智能化—世界油氣工業發展大趨勢

來自專欄 油趣網

作者：楊金華　邱茂鑫　郝宏娜　趙　旭　郭曉霞

以互聯網為核心的新一輪科技和產業革命蓄勢待發，人工智慧將給人們的生產方式和生活方式帶來革命性變化。世界油氣工業的發展同樣要走智能化之路，這既是油氣技術發展規律使然，又是油氣工業開發難採油氣資源和應對低油價之所需。為把握行業未來發展方向，通過分析世界油氣工業向智能化發展背景，智能油田、智能鑽井、智能管道、智能煉廠的最新進展，展望世界油氣工業向智能化發展的前景，以期對業界提供參考。

1　世界油氣工業向智能化發展

1.1　自動化、信息化水平不斷提升

在世界油氣技術發展歷程中，不同時期都出現了一些里程碑式的重大技術成果，如20 世紀80 年代的電驅動鑽機，90 年代的自動化鑽機、油藏數值模擬、旋轉導向鑽井、MWD/LWD，21 世紀之初出現的3D 成像、虛擬現實、智能完井、數字油田、數字化管道、數字化煉廠等，逐步將世界油氣工業的自動化、信息化水平推向了新的階段（圖1）。

1.2　自動化、信息化推動降本增效

工業自動化、信息化給人類所帶來的經濟效益、社會效益早已為世人所知悉，石油領域也概莫能外。這裡舉一實例，2015 年美國CONSOL 能源公司在Marcellus 頁岩氣區一個井場用工廠化作業方式鑽了8口水平井。該區頁岩儲層薄，厚度不足1.5m，且呈上傾走向，造斜段造斜率高，水平段長，鑽井難度很大。通過應用自動化鑽機、高造斜率旋轉導向鑽井系統、PDC 鑽頭、隨鑽儲層導向和遠程專家決策支持中心、工廠化作業等措施，鑽井提速非常明顯，多井實現三開一趟鑽（斜井段+ 水平段），鑽得最快的兩口水平井，水平段日進尺分別達到1613.3m 和1774.2m。一趟鑽完成的進尺最多達4597.6m。儘管頁岩儲層薄，這些井仍然獲得了100% 或接近100% 的儲層鑽遇率。

低油價持續低位運行，如何降低難採油氣資源開發高成本，最終實現經濟開採，通過技術創新實現技術升級換代是必然選擇。

2　世界油氣工業智能化發展狀況

當前，世界油氣工業的智能化總體還處於探索起步階段，未來的研發方向和重點是智能油田、智能鑽井、智能管道、智能煉廠。

2.1　智能油田

隨著技術進步，油氣田開發已進入數字油田階段，應用領域不斷擴大，技術持續發展，並向著智能油田方向邁進（圖2）。

從已有的統計數據來看，數字油田的應用通常可以使產量提高2% ～ 8%，使採收率提高2 ～ 6 個百分點，同時還可以有效減少資本支出，降低運營成本。數字油田可以在增儲上產、降本增效方面發揮重要作用。

2.2　智能鑽井

在鑽井領域，自動化鑽機、 MWD/LWD、自動垂直鑽井、旋轉導向鑽井、自動控壓鑽井、智能鑽桿、遠程專家決策支持中心等具里程碑意義的重大技術裝備的出現，標誌著鑽井已進入自動化鑽井完善階段（圖3），鑽井自動化、信息化水平大幅提升，提速降本效果顯著。自動化鑽井已成為當今鑽井的核心技術和核心競爭力。

從鑽井前沿技術、重點攻關技術和超前儲備技術來看，人工智慧逐漸引入鑽井工程，鑽井智能化方面的研究不斷深入，推動了鑽井逐漸向智能鑽井方向邁進（表1）。

國外正在研製一種機器人鑽井系統，配備智能鑽台機器人、智能排管機器人等智能化設備，可取代鑽台工人和井架工（圖4）。智能機器人鑽井系統將成為未來智能鑽機的核心。未來智能鑽機有望具備連續起下鑽、連續循環、連續送鑽、連續下套管等功能（圖5）。

國外還在研製電動智能連續管鑽井系統（圖6），通過智能連續管向井下供電，驅動井下電動智能導向鑽井系統，具備連續起下鑽和連續循環功能，同時實現數據的高速、大容量、雙向傳輸。電動智能連續管鑽井系統將會成為實現未來智能鑽井的另一個重要途徑。

2.3　智能油氣管道

隨著信息技術的發展，油氣管道已經進入數字化管道階段，相關技術日趨成熟。在大數據、雲計算、物聯網等新一代信息技術的推動下，油氣管道開始向智能化方向發展（圖7）。

所謂智能管道，是以管道本體及周邊環境的全生命周期數據為基礎，將物聯網、雲計算、大數據分析、自動化與智能控制等技術與管道本體高度集成形成的管道管控一體化系統。智能管道具有四大特點，即可觀測、可控制、可自適應和綜合優化平衡；四大技術關鍵點是大數據、大管網、地上地下一體和智能感知。

全球首個智能管道解決方案已獲成功應用。2014年，通用電氣和埃森哲公司聯合推出全球首個「智能管道解決方案」。該方案可幫助管道運營商全面了解管道的安全性和資產完整性狀況，從而做出更為科學的決策。2015 年，哥倫比亞管道集團在總計24140km的州際管道上應用了此解決方案。

2.4　智能煉廠

隨著技術的進步，煉油行業已步入高效優化階段，但仍面臨諸多挑戰。為了突破管理瓶頸，促進提質增效、轉型升級與內涵發展，利用新一代信息技術構建智能煉廠成為煉油行業一個重要的發展趨勢（圖8）。

所謂智能煉廠，就是指在數字化煉廠的基礎上，利用物聯網、大數據、雲計算等新一代信息技術和設備監控技術，加強信息管理和服務，全面準確地掌握產銷流程，提高生產過程的可控性，減少生產線上人工干預，及時準確地採集生產線的各類數據，支持煉油全過程實現本質安全、本質環保。

智能煉廠擁有五大關鍵技術，即自動化、數字化、可視化、模型化、集成化技術。智能煉廠建設範圍涉及生產管控、供應鏈管理、設備管理、能源管理、HSE管理、輔助決策6 個核心業務領域。通過智能煉廠建設，推動生產方式和管控模式變革，提高安全環保、節能減排、降本增效水平，提升勞動效率和生產效益，促進綠色低碳發展。通過開展試點建設，現已初步形成了智能煉廠的基本框架，並取得初步成效：（1）先進控制投用率提高10%，達90% 以上；（2）生產數據自動採集率提高10%，達95% 以上；（3）勞動生產率提高10% 以上；（4）重點環境排放點實現100% 實時監控、分析及預警。

3　世界油氣工業智能化前景展望

展望未來，在大數據、雲計算、物聯網、虛擬現實、自動控制、人工智慧、量子計算和量子通信等高新技術的推動下，世界油氣工業的自動化、信息化、智能化水平將會越來越高。預計2020—2030 年，油氣管道、煉油、油氣田開發、鑽井等油氣行業將陸續進入智能化時代。智能化將成為未來油氣工業持續提質降本增效的有效途徑、必由之路，增加公司核心競爭力。

3.1　提質

3.1.1　智能化將大幅提升油氣技術和運營水平

未來智能油田將以統一的數據智能分析控制平台為中心，無論固定資產、移動設備還是工作人員，都將成為數據的收集者和接受者，並直接同控制中心建立聯繫（圖9）。智能控制中心可以結合人工智慧、大數據、雲計算等技術，通過分析海量數據，實時地在全資產範圍內完成資源的合理調配、生產優化運行、故障判斷、風險預警等，最終實現全部油田資產的智能化開發運營。智能油田的監測範圍不斷擴大，由近井地帶深入到油藏內部；決策分析過程更加可視化和智能化；模型計算能力不斷增強，有效解決複雜條件下油藏生產優化問題；自動化水平大幅提升。預計到2025 年油氣田開發進入智能油田階段。

預計到2030 年，鑽井將進入智能鑽井新時代，實現全自動鑽井，一些關鍵作業將實現遠程操控。智能鑽井通過現場智能控制平台（「大腦」）將地面智能化和井下智能化組成一個有機的整體，實現現場閉環控制；再通過新一代互聯網或物聯網，將現場智能鑽井與遠程實時智能控制中心（主控「大腦」）構成一個大的有機整體，實現現場+ 遠程的大閉環控制（圖10）。智能鑽井必然成為未來鑽井的核心技術和核心競爭力，只有掌握智能鑽井才能贏得未來。

預計到2020 年以後，智能管道和智能煉廠將得到推廣應用。智能管道包括設計、運行管理、安全管理等油氣管輸全流程智能化。智能煉廠，則是在生產管控方面實現在線優化，提升資源優化和調度指揮水平；在現場操作方面實現自動化、移動化協同操作管理，提高生產質量和效率；在決策指揮方面實現綜合信息可視化，大幅提高動態分析與輔助決策能力。

3.1.2　智能化將進一步提升質量和勞動生產率

具體來說，智能油田將更好地實現井位和井網的優化設計，提高油田監控精度和質量；智能鑽井將進一步提高三維井軌軌跡的控制精度和儲層鑽遇率，準確鑽達甜點，提高井身質量；智能管道進一步改善管道全生命周期的質量管理；智能煉廠將進一步改善煉廠全流程的質量管理，提升油品質量。

智能化能減少現場人員，適量增加遠程監控人員，從而減少用工總人數，進一步提高勞動生產率。

3.1.3　智能化將實現本質安全和本質環保

智能油田通過遠程監控實現現場無人化，提高油田運營安全性。智能鑽井用智能機器人代替部分操作人員，顯著提升鑽井人員安全性。應用集成智能控壓鑽井系統可減少井下複雜情況，提高井筒完整性和井的安全性。智能管道將大幅度降低管道事故率，有效提升管道安全運營水平。智能煉廠將大幅度減少操作

3.2　降本

油田、鑽井、管道、煉油領域的智能化將會明顯降低成本，現以智能鑽井為例說明其實現途徑。

（1）顯著提高機械鑽速。到2030 年，智能鑽井有望提高平均機械鑽速1.5 倍以上。

（2）「一趟鑽」成為常態，井身結構明顯簡化，平均單井鑽頭用量和起下鑽時間大幅減少。頁岩油氣長水平段水平井的井身結構將簡化為兩開，將普遍實現二開一趟鑽或兩趟鑽。

（3）大幅減少非生產時間。未來鑽井工藝、鑽井作業模式更加經濟高效，智能鑽井配備智能井控及控壓鑽井系統、鑽井事故人工智慧預警及處理系統，有望大幅減少井下複雜情況和鑽井事故的發生幾率。

（4）大幅縮短鑽井周期。因鑽井效率提高、井身結構簡化、非生產時間減少，未來智能鑽井必將大幅度縮短鑽井周期。以美國頁岩油氣水平井鑽井為例，預計到2030 年，垂深3000m、水平段長度為5000 ～ 10000m的超長水平段水平井的平均單井鑽頭用量有望減少到1.3 ～ 2.3 只，平均鑽井周期有望縮減至4 ～ 7d。

（5）大幅降低鑽井成本。預計到2030 年智能鑽井有望將單位進尺鑽井成本降低一半以上，油氣開發成本明顯降低，即使屆時國際油價持續低迷，大部分油氣項目依然可以實現經濟高效開發。同樣以美國頁岩油氣為例，預計到2030 年，垂深3000m、水平段長度5000 ～ 10000m 的水平井平均單井鑽井成本有望降至150 萬～ 250 萬美元。

3.3　增效

智能油田將顯著提高油氣產量和採收率，部分油田的採收率有望提高到55% 以上；智能鑽井通過三維井眼軌跡準確鑽達甜點，提高儲層鑽遇率，助力提高油氣產量和採收率；智能管道將顯著提高管道運營效率；智能煉廠將大幅提升煉廠綜合效益。

4　結束語

通過以上分析，可以得出以下幾點認識：

（1）智能化成為世界科技發展的大趨勢，同樣是未來世界油氣工業發展的大趨勢。

（2）智能化是世界油氣工業持續提質降本增效的有效途徑和必由之路。

（3）當前，世界油氣工業的智能化總體還處於探索起步階段，未來的研發方向和重點是智能油田、智能鑽井、智能管道、智能煉廠。

（4）展望未來，在高新技術的推動下，世界油氣工業的自動化、信息化、智能化水平將越來越高。預計2020—2030 年，油氣管道、煉油、油氣田開發、鑽井等行業將陸續進入智能化時代。

（本文來源：石油科技論壇 2016年第6期）

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