综合应用数字孪生技术助力油气上游转型

□ 赵汩凡 孙 键

长庆油田采用智能巡检机器人。李晓东 供图

国内油气上游领域实现全面数字化仍面临诸多挑战，包括业务数据标准多样、数据共享难、现场各系统兼容性较差和信息孤岛等问题。

当前，全球信息化进入了全面渗透、跨界融合、加速创新、引领发展的新阶段，融合了机器人、数字化、新材料的先进制造技术正在加速推进制造业向智能化、绿色化、服务化转型，推进产业数字化转型、发展数字经济已成为世界主要国家的普遍共识和共同选择。纵观国内外能源化工行业，特别是油气上游领域，数字化转型、智能化升级正呈加速趋势。国际油公司和油服公司纷纷加大信息化投入，力图在新一轮产业变革中塑造新优势。道达尔建立数字工厂开发人工智能技术，以便在勘探和生产项目上节省数亿美元。斯伦贝谢、贝克休斯等国际油服公司相继与微软、C3.ai等成立合资公司开发应用数字化技术。

数字孪生是最早由美国国防部提出并利用的“与物理产品等价的虚拟数字化表达”技术。随着大数据、5G及工业物联网的发展，数字孪生得到工业界的广泛高度关注，许多国际著名企业已开始探索数字孪生技术在产品设计、制造和服务等方面的应用，同时结合工业4.0等技术，尝试推动传统行业数字化转型。

国内油气上游相关企业仍存在数字化服务能力较弱、一体化服务模式不完善等问题。市场竞争将更加激烈，非油领域的公司（例如华为等）已进入油气行业，数字化技术必将成为油服行业发展的新蓝海。持续向一体化服务模式转变的同时，更加需要实现数字化转型。数字孪生技术可以作为油气上游数字化转型的新抓手，进一步促进数字化技术在油气上游领域的广泛应用。

数字孪生的概念和相关技术推广应用前景

数字孪生是将现实数据映射成数字模型，进行设计、仿真、制造、检测和保障等实时评价与优化，是面向物理实体全寿命周期、单一数据源的物理空间和信息空间的双向连接。数字孪生具有实时同步、忠实映射、高度保真等特性，是解决物理世界与信息世界交互、共融问题的有效途径。装备的数字孪生是基于设计阶段生成的物理与功能模型，以及后期产品的生产与使用，并通过与装备物理实体之间的数据映射、信息交互，不断提高自身的完整性和精确度，最终完成对装备实体的完全和精确描述。

数字孪生的本质是以数字化方式创建物理实体的虚拟模型，借助数据模拟物理实体在现实环境中的行为，是未来信息化技术发展的关键。随着工业物联网、5G技术、深度学习等技术的快速发展，数字孪生技术的应用基础更扎实、应用前景更广阔、应用范式更智能。

油气上游数字化转型面临的挑战

数字孪生可以利用虚拟模型的仿真技术探讨和预测未知世界，寻找和发现更好的方法和途径，为当前制造业的创新和发展提供了新的理念和工具。目前，数字孪生技术主要应用于航空航天等高科技领域。美空军现已用于F35战斗机的生产，加工决策时间缩短33%。罗尔斯—罗伊斯公司已将数字孪生技术用于代替航空发动机破坏性试验，有效降低成本。西门子公司将数字孪生融入其工业物联网平台，实现了设备、设计、制造、维护等产品生命周期、不同应用场景的闭环数字孪生，大幅优化生产工艺，提高生产效率。

国内油气上游领域数字化转型升级正呈加速趋势，但距离实现全面数字化仍很远，面临诸多挑战，包括业务数据标准多样、数据共享难、现场各系统兼容性较差和信息孤岛等问题。只有解决这些问题，才能实现数字化转型。信息孤岛和数据问题是两个主要问题。系统设计不全面、集成不够，很多方面还没有建立起统一的业务标准和规范是导致信息孤岛问题的根源。为实现数字化转型，需要相关业务部门和信息部门联合攻关实现系统集成应用。要开展数字技术应用，就离不开数据，需要掌握更多的数据。目前国内企业的大量数据散落在各部门，数据割裂和私有化现象突出，要花大力气解决数据标准化和数据共享问题，建立数据共享管理机制，做好数据梳理、归集、存储等工作。

发挥数字化、智能化在促进上游提质增效升级、安全发展中的作用的同时，还要重视网络安全问题。在数字化时代，网络安全是系统性、全局性的。数字化转型需要站在整个领域深度融合的角度，重新梳理现有的管理流程、作业模式，在确保安全可靠的前提下，主动利用数字化技术推动油气上游管理转型、流程优化和业务创新。

数字孪生等技术在油气上游领域的综合应用建议

国内企业应进一步提高认识、转变观念，主动应对数字革命，抓住新一代数字技术给企业创新发展带来的机遇，加快数字化、智能化发展。数字孪生是一项颠覆性的新技术，建议开展数字孪生为代表的数字技术综合应用研究，以数字孪生为抓手、以工业物联网为依托、以深度学习为加速器，探讨数字孪生等数字技术在油气勘探开发领域的潜在应用方向，统筹开展数字化技术创新的应用试点。

一是开展依托于数字化孪生等技术的油气勘探开发综合数字化系统的探索性研发。以数字化油田为基础，深度挖掘已有油气勘探开发数据资源，融合工业物联网、大数据、深度学习等，探索油气勘探开发数据孪生实施途径，构建油气勘探开发物理空间与虚拟数字空间交互映射、融合共生的数字孪生系统，改进已有的油气勘探、经济有效开发的技术和模式，实现降本增效。

二是开展石油工程装备全生命周期数字化管理系统的研发。以石油工程装备设计、管理平台为基础，开展石油装备全数字化技术研究，构建装备工业物联网，实现设计、制造、使用、管理、维护等生命周期数据之间的关联，预见产品质量，进行现场试验数据验证，优化装备性能，改进生产工艺，实时远程监控装备的任务数据、环境数据、维修保障数据，实现石油装备全领域、全生命周期的实时管理和监控，全面实现装备数字化，为“智能+”奠定坚实基础。

三是开展钻完井数字孪生技术研究。以钻井地质环境因素描述为基础，充分利用已钻井和已钻地层的数据信息，融合现有钻井风险监控系统，开展钻完井数字孪生技术研究，采取基于数据驱动的深度学习方法，建立油气井钻井预测模型，构建钻完井物理空间与虚拟空间交互映射、融合共生的现实场景，实现钻完井效率从事后评价向事前预测转变，有效提升钻完井效率和安全性。

四是加强具有石油工程背景的信息化队伍建设。信息化越发展，数字化转型越成功，就越需要一流的信息化队伍来支撑。突出专业背景，加强信息化特需人才培养和引进。结合数字化技术发展新趋势，组织开展信息化人员及本专业技术人员新技术学习、业务培训，提高整个团队的数字化认识和技术创新能力。加大人工智能、5G、工业物联网等方面技术人才、业务骨干的培养和选拔力度。

随着江苏油田采油二厂进入“数字化油田”时代，许多年轻的技术骨干抓紧时间学习新设备的操作技能。陈冬 摄