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引言：中海石油（中國）有限公司天津分公司（以下簡稱中海油天津分公司）主要負責渤海油田油氣勘探、開發(fā)和生產管理業(yè)務，是中國海上最大的油氣生產企業(yè)，承擔著原油保障和環(huán)渤海地區(qū)天然氣供應的重要任務。渤海油田始于1965年，是中國海洋石油工業(yè)發(fā)源地，經歷半個世紀艱苦創(chuàng)業(yè)和四十多年改革開放，渤海油田堅持自營與合作兩條腿走路，勘探開發(fā)生產碩果累累，2010年油氣當量上產3000萬噸并持續(xù)穩(wěn)產達12年。2021年原油產量超3000萬噸，成功建成我國第一大原油生產基地。2022年，渤海油田將始終以習近平新時代中國特色社會主義思想為指導，深入貫徹落實習近平總書記重要批示指示精神，圍繞“原油上產4000萬噸，坐穩(wěn)國內第一大原油生產基地”戰(zhàn)略目標接續(xù)奮斗、勇毅前行，為中國海油建設中國特色國際一流能源公司再立新功。

項目

概況

1. 項目背景

低油價和環(huán)境約束成為新常態(tài)，油氣行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)日趨嚴峻，提質降本增效遭遇瓶頸。物聯(lián)網、云計算、大數(shù)據和人工智能為代表的數(shù)字技術為企業(yè)發(fā)展帶來新機遇，是企業(yè)高質量發(fā)展的重要引擎和構建創(chuàng)新驅動發(fā)展格局的有力抓手。中國海油緊緊圍繞黨中央國務院關于發(fā)展數(shù)字經濟決策部署要求，定向聚力、謀篇布局，積極踐行中國海油“1534”總體發(fā)展思路和創(chuàng)新驅動戰(zhàn)略，于2020年在渤海油田啟動智能油田試點建設，探索海上油田智能化發(fā)展新路徑，助力國家智慧能源新基建戰(zhàn)略在中國海油落地生根。

2. 項目簡介

渤海智能油田試點建設項目，遵循中國海油數(shù)字化轉型頂層設計和智能油田總體規(guī)劃，構建端、邊、云模式下的數(shù)據采集、傳輸與匯聚管理平臺，研究物聯(lián)網、云計算、大數(shù)據和人工智能等數(shù)字技術與油氣田核心業(yè)務深度融合與創(chuàng)新應用，實現(xiàn)對油田生產現(xiàn)場的實時監(jiān)測、遠程操控、預警診斷和主動優(yōu)化。

智能油田愿景

項目目標

通過提高海上平臺的生產監(jiān)測和優(yōu)化控制能力，對開發(fā)生產全過程進行實時監(jiān)測、預警診斷、主動優(yōu)化、遠程操控、協(xié)同運營和輔助決策，實現(xiàn)一體化智能管控。油田運營由目標導向、分工合作的方式向數(shù)字化驅動、智能化協(xié)同的一體化方式轉變，創(chuàng)建“智能、安全、高效”的新型海上油氣開采運營模式。

二、項目實施概況

項目總體架構

和

主要

內容

基于渤海智能油田試點建設項目搭建的工業(yè)互聯(lián)網平臺，是多人協(xié)作的平臺，用于幫助開發(fā)者提升數(shù)據價值，實現(xiàn)數(shù)據驅動的業(yè)務創(chuàng)新。依托海油生產云平臺，擴展邊緣微云，通過邊緣計算、虛擬化、容器化、AI、IoT、微服務、數(shù)字孿生等技術，構建海量實時數(shù)據采、存、管、用、算的端+邊+云應用高效協(xié)同架構，以分析和預測為核心，內置了百余種數(shù)據挖掘算法，立足推動企業(yè)“上云用數(shù)賦智”行動。以“工業(yè)互聯(lián)+端、邊、云協(xié)同”藍圖為指導，以業(yè)務互聯(lián)為基礎，基于“智能終端+工業(yè)互聯(lián)+云服務”創(chuàng)新模式，為“智能、安全、高效”的新型海上油氣開采運營模式提供技術支撐。  

工業(yè)互聯(lián)網平臺總體架構

1）端側現(xiàn)場物聯(lián)網泛在感知建設

（1）利用海底光纜搭建海上油田群光纖環(huán)路，并通過陸地省際專線接入企業(yè)信息中心，為海量數(shù)據入湖和云邊高效協(xié)同構建高安全、高可靠、低時延的信息高速公路。

（2）利用 WiFi6、5G 等通訊技術和工業(yè)網絡設備，實現(xiàn)生產現(xiàn)場無線網絡覆蓋、關鍵區(qū)域網絡接入，打通感知設備接入的物聯(lián)網神經末梢。

（3）研究、應用多協(xié)議接入技術實現(xiàn)新老系統(tǒng)快速連接和數(shù)據匯聚，并結合業(yè)務需求新增感知設備，實現(xiàn)油田現(xiàn)場人員狀態(tài)、設備狀態(tài)、平臺及周邊環(huán)境、生產流程等 19 類數(shù)據采集匯聚，為安全管控、故障預警、診斷分析、效果評估等提供數(shù)據支撐。

2）邊側邊緣微云建設

（1）建立海上平臺多協(xié)議數(shù)據采集標準

結合各源頭的數(shù)據定義、數(shù)據標識、業(yè)務規(guī)則、安全權限、采集頻率以及數(shù)據之間依賴關系，建立滿足多協(xié)議的數(shù)據采集標準，增強業(yè)務與技術對數(shù)據定義和使用的一致性，利于提高數(shù)據質量、促進系統(tǒng)集成和信息資源共享。

（2）研究適用于多類型工業(yè)系統(tǒng)的數(shù)據采集和遠傳技術

數(shù)據采集和遠傳技術架構

數(shù)據采集研究

研究通用協(xié)議（ONVIF、MQTT、ModbusTCP、OPC-UA/DA、TCP 等）接入和轉換技術，開發(fā)并在邊緣微云以容器化方式部署相關服務（數(shù)據采集、數(shù)據甄別、數(shù)據質量監(jiān)測、數(shù)據清洗等服務），實現(xiàn)現(xiàn)場新老設備泛協(xié)議接入和數(shù)據處理。

數(shù)據傳輸研究

重點研究高并發(fā)數(shù)據傳輸及斷點續(xù)傳的方法。根據網絡請求并發(fā)量動態(tài)分配計算和存儲資源；通過消息隊列對上傳數(shù)據進行緩存，削峰填谷，提升高并發(fā)場景下數(shù)據傳輸穩(wěn)定性。

（3）研究低延時高頻實時數(shù)據匯集及數(shù)據服務

數(shù)據匯集架構

數(shù)據匯聚研究

結合不同的采集頻率和采集協(xié)議，建立云端數(shù)據匯集服務，支持配置數(shù)據清洗規(guī)則、數(shù)據去重、數(shù)據壓縮、自定義數(shù)據上報周期等，減輕對云平臺的壓力。

云端數(shù)據服務研究

研究實時數(shù)據庫 Kudu、非結構化數(shù)據庫 MinIO 的高并發(fā)交互服務，支持數(shù)據分表分區(qū)域存儲，結合大數(shù)據技術應用研究，提供 AI\BI 數(shù)據服務能力和效率。

（4）邊緣計算技術應用研究

結合邊緣層架構設計，搭建邊緣基礎層、邊緣數(shù)據層、邊緣處理層、邊緣服務層四層框架，滿足海上平臺多系統(tǒng)的實時數(shù)據接入、處理、傳輸和邊緣計算需求，以提高海上平臺監(jiān)控的及時性、準確性。

邊緣端總體架構

（5）建立適用于不同類型生產設施的基礎環(huán)境

結合海上平臺規(guī)模、終端系統(tǒng)復雜度、基礎環(huán)境（網絡、電源、機房）、運維和經濟適用性等多種因素，結合邊緣微云技術建立邊端運行環(huán)境硬件選型和配置指南，并以此為依據建立適用于不同類型生產設施的基礎環(huán)境。

（6）云邊協(xié)同技術應用研究

為實現(xiàn)陸地對海上遠程管理降低運維成本、提高管理效率，應用云邊協(xié)同技術實現(xiàn)接入的海量邊緣節(jié)點進行遠程配置，將模型和服務批量下發(fā)到邊緣節(jié)點，管理和調度容器資源使其高可用，實現(xiàn)服務協(xié)同、數(shù)據協(xié)同、網絡協(xié)同、應用協(xié)同的全生命周期管理。

云邊協(xié)同總體架構

3）云端生產云平臺

云端主要依托集團公司的云平臺，按照智能油田相關技術規(guī)范開發(fā)各類微服務，并集成云平臺上的基礎支持微服務部署，最終形成項目的應用功能。云端數(shù)據庫分為項目庫、MinIO分布式數(shù)據庫、Kudu分布式數(shù)據庫。嚴格遵循集團生產云的技術要求，集成成熟組件，構建生產云基礎環(huán)境。

云端總體架構

2. 網絡及網絡安全架構

網絡建設選取海上中心平臺與EPP、開關站關鍵節(jié)點構建兩個海陸光傳輸環(huán)（環(huán)帶鏈）， 采用雙發(fā)選收模式，形成網絡高可用性設計，有效建立智能油田的網絡基礎保障。

網絡總體架構

網絡安全防護按照等保2.0二級的要求，建立 “一個中心三層保護”的技術防控體系和一套完備的管理體系。

網絡安全架構

3. 具體應用場景和應用模式

基于工業(yè)互聯(lián)網平臺的海上智能安全管理系統(tǒng) 助力企業(yè)有效提升海上安全管理水平

將自主研發(fā)的國產化三維數(shù)字可視化引擎與人員定位技術深度融合，實時獲取人員健康數(shù)據和位置信息，應用AI視頻智能識別技術，實現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場在人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)、環(huán)境風險及管理上漏洞中10種場景的實時監(jiān)測，提前預警風險，防范事故發(fā)生。針對業(yè)務特性構建云端應用業(yè)務架構，具體架構圖如下：

安全管理業(yè)務應用架構

自2021年10月15日在渤海某油田兩個平臺應用以來已初見成效，部分效果如下：

案例1：實現(xiàn)全體員工的精準定位及健康監(jiān)測，使用至今實現(xiàn)1263人次的可記錄動態(tài)監(jiān)測數(shù)據。

案例2：2022年2月7日至2月20日，平臺電子工單審批共計165份，匹配作業(yè)智能監(jiān)控次數(shù)165次，實現(xiàn)平臺全作業(yè)工單的線上申請、審批、關閉，在節(jié)約成本的同時改變了人工簽發(fā)低效問題，作業(yè)智能監(jiān)控數(shù)據的100%完全匹配。

案例3：運用AI智能識別系統(tǒng)共實現(xiàn)有效報警識別59條，報警數(shù)量由原來的每周12次逐步降低至0次，大大提升現(xiàn)場作業(yè)人員的自我安全約束意識。

基于工業(yè)互聯(lián)網平臺的智能油藏注采管理系統(tǒng) 充分發(fā)揮油藏注采潛能

 綜合運用AI識別、機理分析、知識推理等綜合技術手段，及時發(fā)現(xiàn)油藏矛盾和潛力，推薦合理措施方案，讓油藏動態(tài)管理更精準、精細、高效，及時發(fā)現(xiàn)油水井工況異常問題、地面水系統(tǒng)的不平衡矛盾，推送處置方案及建議，保障生產的安全、平穩(wěn)、高效運行。針對業(yè)務特性構建云端應用業(yè)務架構，具體架構圖如下：

        油藏管理業(yè)務應用架構

         注采管理業(yè)務應用架構

自2021年09月10日在渤海某油田四個平臺應用以來已初見成效，部分效果如下:

案例1：油井動態(tài)分析模塊推薦J12H井具有換大泵提液措施潛力，預測日增油62.4方。J12H井完成換大泵后啟井生產，通過措施效果跟蹤J12H井截止目前平均日增油64.8方，累增油1814方，效果良好。

案例2：I24S1井注水量不達標，智能措施推薦酸化，措施前注入量3201m3/d，措施后增注3704m3/d，注水量達6905m3/d，推薦合理，措施有效。

案例3：電泵故障預測模塊產生報警，信息顯示H30H井電潛泵電機溫度高報(達到110℃)，得到報警信息后，陸地生產操控中心及時與海上生產人員溝通，通過平臺現(xiàn)場調節(jié)環(huán)空補水量，電機溫度逐漸下降至87℃，避免了電機燒毀。

基于工業(yè)互聯(lián)網平臺的智能設備管理系統(tǒng) 全面提高設備監(jiān)測能力

構建設備診斷及預測性維護模型，基于實時數(shù)據實現(xiàn)電氣設備、電力系統(tǒng)、中控健康、電網系統(tǒng)、智能儀表等5大類設備的運行狀態(tài)在線監(jiān)測、智能預警、綜合診斷評估、主動推薦維修策略，建立全生命周期健康管理，降低設備故障率和維修成本，提高設備可靠性。針對業(yè)務特性構建云端應用業(yè)務架構，具體架構圖如下：

設備管理業(yè)務應用架構

自2021年10月05日在渤海某油田四個平臺應用以來已初見成效，部分效果如下:

案例1：注水泵振動高值報警、工藝參數(shù)異常提示，截至目前10余次，其中一次2021年11月9日 08：56 振動加速度突然升高觸發(fā)預警，現(xiàn)場確認為CEPJ 4102G泵軸承缺陷并及時處理，避免了更大的設備故障和關停風險。

案例2：2022年2月9日，CEPI平臺利用中控健康管理系統(tǒng)報警，ESD003柜RSLS03卡件故障（卡件帶的是ESD和火氣的關鍵設備），及時對其進行更換。

三、下一步實施計劃

通過一年的調研和探索，工業(yè)互聯(lián)網平臺以安全管理智能化、油藏管理智能化、注采管理智能化、設備設施管理智能化四個重點方向進行產品研發(fā)及技術突破。以油氣行業(yè)高資產、高安全性、高穩(wěn)定性的特點為基礎，遵循中海油智能油田規(guī)劃總體計劃（近期：2020-2025年初步建成智能油田；中期：2026-2035年全面建成智能油田；遠期：2036-2050年建設智慧油田）以及新技術的創(chuàng)新和迭代，循序漸進開展工業(yè)互聯(lián)網平臺的推進工作，2022年計劃在渤海啟動11個設施的推廣應用工作。

四、項目創(chuàng)新點和實施效果

1. 項目先進性及創(chuàng)新點

1）項目先進性：

（1）技術方面的先進性

人工智能、邊緣計算、大數(shù)據等技術與油田業(yè)務機理模型的深入融合，為油田業(yè)務賦能，凸顯技術融合效應，實現(xiàn)1+1大于2。

（2）可復制推廣性

針對中國海油不同區(qū)域的海上油田，均具備相似的生產業(yè)務場景，同時在工業(yè)互聯(lián)網平臺建設過程中嚴格遵守海油生產云應用標準規(guī)范，確保建設成果符合海油技術要求，所以在考慮業(yè)務符合度與軟件技術統(tǒng)一性上，可將建設成果復用至其他海上油田區(qū)塊。

2）創(chuàng)新點：

（1）綜合應用協(xié)議轉換設備、研發(fā)多協(xié)議數(shù)據采集服務，以多源異構工業(yè)系統(tǒng)數(shù)據接入技術簡化生產現(xiàn)場數(shù)據采集復雜度。

（2）在海上平臺搭建邊緣微云，容器化部署邊緣應用（如：數(shù)據甄別、AI 視覺識別、設備健康監(jiān)測等算法模型），通過邊緣計算技術實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據的采集存儲、就地計算，減少對網絡傳輸?shù)膲毫驮贫速Y源的消耗、滿足實時業(yè)務的應用需求。

（3）建立統(tǒng)一的智能油田技術平臺，通過業(yè)務數(shù)字化實現(xiàn)業(yè)務經驗有效沉淀、數(shù)據資產逐步積累、算法模型快速迭代，有效提升企業(yè)數(shù)字化能力。

（4）在石油行業(yè)內首次融合應用工業(yè)物聯(lián)網和云計算技術，研究國產自研云邊協(xié)同軟件產品部署應用方法，實現(xiàn)算法模型、應用服務從云端到邊端的批量下發(fā)、運維管理，以及云端對邊端資源的科學調度。

（5）自研開發(fā)三維可視化引擎，接入實時數(shù)據，實現(xiàn)在三維模型中進行生產現(xiàn)場虛擬巡檢、吊裝區(qū)域風險管理、人員健康安全管理、圖紙資料聯(lián)動查詢等功能。

（6）應用數(shù)字化、智能化技術賦能傳統(tǒng)業(yè)務的同時，讓數(shù)字化轉型文化理念深入人心形成數(shù)字化轉型的動力源泉，將帶來業(yè)務轉變和管理模式變革，促進數(shù)字化轉型工作穩(wěn)步推進。

實施效果

（1）推進風險管控最優(yōu)

基于工業(yè)互聯(lián)網平臺，利用AI技術實現(xiàn)作業(yè)風險隱患識別及預警，機器人代替人工從事危險操作，無人機進行海管、海纜巡檢，可實現(xiàn)海上油田現(xiàn)場高效的安全環(huán)保管控，大幅降低安全事故率。

（2）推進業(yè)務智能敏捷

基于工業(yè)互聯(lián)網平臺，應用智能化設備實現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場全面監(jiān)控、智能巡檢、遠程控制，將大量人工分析轉變?yōu)樽詣臃治?/span>，可實現(xiàn)設備維修成本降低5%~10%。

（3）推進生產效益提升

本項目的實施將實現(xiàn)綜合減員10%~20%，預計每年可帶來1000~2000萬元的直接效益。

（4）推進數(shù)據互連互通

基于工業(yè)互聯(lián)網平臺，將各類傳感設備、無人機、機器人、PDA、定位手環(huán)等設備，通過邊緣計算建立支持多協(xié)議的實時數(shù)據通道，實現(xiàn)海上平臺設備與系統(tǒng)間的數(shù)據互聯(lián)、信息互通。