油气田地面建设工程数字化管理创新与实践

李 懿 黄 婕

1. 中国石油西南油气田公司川中油气矿, 四川 遂宁 629018;2. 中国石油西南油气田公司工程项目造价管理中心, 四川 成都 610056

0 前言

伴随大数据和云计算技术迅速崛起的新动态以及互联网与各行业深度融合的新趋势,实施油气田数字化建设与管理,是提升上游业务生产效率、加强安全管理、控制生产用工、节约生产资料和优化生产关系的有效途径,同时也是提高油气田开发管理水平和综合效益的必然选择,对实现能源战略目标具有长久可持续的意义。中国石油集团勘探开发生产分公司于2017年底发布《油气田地面工程数字化交付规范》,旨在规范和指导各油气田地面建设工程的数字化建设,也指明了未来工作的方向;2018年初,中国石油西南油气田公司进行了贯标培训,提出明确方向和要求;中国石油西南油气田公司在“十三五”信息化总体规划中提出打造油气田地面工程建设业务管理平台的目标,经过对龙王庙、长宁页岩气干线等多个项目数字化移交工作的探索和总结,亟需一个公司范围内的统一数字化管理移交平台,为此决策建立数字化管理移交平台,用于公司油气田地面建设工程使用。

1 油气田地面建设工程数字化管理需求

1.1 外部环境因素

1.1.1 工程建设速度与质量管理需要提升

国家石油天然气供应量不断提升,为落实中国石油天然气集团有限公司推进新时代稳健发展、建设世界一流综合性国际能源公司的战略部署,努力实现“三步走”的总体战略部署;油气田作为石油和天然气供应链的上游,石油天然气产能提升,要求工程建设速度和质量的管理也有明显提升[1]。

1.1.2 施工安全成工程建设重要关注点

在油气田施工过程中,存在人员流动大、现场监管不到位、物资材料违规改代和隐患未及时整改等问题。

1.1.3 用工成本提高要求工程管理创新

用工成本不断提高,为了有效控制成本,参建单位一方面需要考虑引入无人化、智能化的管理技术,有效减少人员雇用;另一方面,需要进行工程管理方式创新,提高人员运作效率。

1.1.4 材料成本控制迫使管理技术提高

由于未充分提前考察施工现场环境或其他情况导致施工方案临时变更,设计变更情况频发且变更执行情况难以记录,以及备料计划或者现场发料控制等原因,都有可能导致施工材料的大量浪费。

1.2 内部环境因素

1.2.1 现场人员管理监管难

现场的施工人员繁杂,特种作业资质要求严格,依赖人工现场巡查的方式耗时耗力且难以解决根本问题;野外施工人员流动性大,人员统计实时性低,导致工程人力资源统筹管理能力弱,需实现对施工人员的精准监管和统计[2]。

1.2.2 设计成果贯通使用难

项目管理方及参建单位还未完整贯通使用设计成果，设计成果使用效率有待提高。采用手工图纸和会议交流的方式不可避免地导致沟通效率低,也无法在多专业与各施工管理部门之间形成实时信息互换与协同。

1.2.3 物资采购与安装有效管理难

工程项目物资采购过程面临物资种类杂、数量多等特点,项目物资管理主要依赖报表收集,信息具有滞后性,数据统计不够精确,不能满足基建工程处和物资管理部对物资情况精细化把控的管理需求。

1.2.4 线下审批流程流转耗时长

工程施工部分面临后期资料的整理编制,资料以纸质文件为主,存在资料整理时间长、可追溯性差等特点。线下审批方式、签字盖章流转过程繁多。各环节的审批材料均以纸质文档作记录,归档工作量巨大并存在严重滞后。

1.2.5 质量管理问题难以发现与追溯

工程实施过程中,主要由质量监督单位对工程质量进行上报,以报表及汇报材料为主,不能完整展现工程的整体质量信息;隐蔽工程施工工程质量记录难度大,目前主要以现场检测为主,提交的资料以纸质形式进行记录,查阅过程复杂[3-4]。

1.2.6 进度管理不够细化

以往的进度计划上报审批为线下流程,不便于管理单位了解审批进度;各参建单位根据工程实际情况编制进度日报和周报,不便于管理单位直观了解工程进度;工程进度资料以纸质形式为主,归档收集难度大,工作量增加。

2 油气田地面建设工程数字化管理手段

为了提高油气地面建设工程精细化管理水平,探索油气田地面工程建设数字化管理模式,越来越多的企业参与到项目数字化管理建设中。本文介绍了最新的油气田地面建设工程数字化管理在工程实践中的应用,总结了关键的技术手段,探讨了互联网技术手段在工程项目从立项设计、建设施工到交付运营等全生命周期阶段的应用,实现了项目全生命周期的数字化管理,提升了项目的智能管理效率[5-6]。

2.1 在线三维设计协同

2.1.1 不同类型三维设计模型解析

三维设计模型支持主流的工程数据解析,包括Revit、PDMS、AutoCAD、Smart3D Plant3D、CADWorx等软件,附带加载对象的属性信息,图1展示了REVIT、PDMS的三维模型解析。指导工厂设计优化,降低施工变更带来的工期延滞与计划外成本投入[7]。

a)Revit模型a)Revit model

b)PDMS模型b)PDMS model

2.1.2 三维设计在线分享

三维设计模型采取按需调取的方式(类似于地图的加载模式),通过超高压缩比进行轻量化设计,能够通过各种终端实时查看三维设计模型,满足各类管理应用场景[8-10]。

图2展示了轻量化压缩后的效果,通过在线审图的方式,不受时间和地域的限制,打破了审查过程中专业的分割,极大地提高了审图效率和审查意见的合理性。

图2 轻量化效果图Fig.2 Lightweight design of 3D model

三维设计在线分享也促成了在线审图的方式,可以通过各种终端及时查看最新模型,不受时间和地域的限制,打破了审查过程中专业的分割,极大地提高了审图效率,见图3。通过审查意见和位置标注相结合的方式,保证审查意见具有明确的指向性。将审查意见、讨论过程、解决方案与模型中的位置一一对应,极大地降低了审查过程中的沟通成本,保证审查报告的完整性和准确性[11]。

图3 多终端查看三维设计图Fig.3 Multi-terminal view of 3D model

2.1.3 三维设计实现排产与采购的优化

三维设计技术提供丰富的IDF/PCF文件配置选项,可以准确快速导入数据,完整保留管道的外观、区域位置及工艺参数,并且自动识别管线原件链接焊点,图4是智能识别焊点模型。

图4 智能识别焊点模型图Fig.4 Model of intelligent recognition of solder joints

数字化系统可以实现手动插入焊点。手动增加管线上的焊点,尺寸定位可以直观显示,见图5;也可以手动增加支架与管线间等其他特殊焊口,见图6。

图5 手动增加管线上的焊点图Fig.5 Manually add solder joints on pipeline

图6 手动增加支架与管线间的焊点图Fig.6 Manually add solder joints between support and pipeline

另外,数字化系统可实现管线与焊口的三维显示。依据焊口类型快速设置安装口和预制口,且自动完成焊口编号,实现三维场景中焊口编号直观显示。

2.2 全流程物资管理

2.2.1 从设计模型提取物资需求

根据设计解构设备、物资详细需求数据,形成统一编码,实现调整设计与物资采购计划变更一键同步。

2.2.2 物资二维码技术

以二维码作为载体,将物资的设计专业数据、采购过程数据、供应商生产数据、物资出入库和安装数据进行集成和展示,图7展示了二维码系统集成数据信息。

图7 二维码系统集成展示数据信息图Fig.7 Integrated display of data information byQR code scanning system

2.2.3 扫描二维码“识物”

各物资参与方负责补充填写各自工作对应的物资属性和状态,通过分享使信息互通,实时掌握物资的动态和去向。工作人员通过扫码,做到动态掌握库存和及时清料,减少人员投入和物资消耗。

物资管理各环节数据相互衔接,通过业务流程关联数据,将物资全流程的数据以列表和数据关联图的方式进行展示,实现物资状态的跟踪和全过程追溯。经过数字化系统统计和分析的数据,可以作为决策的依据,方便资源的调配,服务于管理。

2.3 集成化项目过程管理

2.3.1 线上流程管控

利用线上流程管控可视化功能,明确岗位职责,固化审批流程,自动推送任务,审批过程全记录;解决现场资料审批繁琐,审批过程跟踪难、不可追溯的问题。

2.3.2 在线电子签章签名

以网页环境为媒介,以数字签名、信息加密为核心,保证电子签章的安全性和有效性。实现印章管控“可追溯、电子化、移动化”,提升公司印章管控能力。同时,通过线上流程电子签章系统,可以控制文档的有效性,最终将结果文档传递到数字化移交平台,实现在线归档。

2.3.3 归档表单线上标准化

根据《油气田地面建设工程(项目)竣工验收手册》要求,编制符合验收标准的表单模版,并将模板固化到数字化移交平台中。施工单位填写竣工资料时,由数字化移交平台自动挂接对应的标准化模板,有效地解决竣工资料模板不统一的问题,保障竣工资料模板格式符合验收标准。

标准化的模板、结构化的数据和线上可视化的流程,配合电子签章,实现竣工资料格式的标准性、数据的准确性和签章的便捷性,降低竣工资料的返工率,极大地提高竣工资料的归档效率[12-14]。

2.4 进度和质量实时跟踪

2.4.1 数据采集APP应用

依赖实时数据采集APP对焊接、安装等施工数据的准确获取。基于可视化场景,宏观上实现施工进度、质量、安全、物资等信息的综合呈现,实现“虚拟站场”与“实际站场”的同步建设[15]。

数字化系统重新定义工程建设管理,通过轻量化的工程建设沙盘,让工程变得可感知、可计算、可优化、可调度;可将以往工程现场检查流程简化为线上管理,做到秒懂现场,实现“不去现场,更懂现场”,同时将以往的传统周报、月报,变成实时动态,使决策者更懂现场,图8展示了多种场景下的施工监控可视化场景。

图8 现场施工情况与数据实时查看场景截图Fig.8 Screenshots of on-site construction situation and data real time viewing

2.4.2 场外预制组橇数据跟踪采集

通过接入参建单位的预制组橇系统,调用与统计分析排产信息与施工信息,实时掌握预制组橇的施工进度,实现对预制组橇过程的精细管控,见图9。

图9 管线预制精细化管理图Fig.9 Fine management of pipeline prefabrication

基于三维设计模型对焊口进行精细化管理,记录工程施工过程设备安装、焊口焊接等全工序数据,实现全工程数据系统化记录、模型化对齐。

2.4.3 三维场景贯通工程建设管理全过程

通过与三维设计对齐,构建施工排产与进度质量一致性,并建设可视化电子沙盘,见图10。针对集输工程,实现焊口位置精准测量,并将施工完整性数据植入至三维真实场景中,实现集输施工数据完整可查[16-17]。

图10 场站型建设可视化沙盘管理图Fig.10 Visual sand table management of stationtype construction

融合3DGIS空间数据+BIM工厂模型,构建工程真实场景。在设计阶段伊始,为管线走向选择、优化变更、场站布设规划等，提供可操作、可分析的支撑平台。

2.4.4 移动办公APP应用

围绕建设项目进度、质量、入场人员、作业安全等业务,通过构建移动APP来辅助业务人员随时随地对建设项目进行管理,见图11。

图11 移动APP管控Fig.11 Mobile APP control

2.4.5 无人机巡检应用

通过设置无人机飞行任务,直播施工现场高风险作业面,实时浏览与回溯现场作业情况。同时利用720°全景影像及精细化航飞照片,实现施工现场可视化定格记录。

2.5 视频AI识别智能管理

2.5.1 人员出入场管控

现场施工人员需上报个人资质且通过审核才能入场进行施工；同时施工现场安装出入场人脸识别闸机、智能监控设备,且与人员资质信息系统相对接,实现施工人员出入场可控以及人脸识别打卡管理。

2.5.2 人员行为监督

采用人员携带式芯片,定位人员实时位置,关键风险人员离岗警示。杜绝部分管理人员监而不管的“真空”现象,显性化三类专职安全人员在岗履职跟踪考核。

采用固定式、移动式高清摄像头,实现对施工现场无死角的视频监视,并利用机器学习实现自动分析和报警。通过视频抓取和语音喊话功能,及时固化违章证据和行为。

2.5.3 白班与夜班出入智能管控

根据排班计划,制定白班与夜班的出入场规则,智能判别不同班次人员出入场权限,严格控制各班次人员出入场,实现工厂夜间检测人员资格审核和无关人员禁止入场,严把夜间建设安全关。

2.6 矢量化扫描工程成果数字移交

2.6.1 三维激光扫描

基于高精度三维激光扫描,实现虚拟与现实高度统一,集成施工过程全流程数据,支撑运营期业务应用[18-20]。最终构建一套与现实完全一致的克隆工厂模型,实现基于对象的设计、测量、建模、图档等数据的归一承载,图12展示了某工厂三维扫描成果的示意效果。

图12 某工厂三维扫描成果导入示意图Fig.12 Schematic diagram of a factory’s 3D scanning results import

2.6.2 移交孪生“克隆工厂”

数字化系统整合地理信息数据(DOM、DEM、倾斜摄影)、地面工程建设期数据、竣工扫描模型、焊缝、三桩一牌、高后果区、穿跨越、应急资源、720影像、视频监控等数据,依托可视化核心技术,构建工程建设期的数字孪生体,成为工程运营期的数据基座[21]。在完成三维设计、扫描、克隆等三套模型统一后补充工艺焊口位置的标绘、设计、焊接、防腐、检测、竣工等数据,完成从设计模型到竣工模型的转变,见图13。

图13 三维克隆工厂构建示意图Fig.13 Schematic diagram of 3D clone factory construction

2.6.3 文档资料数据对齐

现场施工的同时进行数据录入,即时生成归档文件表单,将各项目全过程数据进行结构化处理,并汇集成数据池作为工程资料全集[22]。从工程数据池中抽取、组卷(件)形成工程资料移交材料,并通过整理推送至资料归档系统,完成工程资料的统一汇总、收集,实现对所有工程资料的精准查阅和三维挂接,实现工程资料线上收集、线上归集、线上移交,公司级基建工程资料“精细管理、数据传承、知识共享”的目标。

3 结论

以油气田地面建设工程项目为载体,打造并逐步迭代更新油气田地面建设数字化管理移交平台,引领基本建设领域向信息化管理迈进。以项目建设为主线,与工程实际进度同步开展,体现项目从设计、采购、施工、及竣工验收的全过程在线电子化管理。主要实现的功能如下。

1)变革设计审查模式,实现三维协同设计及施工图在线审查与记载;通过二维码扫描系统实现物资采办全流程电子化管控;通过多种数据收集手段,实现施工数据采集全覆盖;采用“电子签章+流程化管控”,保障原始数据利用真实可靠、依法合规。

2)精细沙盘管理,虚拟、现实同步建设,通过可视化场景直观掌控施工信息;利用工程项目建设期完整准确的数据资源为项目全生命周期提供可靠的数据基础;通过多项目数据积累形成对项目管理的科学认知,辅助项目管理决策。

3)以三维设计模型为主线,整合工程项目建设数据,推进油气田地面建设工程数据由零散分布向统一共享、风险管控模式由被动向主动、项目管理由手工纸质向数字化无纸化的转变。