数字化投资收益最大化（图3）。

3 石油工程企业数字化发展策略与建议

3.1 数字化发展策略的主要模式

数字化发展没有通用解决方案，应考虑自有资源和限制，以业务为导向，以解决问题为核心来设计适用的发展模式。总体来看，石油工程领域获取数字技术价值的策略大致可以分为3类。

一是增量模式。企业的关注重点仍然是当前业务、运营及客户模式。数字支出属于非战略型投资，数字业务为非常规业务。运用数字技术扩展能力是企业的机遇，数字技术应主要由业务部门驱动。许多小型油公司或油服公司由于科研能力有限，多采用这种模式，与其他公司合作，应用数字技术共同开展新业务。

二是内部突击模式。有计划地利用数字技术优化企业工作流程，提升同步程度，降低数据信息的孤立程度，推动当前业务、运营及客户模式进行变革。此方式侧重数字技术的企业内应用，常被称为数字化转型或数字化改革，大部分石油工程企业采用这种策略。

三是整体规划模式。制定数字化战略，着力于培养数据科学、创新和快速设计原型等能力。综合考量内部数字化与数字化业务发展的交叉与融合，设立中央数字化团队研发、分享和推进。斯伦贝谢公司即属于此类模式，其软件创新中心（STIC）负责数字愿景总规划；Doll研究中心是自动化技术研发基地；工业物联网中心以云、物联网、自动化、跨学科平台的网络安全等为研究重点，并推动这些技术在公司及行业内的应用。

图3 哈里伯顿公司“油田之声”的数字化投资管理逻辑

3.2 促进国有石油工程企业获取数字技术价值的建议

3.2.1 注重顶层设计，数字规划与业务规划相融合

国有石油工程企业的信息化工作已开展多年，基于数字技术，多职能、多地域、多业务单元的运营支持体系不断优化。为了迎接数字化挑战，企业应强化数字化发展的整体规划，结合业务发展和实际运营状况确定数字化发展的战略部署。一方面借助数字化创新，加快内部流程、业务模式等方面的变革，逐渐转变成为由数据驱动的组织；另一方面，综合数字技术发展趋势、业务规划等多种因素，确定数字技术投资的优先级别，确保业务导向，围绕价值创造点进行数字技术的应用和研发。

3.2.2 围绕全价值链进行数字化布局

国有石油工程企业具有专业门类齐全、产业链相对完备等优势，具备全价值链数据分析的基础。首先，加强员工数字技术培训，同时获取外部数字人才，为数字化发展储备人才；其次，要强化先进分析技术研发，挖掘数据分析潜能，将数字化方法和手段嵌入核心流程；再次，构建基于物联网的数字安全体系；最后，强化外部合作，与客户、供应商、高等院校、新兴技术研发公司等开展跨地域、跨行业、跨系统互动，构建企业协同平台和发展生态圈。

3.2.3 持续关注支持，强化变革管理

数字化发展最终将实现对设计、研发、生产、运营、管理、竞争环境等所有环节重构。国有石油工程企业的人力资源规模巨大，但组织的规模越大，数字化转型的难度越大。企业要实现数字化发展，首先，要创建数字化理念，营造数字化学习型氛围，提高员工的协作性；其次，领导层要持续关注与支持，数字化变革不仅需要制订愿景和目标，还应不断进行协调与规范，树立典型榜样，为变革营造良好环境。