国内外数字油田技术发展趋势及策略

（中国石油勘探开发研究院）

技术创新是驱动油气行业可持续健康发展的核心，而数字化技术是当前最重要的技术发展领域。在前几年的低油价及目前的中低油价形势下，油公司越来越重视数字化转型，致力于通过数字化降低运营成本，提升运营绩效，获取长期收益。

1 油气行业上游数字化发展态势

1.1 国外油公司注重数字化转型

近年，受长期低油价影响，油气行业上游资本支出减少，油公司资产负债表变差，现金流量减少，劳动力不稳定，经营面临严峻挑战。在此背景下，油公司日益重视数字化转型，以此帮助石油公司提高运营绩效，更好地适应不断变化的行业商业环境。艾默生公司研究表明，油气行业上游通过数字化转型，可使营业表现从平均水平提升到中上水平，油气产量可提高7%～8%，租赁和运营成本减少2%～3%，且运营的不确定性明显降低[1]。

根据IHS Markit公司数据，近年国际石油公司数字化投资在科技投入中占比升高，已成为石油公司与服务商技术合作的首要领域。石油公司的投资构成表明，2014年以来的低油价并未阻碍石油公司的技术投资，2016年与2018年的技术风险投资甚至有较大增幅（图1）。上游技术投资主要涉及清洁能源技术、勘探技术、开发技术、数字化技术4个领域，数字化技术的占比在2013年以后有明显提升[2]。各类石油公司关注的领域有所不同，独立石油公司更关注能够短期见效、直接降低成本的数字化方案，跨国石油公司则偏好能够给公司带来整体效率提升的综合平台和一体化方案[3]。

图1 油公司风险投资技术领域分布

1.2 油气数字化技术发展状况

油气工业数字技术集中在大数据、高性能计算、用户交互、自动化、物联网、虚拟现实、实时分析、仿真建模、智能设备、机器学习、移动终端、机器人等12个领域[4]。例如，物联网可以通过功能强大的智能化软件实施监控；传感器可以监控石油钻塔、炼油厂、车辆和电力系统，并传输数据、提供机械系统的数字表示。大数据软件可对传感器网络产生的大量数据快速处理分析，建立并优化仿真模型。

IHS Markit公司按技术成熟度由高到低，将油气数字化技术发展分为4个阶段：广泛应用、技术可行、已论证概念、未论证概念。又将数字化技术分为6个类型：数据获取、组合数字化、流程自动化、创新工作流、转换工作流、资源生命周期[3]。BP公司则将数字化技术分为4个层级[5]：第一层级已在油气领域得到广泛应用；第二层级已在一些油气领域开始部署，有进一步扩大的潜力；第三层级是油气行业正在进行创新突破的领域；第四层级的数字技术还处于早期阶段，在未来具备很大潜力。各层级主要技术详见表1。

表1 BP公司数字化技术层级

美国艾默生公司设计了油气上游数字生态系统（图2），通过提供综合的远程传感，将预测分析和先进诊断相结合的软硬件解决方案，从而做出生产决策。其中，实时生产数据和油藏管理软件组合，可对勘探与生产各个环节进行集成优化[6]。

2 油气行业上游数字化转型方案

数字化转型拥有构建流程自动化、决策支持、人员技能提升、移动应用和变革管理等5项基本能力。油气行业上游数字化是对勘探与生产各个环节进行集成优化，包括地震处理与成像，地震与地质解释，形成评估方案，油藏表征及静态建模，油井设计，油藏工程模拟，油井施工、钻探、地质导向，生产建模等。数字化使石油公司可及时有效地了解分析油藏性状、远程采集现场数据、优化工作流程和物流，实现解放员工、提高效率、降低成本。国内外油气勘探开发公司、油服公司和数字技术服务公司在数字化转型方面表现出6个主要趋势。

图2 美国艾默生公司油气上游工业物联网数字化方案

2.1 油田自动化生产优化

油气田的自动化生产优化是数字化最重要应用领域之一，用数字技术优化油井设计和生产操作，通过预测事件提高油田的运营效率，优化生产。美国能源信息署（EIA）预计，2019年美国陆上石油产量每天增加100多万桶，主要来自非常规石油开采。为了实现生产和资本效率目标，非常规油气生产商通过优化设计和生产运营使现场生产力最大化[7]。

例如，构建一个基于云的数字油田平台，将传感器实时数据无缝连接到集成的储层井地面设施模拟分析，通过实时监控、处理和解释生产数据，准确预测油田动态，形成可操作的方案决策，如优化完井设计、最大产量设置、地下自动校准和最佳注入量的持续更新等，从而提高整个油田的运营效率（图3）。

2.2 基于数字化的预测性维护

近年，石油市场价格在中低位波动，生产商专注于降低运营和维护成本，以保持盈利能力。油田生产设备常年暴露在恶劣的自然条件中，设备故障在所难免。据统计，由于很多昂贵的生产设备长期暴露在恶劣环境中，非计划停工导致油公司每年损失超过200亿美元。如果能够延长设备寿命或者减少停机时间，可以大大提高生产率，降低生产成本。

改进操作、增加正常运行时间的工作涉及识别、采购和集成单个井场操作的复杂过程。数字化方案能够将远程传感器与嵌入式诊断集成在资产管理系统中，而无需将人员安置在危险区域。收集到的设备性能数据被发送到中央控制室进行分析和处理，油气生产商可实时了解设备的运行和性能，技术人员能够对设备状态进行预测性维护，减少或避免停机时间。

2.3 构建工业物联提高运行绩效

整个油气行业在推动设备和系统的广泛采用和集成，利用工业物联网（IIOT）提高运营绩效、实现盈利。油气上游资产密集度高、操作距离远、工作环境危险，工业物联网的需求更加迫切。建立工业物联网需要合理化人工流程，整合孤立的决策支持工具，更新低效的运营实践[8]。

目前，市场上已有一系列可用于油气行业的数字自动化解决方案，从传感技术、资产管理软件、智能流量计到远程监控服务等。一些油公司正在与自动化供应商合作，将业务数字化，改变员工与公司新技术、新流程互动方式。从创新的传感技术、先进的仪器，到数据分析和服务，安全地将数字信息与操作技术数据相联系，帮助生产商提高效率，实现卓越运营。

2.4 新建海上设备智能调试

图3 油田工程技术物联网系统示例

新建海上平台需要大量持续的资本投入，对工程建设的灵活性有较高要求。这使许多公司更审慎地对待海上项目，以期找到克服效率低下的新途径，努力避免预算增加和工程延迟[9]。新建海上设备可将智能技术纳入项目早期开发阶段，这样可减少现场实地考察行程，取消一些任务环节，更好地适应后期项目变更，并简化整个调试工作流程。 当需要灵活性来处理可能影响施工的变化条件或其他因素时，生产商可以利用数字化应用程序，创建委托设施模拟，在不危及资金和建设资源的前提下，对设备进行测试，并将测试结果应用到最终设计中。

2.5 海上设备远程控制

海上设施的人员配备成本几乎是陆上运营成本的3倍，偏远和危险地区的油气生产商，必须经常在确保专业人员的不时之需和防止人员受到伤害之间寻求平衡。随着远程操作的自动化新技术的出现，这种平衡变得越来越容易。数字化方案能够在保障有效的资产监控的同时，减少海上员工数量[10]。通过建立控制中心使专业人员远程获取信息并控制海上设施，从而提高了员工安全性和项目经济性。

海上油气生产商可以使用成套解决方案，将智能设备技术与实时资产性能和过程控制数据相结合，在任何地方通过互联网连接，全天候提供智能操作。基于物联网的海上平台解决方案，使用户可随时随地监控操作、查看关键数据。利用无线传感器和智能设备等基础组件，通过应用程序自动记录现场数据，并基于物联网平台将其传输到管理云系统，然后从陆上访问该系统的控制中心。这就不需要海上人员在可能危及其健康和安全的危险环境中花费宝贵时间获取和记录相关数据。

2.6 与数字化转型相匹配的管理模式创新

数字化转型不仅是设备与技术的更新换代，更重要的是与之相匹配的管理模式创新。即使在市场经济相对成熟的发达国家，数字化转型仍然面临着传统组织管理模式带来的阻碍。从国际石油公司经验来看，管理模式创新主要分为3个方面：一是基于数字化和智能分析系统的总部统一管理。例如，数字化技术为采购统一管理提供了可行性与便利性。目前国外大公司多采用集中采购、分散执行模式（总部组织集中采购），采购平台的建设能够有效缩短总部响应时间，智能分析系统能够及时检测和响应物料需求变化，减少了采购重复操作，此外还能有效提高议价能力从而降低采购成本。二是新增就业人员的减少以及人均薪酬的提升。国际油公司近几年公布的招聘数据来看，专业更加宽泛、人数持续减少，但平均薪酬较往年有所提升。三是拓宽技术获取方式，灵活采用收购、引进、合作等方式促进技术创新。例如，壳牌、BP等公司均设立了风险投资公司，用于接收其他行业新技术的合作提案，为技术创新提供来源和储备。

3 国内外油田数字化典型案例

3.1 壳牌智能油田运营

壳牌通过智能油田方案将采收率提高了10%，油气产量提高了5%。智能油田可全天候持续优化资产，配产的流程、工具、技术可以帮助团队全面了解油田当前和预期情况，并提供实时决策和分析；在合适的时间提供高质量数据，有效进行现场优化；优化流程可缩短从现场数据到运营决策的周期；智能工具可发挥各种硬件功能，收集并整合监测信息。

3.2 澳大利亚天然气HSE数字管理

为了降低健康安全环保风险，解决外派员工安全问题，优化项目性能，澳大利亚天然气项目建立了数字油田综合运营中心，使用预测诊断集中监测资产，执行选定的自动监控以提高安全性能。项目实施后，员工的工作现场往返减少了50%，运营效率提高了3%～25%，减少停机1%～4%。

3.3 新疆油田数字化应用

在新疆油田风城SAGD井区，针对现有井口系统陈旧、设备稳定性差的问题，通过数字化转型，采用无线解决方案，实现无人值守、数字化日常生产运营管理，实时自动监控统计，方便基础设施未来扩建，降低停产维护率，保障油田高效生产。新疆油田冬天低温达-40～-30℃，准东采油厂针对传统井口变送器液晶屏显示不正常问题，采用WPG指针式无线压力变送器，可随时读取压力信息，为类似地区提供示范。在克拉美丽气田，采用智能无线技术采集井口工艺参数，通过无线通信将井口监控数据传送至位于集气站的控制系统，从而降低了人工巡检劳动强度，也提高了气井生产的可靠性[11]。

4 对中国石油企业数字化转型的建议

4.1 制定与人力资源战略相结合的数字化转型路径

我国石油企业肩负着很多社会责任，不能像国外石油公司根据经营情况随时调整人员结构和数量，这成为数字化转型的潜在压力。一些人认为，数字化转型就是用机器人取代劳动力，通过裁员来降低成本。事实上，数字化转型与人力资源战略并不矛盾，并且相互促进。一方面，现有人员可以从事更高级的岗位，获得更大自由度和较高收入；另一方面，数字化转型可以与公司人力资源变化趋势对接，使人力需求数量与人员退休趋势相适应。数字化可使未来人才缺口逐步减少，减少人员增量，平稳降低人力负担。

4.2 以老油田为基础，选择适合的数字化项目

我国多数油田处于开发后期，成本高、单井日产量少，当前的困境给数字化转型增加了阻力。应该认识到，不是只有大企业、新项目需要转型，越是困难的时候，就越是需要先进的方法改善经营困局。一方面，现在很多大公司的数字化方案基本实现了模块可拆分、规模可控，为不同情况的油藏提供定制化服务；另一方面，数字化转型通过精细油藏评价、实时动态的运营维护，可以显著提高采收率，提高石油企业效益，这对落实国家关于大力提升勘探开发力度具有重要意义。

4.3 数字化转型技术创新是核心

脱离方法和技术创新的数字化，只是原有流程的自动化，不是真正的数字化。办公自动化系统、财务系统、生产优化系统取得了很大进步，降低了管理成本，提高了劳动效率。这类项目是对原有流程的自动化处理，属于“做得更快”的改进。先进的油田数字化转型应该与自动化油藏评价、智慧油藏控制、物联网、机器人等先进技术结合，通过“做得更好”来提高采收率，降低生产风险，提高单井产量，实现油田效益的长久提升。