智能化油氣田建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)與前景

1、技術(shù)】智能化油氣田建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)與前景文/賈愛林郭建林，中國石油勘探開發(fā)研究院引言隨著油氣田開發(fā)難度不斷增加，原有的以專業(yè)劃分為特點(diǎn)的油氣田開發(fā)已經(jīng)不能完全適應(yīng)新形勢的要求，需要有新的方案來解決油氣田的勘探、評價、開發(fā)、調(diào)整和管理問題。基于最近幾年技術(shù)水平的不斷提高和油氣井的數(shù)字化工作，殼牌公司提出了智能化油氣田（）這一概念并建立了一批智能化油氣田，取得了一定效果。本文介紹智能化油氣田的主要特征、發(fā)展趨勢、解決方案及建設(shè)要點(diǎn)，分析國內(nèi)外智能化油氣田技術(shù)差異，以期促進(jìn)中國智能化油氣田建設(shè)。1智能化油氣田及其特點(diǎn)1.1智能化油氣田的概念與內(nèi)涵智能化油氣田是指油氣田勘探開發(fā)進(jìn)入數(shù)字時代，通過不斷實(shí)施最

2、優(yōu)化措施，在油氣田勘探、評價、開發(fā)、調(diào)整與管理等工作的全過程中追求產(chǎn)量、最終采收率和效益的最大化。智能化油氣田實(shí)施主要包括實(shí)時監(jiān)測、模型建立、決策與實(shí)施3個環(huán)節(jié)。智能化油氣田實(shí)施過程中重視數(shù)字化資料實(shí)時采集，充分利用網(wǎng)絡(luò)和計算機(jī)技術(shù)將其集成在模型中，依靠專家系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)和智慧“及時”做出科學(xué)決策，研發(fā)選用新的、適用的經(jīng)濟(jì)技術(shù)措施，并將此過程貫穿油氣田開發(fā)生命周期，進(jìn)行“持續(xù)”最優(yōu)化。1.2智能化油氣田起源與意義借鑒航天航空、汽車工業(yè)生產(chǎn)管理與運(yùn)行系統(tǒng)的工作原理，殼牌公司管理層最早提出了智能化油氣田的理念，其運(yùn)行方式類似現(xiàn)代汽車的發(fā)動機(jī)：整個發(fā)動機(jī)是一個封閉系統(tǒng)，大量的傳感器與一個計算機(jī)診斷系統(tǒng)相

3、連，計算機(jī)系統(tǒng)通過傳感器接收數(shù)據(jù)模擬發(fā)動機(jī)運(yùn)行，并根據(jù)模型即時給出最優(yōu)化調(diào)整，汽車或者汽車工程師則相應(yīng)自動作出調(diào)整；通過這種方式，可以大大提高燃料的有效性。在上述理念指導(dǎo)下，殼牌公司實(shí)施了智能化油氣田。首先，智能化油氣田是殼牌公司適應(yīng)日益復(fù)雜的油氣田地質(zhì)條件和國際社會新變化的需要。隨著優(yōu)質(zhì)油氣田開發(fā)殆盡，開發(fā)對象越來越復(fù)雜，各種類型復(fù)雜油氣田開發(fā)難度更大、技術(shù)要求更高；同時其面臨的國際形勢也在不斷變化，如國際社會和環(huán)境保護(hù)要求減少燃燒和排放，油田勘探開發(fā)合作對象全球化、多元化，對油氣田開發(fā)的遠(yuǎn)程化、全球化管理等等。其次，建設(shè)智能化油氣田是提高項目效益、實(shí)現(xiàn)不同項目價值最大化的需要。通過實(shí)施智能

4、化油氣田，可以有效降低新項目風(fēng)險、解決老油氣田資料管理不完善等問題，確保實(shí)現(xiàn)油氣田全生命周期價值的最大化。另外，科技進(jìn)步日新月異，在數(shù)據(jù)采集、傳輸與集成，工具設(shè)備和計算機(jī)軟、硬件環(huán)境等方面技術(shù)進(jìn)步的共同推動下，智能化油氣田是發(fā)展的必然，是加強(qiáng)油氣田勘探開發(fā)全過程一體化生產(chǎn)管理的需要。油氣田勘探開發(fā)涉及多個方面，需要各個方面協(xié)同作業(yè)，包括生產(chǎn)管理措施、技術(shù)方案、各類人員、技能和工具、組織機(jī)構(gòu)等一體化運(yùn)作，才能確保項目效益最大化。整體上，實(shí)施智能化油氣田管理，預(yù)計可以使傳統(tǒng)油氣田最終采收率提高8%，采油速度提高10%。1.3智能化油氣田的主要特征智能化油氣田的主要特征可以概括為“時效+協(xié)同+持續(xù)”

5、，即第一時間做出方案和決策、多專業(yè)部門協(xié)同工作、閉環(huán)式（封閉系統(tǒng)、鏈環(huán)互動）循環(huán)往復(fù)持續(xù)優(yōu)化。智能化油氣田具備以下3個主要特征。首先是時效性。時效性是指實(shí)時監(jiān)測所有生產(chǎn)動態(tài)并將其體現(xiàn)到模型中，始終為決策者提供最新的動態(tài)模型，優(yōu)化、決策與實(shí)施都是在第一時間作出反應(yīng)，同步進(jìn)行。根據(jù)不同項目在各階段的不同需求，模型數(shù)據(jù)群可按秒、分、時獲取高頻實(shí)時數(shù)據(jù)；同時為油田綜合管理建立全油氣田的流動模型，獲取的數(shù)據(jù)可以按天、月以至整個油田生命期來計。其次是一體化協(xié)同。智能化油氣田注重的是整個系統(tǒng)的一體化協(xié)同運(yùn)作，在技術(shù)上采用的是實(shí)時遠(yuǎn)程控制、實(shí)時數(shù)據(jù)共享，實(shí)時調(diào)整運(yùn)行與實(shí)時決策修正；在管理上實(shí)施的是閉環(huán)式管理，

6、價值鏈環(huán)中各個環(huán)節(jié)緊密結(jié)合，即勘探、開發(fā)、管理全過程的所有人員形成一個緊密協(xié)同的項目組，而不是分隔式的專業(yè)管理。第三是持續(xù)性。智能化油氣田3個重點(diǎn)環(huán)節(jié)（實(shí)時監(jiān)測、模型建立、決策與實(shí)施）形成整體價值鏈環(huán)，貫穿油氣田開發(fā)整個生命周期，持續(xù)進(jìn)行最優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量、采收率和整體效益的最大化。智能化油氣田的實(shí)施是一個不間斷循環(huán)式過程（見圖1）。從一個油氣田的發(fā)現(xiàn)開始就實(shí)施智能化，通過各種途徑獲取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行解釋分析，建立基本模型，開展風(fēng)險評估，提出解決方案和決策建議，通過資產(chǎn)的整體評估后執(zhí)行方案。執(zhí)行的過程中，要開展整個油氣田的實(shí)時動態(tài)監(jiān)測，任何監(jiān)測數(shù)據(jù)都要實(shí)時傳輸?shù)接嬎銠C(jī)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，系統(tǒng)會根據(jù)動態(tài)數(shù)

7、據(jù)修改調(diào)整模型，提出具體的改進(jìn)優(yōu)化措施，從而實(shí)現(xiàn)油氣田開發(fā)效益的最大化。圖1智能化油氣田實(shí)施流程示意圖2智能化油氣田發(fā)展趨勢與解決方案2.1智能化油氣田發(fā)展趨勢智能化油氣田始于2000年前后的四維地震和智能井等單一技術(shù)，歷經(jīng)封閉式協(xié)同作業(yè)環(huán)境鏈環(huán)管理（2005年）、油藏監(jiān)測（單井優(yōu)化生產(chǎn)優(yōu)化油氣藏優(yōu)化資產(chǎn)整體優(yōu)化）等階段，目前由于光纜技術(shù)和納米技術(shù)（2010年）的應(yīng)用，更加注重項目的協(xié)同運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)式油氣藏管理。從早期智能化油氣田概念的提出，到目前世界上多家公司、研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)（、斯坦福大學(xué)等）都認(rèn)可并參與智能化油氣田項目，智能化油氣田將會取得更大的發(fā)展。展望未來，今天的智能化，明天將常規(guī)化

8、，而新技術(shù)始終是支撐智能化油氣田不斷向前發(fā)展的基礎(chǔ)和動力。目前國外石油公司正在著手研發(fā)光纜監(jiān)測技術(shù)，通過集成光纜傳感器實(shí)現(xiàn)井與油藏實(shí)時監(jiān)測，可同時監(jiān)測溫度、壓力、應(yīng)力、聲波、流量、化學(xué)組分等多方面動態(tài)，使決策模型更科學(xué)可靠。2.2智能化油氣田解決方案智能化油氣田管理方案中特別強(qiáng)調(diào)價值鏈環(huán)（），各個價值鏈環(huán)的實(shí)現(xiàn)需有不同的關(guān)鍵技術(shù)，通過不同時間尺度、不同層次的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)油氣田一體化實(shí)時管理，最終達(dá)到油氣田產(chǎn)量、最終采收率與效益的最大化。具體來說，主要包括單井、生產(chǎn)、油氣藏以及資產(chǎn)整體優(yōu)化4個方面。單井優(yōu)化主要是通過智能井實(shí)時收集井下與井場多參數(shù)資料，對以井為單元的生產(chǎn)設(shè)施進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和作業(yè)，實(shí)現(xiàn)

9、所有流程自動化，達(dá)到設(shè)施監(jiān)控、生產(chǎn)制度優(yōu)化以及管線優(yōu)化等目的。該過程強(qiáng)調(diào)的時間尺度是即時的，從1s到1d,該層次優(yōu)化強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)是實(shí)時與準(zhǔn)確6-8生產(chǎn)優(yōu)化主要是實(shí)現(xiàn)整個生產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化，包括井流入曲線分析、實(shí)施增產(chǎn)措施、短期生產(chǎn)預(yù)測、水化物/結(jié)垢分析等，通過集中監(jiān)控，使每口井達(dá)到最佳工作狀態(tài)，達(dá)到整個生產(chǎn)系統(tǒng)的最優(yōu)化。該過程時間尺度從1d到3，該層次優(yōu)化強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)是系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與優(yōu)化。油氣藏優(yōu)化主要是利用實(shí)時動靜態(tài)數(shù)據(jù)修正、集成油藏模型,通過井與油藏管理，實(shí)現(xiàn)油藏認(rèn)識的準(zhǔn)確化與油氣田開發(fā)的最優(yōu)化。具體包括不同井不同層產(chǎn)量的配分、油氣藏驅(qū)動方式的管理、長期和短期生產(chǎn)目標(biāo)的平衡、實(shí)現(xiàn)采收率最大化技術(shù)的優(yōu)

10、選、長期生產(chǎn)預(yù)測以及區(qū)域監(jiān)測等等。該過程時間尺度從3到2a該層次的優(yōu)化強(qiáng)調(diào)油氣藏模型的動態(tài)化與生產(chǎn)制度的科學(xué)化。資產(chǎn)整體優(yōu)化則主要是通過多專業(yè)協(xié)同工作，達(dá)到油氣田采收率與資產(chǎn)效益最大化。具體做法是不斷優(yōu)化以提高采收率為目的的油氣田開發(fā)方案，包括生產(chǎn)上的加密調(diào)整、剖面調(diào)整、注采系統(tǒng)優(yōu)化，未來的滾動擴(kuò)邊開發(fā)方案、以效益最大化為目的的產(chǎn)量調(diào)整、新技術(shù)應(yīng)用、生產(chǎn)設(shè)施升級等等。3智能化油氣田建設(shè)要點(diǎn)3.1智能化油氣田的途徑和目的智能化油氣田的整個價值鏈環(huán)包括實(shí)時監(jiān)測、模型建立以及決策與實(shí)施等多個方面，這些過程的優(yōu)化強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的“智能化”。與傳統(tǒng)技術(shù)不同的是，這些系統(tǒng)資料的集成與嵌入、模型的修改與完善以及決

11、策建議等都由系統(tǒng)自動優(yōu)化完成，這些“智能化”過程的最終目的只有一個，就是油氣田的高效開發(fā)，以達(dá)到資產(chǎn)整體效益的最大化。3.2智能化油氣田的核心、基礎(chǔ)與關(guān)鍵智能化油氣田的核心是基于模型系統(tǒng)的最優(yōu)化，而數(shù)據(jù)是智能化油氣田的基礎(chǔ)與關(guān)鍵。目前的油藏模型多是基于某一特定時間建立的，而智能化油氣田的計算機(jī)模型是基于油田實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)過程而建立與實(shí)時修改的，該模型包括全油藏的方方面面,具備處理多信息不確定性能力和即時更新調(diào)整能力，并實(shí)時更新優(yōu)化油氣田生產(chǎn)指標(biāo)等。數(shù)據(jù)是建模的基礎(chǔ)，不同來源的數(shù)據(jù)都會用于油藏模型，包括通過傳感器、測井儀器以及井下和地面其他各種測量工具獲取的實(shí)時數(shù)據(jù)。智能化油氣田計算機(jī)模型是隨時改

12、進(jìn)的，通過實(shí)際數(shù)據(jù)與預(yù)期數(shù)據(jù)的對比，持續(xù)更新模型。因此，由不同手段獲得的即時數(shù)據(jù)是智能化油氣田最重要的參數(shù)，直接影響模型的準(zhǔn)確程度?；谥悄芑蜌馓镘浖脚_系統(tǒng)，工程師們可以修改模型的特定參數(shù)，隨時快速準(zhǔn)確預(yù)測單井、油氣田和生產(chǎn)系統(tǒng)的變化，通過調(diào)整某些參數(shù)（如井的產(chǎn)量）達(dá)到?jīng)Q策層想要得到的結(jié)果，而以往這一過程需要幾周甚至更長的時間。3.3智能化油氣田決策的本質(zhì)科學(xué)決策基于模型，而實(shí)際操作中可能會出現(xiàn)技術(shù)人員與模型的不統(tǒng)一，對一個經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員而言，決定權(quán)最終在人而不是模型。但是，計算機(jī)模型會要求技術(shù)人員解釋與它作出不一致決策的原因，并將其考慮到模型中，今后如遇到類似情況，模型記憶功能會提醒

13、技術(shù)人員。因此，對技術(shù)人員而言，需要對整個系統(tǒng)有基本的理解，并對不同專業(yè)領(lǐng)域有必要的了解，才能真正做到科學(xué)決策、避免決策的隨意性。智能化油氣田決策的本質(zhì)是基于模型的決策。3.4智能化油氣田的配套支撐建設(shè)智能化油氣田需要不同行業(yè)、不同專業(yè)的公司共同參與，單一的油公司或油公司目前所具備的專業(yè)與能力很難完成，需要有專業(yè)的行業(yè)和自動化企業(yè)共同參與。如專業(yè)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、無線光纜傳輸與接收系統(tǒng)以及模型自更新等系列軟件都需要專業(yè)的團(tuán)隊實(shí)現(xiàn)，油公司的任務(wù)是掌握油氣田內(nèi)在的生產(chǎn)規(guī)律，而其他合作伙伴的主要任務(wù)是確保數(shù)據(jù)采集、傳輸、集成設(shè)備以及軟件、系統(tǒng)的正常工作。4國內(nèi)外智能化油氣田技術(shù)對比智能化

14、油氣田的提出僅有10余年的時間，國外目前仍然處于智能化的早期，從國外幾個比較成功的實(shí)例來看，單個層面的智能化已經(jīng)達(dá)到一定的水平，系統(tǒng)的整體集成與智能化仍處于持續(xù)推進(jìn)與整合之中，但智能化理念已經(jīng)深入到從管理層到作業(yè)者的各個層面。縱觀中國在該領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，雖然沒有明確提出智能化油氣田的建設(shè)問題，但在生產(chǎn)管理的各個環(huán)節(jié)都做了大量具體工作，如數(shù)字化油藏描述、鉆井實(shí)時分析、隨鉆測井、生產(chǎn)數(shù)據(jù)即時傳輸以及數(shù)字化油氣田管理等，只是沒有開展智能化油氣田整體建設(shè)，沒有形成有效的系統(tǒng)及軟件將各個環(huán)節(jié)綜合起來協(xié)同運(yùn)作，整體性與完整性不夠。與國外主要差異表現(xiàn)在以下幾個方面。4.1油氣田勘探開發(fā)運(yùn)作模式與管理理念的差

15、異國外油公司的智能化油氣田方案按照項目運(yùn)作、資產(chǎn)管理模式管理一個油氣田的勘探開發(fā)全過程，在其整個價值鏈環(huán)中甚至沒有油氣田專業(yè)的概念，只有現(xiàn)實(shí)物質(zhì)資產(chǎn)（）油氣開發(fā)就是資產(chǎn)的一個持續(xù)優(yōu)化過程，油公司的任務(wù)是使資產(chǎn)效益最大化。而國內(nèi)采用專業(yè)管理模式，油氣藏開發(fā)分階段進(jìn)行，各個專業(yè)明確界定職責(zé)與業(yè)務(wù)，不同專業(yè)界面的整體性與鏈條模式尚需優(yōu)化。4.2技術(shù)手段和研究團(tuán)隊的差異國外大的油公司擁有油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域先進(jìn)的技術(shù)手段和工具，按照其智能化油氣田方案，至少具備智能井、先進(jìn)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、全自動監(jiān)測儀、無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)一體化模型、協(xié)同作業(yè)中心等先進(jìn)的軟硬件系統(tǒng)。另外在其合作研究團(tuán)隊中，除了油氣

16、業(yè)務(wù)領(lǐng)域的研究人員外，還有、自動化等領(lǐng)域的技術(shù)人才，目前正斥巨資研發(fā)無線光纜監(jiān)測技術(shù)。中國目前在專業(yè)技術(shù)手段上與國外差異比較大，特別是測井技術(shù)、地球物理、鉆完井工藝、數(shù)據(jù)采集與集成以及新技術(shù)的研發(fā)等。4.3決策時效性的差異從智能化油氣田生產(chǎn)與決策來看，時效性始終占有非常重要的地位。殼牌計劃用5-10a的時間，通過智能化油氣田方案，每天24h遙控并優(yōu)化全球油氣資產(chǎn)，按照資產(chǎn)的重要性進(jìn)行排序，集中其全球人才與技術(shù)優(yōu)勢優(yōu)先解決重要資產(chǎn)存在的問題。中國目前尚未建立重要性排序體系，全公司人才調(diào)配的靈活性不夠。4.4不同專業(yè)人員職責(zé)的差異國外油公司在人才管理方面實(shí)施專業(yè)人才分級制度，不同級別的專業(yè)人才解決

17、不同層次的專業(yè)技術(shù)難題；管理人員的職責(zé)是有效組織與管理不同專業(yè)的人員，不具體參與技術(shù)研發(fā)。而目前國內(nèi)管理人員與技術(shù)人員沒有很好的界定，同時在技術(shù)人員的管理上也沒有明確的分級制度。4.5開發(fā)對象的差異從開發(fā)對象來看，國外大的油公司油氣田自身條件好，大多屬于中高產(chǎn)油氣田；中國油氣田整體條件較差，大多屬于中低產(chǎn)油氣田。因此國外大的油公司油氣田高產(chǎn)帶來的高收益為智能化油田管理提供了成本優(yōu)勢。而中國近幾年發(fā)現(xiàn)的新油氣田類型復(fù)雜、開發(fā)效益比較差，實(shí)施智能化管理初期，必然會帶來成本的進(jìn)一步上升。5實(shí)例殼牌公司在智能化油氣田建設(shè)上處于國際領(lǐng)先地位，在全球共有59個智能化油氣田，經(jīng)濟(jì)收益已達(dá)50X108美元。下

18、面是殼牌實(shí)施智能化油氣田的3個典型實(shí)例，涵蓋了海上與陸上、油與氣、全面智能化與簡單智能化等幾種類型，具有代表性。英國的尼爾森（）油氣田于1994年投產(chǎn)，位于近海大陸架，目前處于開發(fā)中后期。該油氣田目前主要面臨工作效率低和海量數(shù)據(jù)管理、產(chǎn)量過低和過早衰竭、生產(chǎn)設(shè)施故障導(dǎo)致停產(chǎn)以及氣舉效果需要優(yōu)化等方面的問題。通過對該油氣田實(shí)施智能化，將試井?dāng)?shù)據(jù)采集、生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)測、動態(tài)配產(chǎn)、模型修正等工作在軟件平臺上集成，實(shí)施“動態(tài)優(yōu)化”；通過總部辦公室遠(yuǎn)程指揮海上平臺現(xiàn)場作業(yè)，提高決策效率；通過多專業(yè)協(xié)同工作，縮短了停產(chǎn)時間、提高了生產(chǎn)能力和整體效率，降低了作業(yè)成本；另外氣舉優(yōu)化由原來約每月1次、每次耗時45的優(yōu)化過程改進(jìn)為實(shí)時的氣舉優(yōu)化、每次優(yōu)化只需2。目前該油氣田原油產(chǎn)量4500m3、天然氣產(chǎn)量3X106m3。荷蘭的格羅寧根（）氣田于1963年投產(chǎn)，原始地質(zhì)儲量29000X108m3，累產(chǎn)氣達(dá)17700X108m3，氣田擁有29個生產(chǎn)井組、300口產(chǎn)氣井，現(xiàn)生產(chǎn)能力約3.3X108m3；建有2個地下儲氣庫，夏季儲存周邊小氣田產(chǎn)出的氣，冬季調(diào)峰，補(bǔ)償格羅寧根產(chǎn)量的不足。氣田主要面臨3個方面的問題：氣井受到最高產(chǎn)能限制，需要改善細(xì)化動態(tài)模型；確保氣田采收率最大化；確保長期可靠正常運(yùn)行。該氣田智能化對策是實(shí)施全自動生產(chǎn)管理系統(tǒng)，多點(diǎn)