油气田生产一体化管控软件的研发及应用

王鹏

(石化盈科信息技术有限责任公司，北京 100020)

数字孪生技术自1969年形成概念并在美国NASA阿波罗计划中得到应用以来历时50余年，陆续被美国空军研究实验室、通用电气、达索和西门子等公司接受并推广应用[1]。直到2020年，中国工信部电子技术标准化研究院牵头编写了《数字孪生应用白皮书》，在发改委、住建部、国资委和工信部的大力支持下得以在智慧城市、智慧楼宇、工业生产等方面应用。数字孪生基于模型和实时数据，构建对物理对象或工艺装置性能进行持续更新的数字化配置文件，进而用于优化业务绩效。数字孪生可确保工厂在建模时严格使用了工艺模型，并通过嵌入了成本与风险模型的AI技术得以增强效果[2]。

“十三五”期间，中国石化集团按照“中国制造2025”和“互联网+”行动计划加快推进两化融合，在工信部的大力支持和推动下，陆续建成了具有示范意义的智能油气田企业。以某气田为例，截至2020年底，天然气产量1.583×109m3/a，共有气井490余口，集气站17余座，处理厂17 座，气井数字化无人值守率100%，新建站场无人值守率100%，老旧站场无人值守改造率近 95%，13座集气站实现无人值守，形成了适合该气田信息化建设的技术标准。实践成果鉴定了围绕生产一体化管控建设应用生态的数字化转型思路，实现“厂直管班组”的新型劳动组织模式，推动企业数字化转型，探索两化深度融合，提高了劳动效率和生产时率，确保气田安全生产保障能力，对气田智能化建设具有一定的借鉴和参考意义。其中，ProMACE[3]油气田生产一体化管控软件发挥了举足轻重的作用，它利用数字孪生技术实现油气田井、站的数字化与通信、网络的可视化感知，将油气田全部井场、集气站、处理站的无人值守及集中管控变成现实，实时掌控现场维护作业人员和应急指挥资源，支撑远程操作和监控决策中心。

以下重点介绍ProMACE油气田生产一体化管控软件，并阐述在该气田的应用实践与成效。

1 油气田企业数字化管理目标

智能化油气田建设的重要目标之一是物联网[4-11]，实现信息物理系统CPS(cyber-physical systems)，即工业互联网的核心技术体系。该气田开展智能化建设是在数字油田的基础上，围绕上游的油藏、井、管网、设备设施等核心资产，借助信息技术提升整个管理水平，实现整个管理的自动化、远程化、流程化、智能化。全面辅助资产管理和效益优化，建立全面感知、集成协同、预警预测、分析优化四项能力，助力高效勘探、效益开发，达到资产价值最大化。

2 ProMACE油气田生产一体化管控软件的研发

2.1 云平台

基于先进云生态系统的流程制造平台ProMACE (process manufacturing advanced cloud ecosystem)，通过建设基本组件构建该气田云平台，对各类业务应用进行有效的支撑。该平台可实现异构资源的整合调度；面向服务组件打造统一的能力开放中心，对上层的服务、模块、接口、应用实现能力封装，并向下连接基础层的存储、网络与计算资源，起到承上启下的支持作用；在充分借鉴该公司已有云技术和应用的前提下[12-15]，建设云平台提供各类技术服务域： 应用接入域、统一交付域、统一运营域、技术服务域、业务服务域和数据服务域。

各个服务域都是一组功能组件的集成。技术服务域、统一交付域、统一运营域为整个平台提供技术支撑能力，对外提供平台的软件开发能力、运维能力、基础技术能力等；业务服务域和数据服务域是平台的业务数据核心能力中心，对外提供业务数据共享服务能力，并对该气田平台上未来所有应用发挥支撑作用；应用接入域是整个气田生态圈建设的核心，通过API引擎和APP商店实现对整个生态圈体系的支持。通过建设信息云平台中各类技术服务域等的核心能力，实现该气田云平台开放及可扩展的基础服务能力，为未来实现气田云生态圈奠定坚实基础。ProMACE油气田生产一体化管控软件总体功能架构如图1所示。

图1 ProMACE油气田生产一体化管控软件总体功能架构示意

2.2 基于工业互联网平台的研发与服务

工业互联网平台包括网络、平台、安全三部分。平台是工业全要素链接的枢纽，也是工业资源配置的核心，平台下连设备、上连应用，通过海量数据汇聚、建模分析与应用开发，推动制造工艺和工业生产流程的标准化、软件化、模块化与服务化，支撑工业生产方式、商业模式创新和资源高效配置，是构建制造业新生态体系的核心。

国际上领先的工业互联网平台有美国GE的Predix平台、德国西门子的MindSphere平台和国内的石化盈科ProMACE平台、航天云网INDICS平台等。GE和西门子基于自有设备开发了工业互联网平台，实现设备连接、数据采集、数据分析、设备健康及可靠性管理，从服务于自身向服务于行业渗透；航天云网依托于中国航天科工集团，打造平台的资源配置优化能力，服务于装备、模具、家具、电子、汽车等制造行业和领域；石化盈科专注于能源化工行业，打造以物理信息系统为核心的工业互联网平台ProMACE，提供设备接入、边缘计算、实时优化、工业AI等工业引擎和工业服务。ProMACE平台体系架构如图2所示。

图2 ProMACE平台体系架构示意

从工业SaaS，PaaS，云架构部署方式以及案例等方面对比可见，石化工业互联网平台ProMACE的特点和优势在于以下几个方面： 面向流程工业深耕细作，有行业领域知识的沉淀和积累；提供的工业PaaS服务能力和工业SaaS能力针对性强，覆盖能源化工全产业链；云架构部署方式灵活，适合于中国国情，容易“落地”；承担国家标准编制，引领和规范智能工厂和平台健康发展；在理论、技术和实践方面的成功经验均很丰富。

2.3 油气田生产一体化管控软件功能设计

油气田生产一体化管控软件业务应用主要分为4个模块，共计20余个功能，智能化应用功能架构如图3所示。

图3 智能化应用功能架构示意

2.3.1 一体化生产管控

基于实时数据库，围绕采气生产从生产计划、生产运行、生产分析、生产研究等业务流程，开发数字化、流程化的应用功能。在生产基层岗位全面应用，进而实现生产动态的全面掌握，以及生产运行的协同管理。

2.3.2 气田装置智能监测

基于气田生产装置的动设备运行的动态数据，建立设备模型，开发部署全方位监视设备实时/历史运行状态，统计分析启停记录、参数越限记录，再现异常时间段的生产过程及相关参数越限趋势等功能。

气田装置智能检测功能主要包含： 实时监视，生产报表，报警统计与分析(实时报警、报警明细、报警统计、越限统计、报警原因维护)，设备状态监测(设备状态监视、启停查询、启停统计)，测点管理(测点查询、历史查询、条件查询、测点收藏)，趋势分析。

通过实时数据和安防监控数据的自动采集，可满足气田生产运行动态与安环风险的远程管控的需要，大幅减少基层人员去井场的频次，每年可节约人工成本约235万元人民币、直接成本(车辆使用费、燃料费、资料整理费等)近100万元人民币。

2.3.3 HSSE管控

健康、安全、安保和环境(HSSE)管控功能包括HSSE体系、风险分级动态管控、生产运行过程管控、承包商施工过程安全管控、环境敏感因素识别与分析等模块，实现以风险分级、环境敏感因素分析为核心的安全环保管理体系。

2.3.4 安防综合管理

基于安防网络，集成现场视频、周界防御、语音、门禁等安防子系统数据，进行数据采集、联动处理和综合监视管理。建立以“生产风险”为核心，识别企业生产过程风险、管理风险，建立企业安全管理标准，排查与治理隐患，消除作业和生产风险，提升本质安全。

HSSE管控和安防综合管理的信息化，为打造安全、环保的油气田提供了支撑。

3 应用效果

3.1 气田经营经济效益显著提升

通过生产信息化建设，减少了基层人员大量的人工统计工作，优化了业务流程。通过生产物联网的建设，信息平台实现了对现场的实时监控，目前已累积实现13个集气站的无人值守，节约用工50余人，为公司节约人力成本约人民币828万元/年，减少关于生活配套设施类直接投资资金人民币550万元。另外，在效益分析的基础上，完善公司核算体系，实现“单元成本核算、单井成本评估”，建立有效的成本控制体系，从而达到增效的目的。

3.2 信息化引领生产组织模式管理的变革

生产过程信息化建设实现了对井站生产运行各流程节点的实时监控，以及单井工况、集气站工艺等关键参数的实时监测、趋势分析、预警报警，支持气田井场、集气站的无人值守及集中管控的管理模式。技术的进步打破了传统的管理区理念，实行“中心控制室-巡检班”运行的内操、外操生产组织模式，单井由人工巡井变为在线检测，站内巡检由每小时一次改为每天一次，大幅提高劳动生产效率，提质降本。

3.3 降低了劳动强度并提高了劳动效率

通过SCADA，DCS，PLC等自动化系统的部署，实现远程监控装置，省时省力；智能间开系统和远程自动加药系统，自动控制生产，提高了生产时率；智能气田项目利用实时数据库，自动采集生产数据及生成报表，把管理区技术人员花费2～3 h收集、分析、整理生产数据的时间减少到1 h之内，而且快速、准确。石油工程管控系统远程监督生产现场，避免舟车劳顿且效率倍增。通过安装HART协议卡，实现对仪器仪表及设备自身状态的感知，使定期检查维护设备变为实时在线检测，预防性维护减少的维护成本十分可观。

3.4 深挖数据，助力主营业务

电泵单井监控系统综合电泵井生产特点实现远程实时数据采集、传输、管理，支持自动监测、实时分析、实时调控和决策等业务。通过数据分析，构建工况诊断模型，探索地下、井筒、地面一体化，稳产增效，实现井筒地面一体化；智能化生产管控以油压、套压、流量、温度为基础参数，综合井生产数据、井斜、气藏物性以及管线运行等数据，采用神经网络模拟，构建生产状况智能分析模型，实现井筒积液、水淹等多种异常工况诊断，并自动调节针阀实现生产自动化。

3.5 信息化助力本质安全

智能气田安防系统模块与HSSE管理相结合，用开放式架构和先进的系统集成技术，集成了视频监控、周界防护、语音对讲、智能门禁、烟雾火气报警等子系统，进行数据采集、联动处理和综合监视管理，实现安防系统内各系统之间的信息交换及联动控制，确保井、站场生产过程的安全可控。

4 结束语

信息工程是企业发展的卓越之翼，掌握油气行业信息化发展的最新趋势，将信息化作为企业可持续高质量发展的核心动能，持续提升油气生产精细化管控能力，打造一流智慧油气田，是油气田生产企业的重要建设内容。基于ProMACE的油气田生产一体化管控软件的成功应用是油气田信息化建设的开端，仍需在以下三方面继续开展研究和应用：

1)实现产学研全业务链管理，提升信息化覆盖范围和管控能力。在提升原有业务管理系统的基础上，规划建设决策分析、协同研究、工程项目管理等信息系统，提升信息化覆盖范围和管控能力，提高公司整体管理水平。

2)建设企业级集成应用平台，提高数据共享和业务协同能力。开展企业级信息化架构设计，建设统一的数据中心和技术平台，从根本上消除信息孤岛和管理壁垒，实现信息系统“标准统一，数据唯一，业务协同，数据共享”，提高系统应用水平。

3)加强信息化基础设施建设，提升自动化采集、预警和监控能力。加强单井、场站、管线等生产现场网络及采集、监控设备的配备，满足数据自动采集、问题预警和远程监控需要，提高气田生产自动化水平。