油田地面系統數字化建設虛擬技術應用

李興國 闞寶春 李佶曄 印重 顧行崛

1大慶油田有限責任公司第六采油廠

2中國石油華北油田公司第四采油廠

大慶喇嘛甸油田正積極推近油田數字化建設，為數字油田發展為智能油田最終建成智慧油田奠定基礎。喇嘛甸油田位于大慶長垣最北端，目前已進入“雙特高”開發階段，是典型老區整裝油田。油田近40 年的開發建設，先后經歷了層系調整、全面轉抽、穩油控水、注聚開采及三次采油等開發階段。油田經過多期開發建設，油井加密，地面設施擴大，建成了包括集輸、污水、注水、配制、注入、供配電、排水及道路等龐大的地面設施，井站管網密度加大，地面設施交錯縱橫，各系統生產場景交互聯系，生產管理點多，信息數據龐大，數字化建設難度較大[1]。地面系統實施分層、分系統的數字化建設，投資大、建設周期長，難以滿足油田進行數字化管理的迫切需求，同時分散的系統改造難以建立起地上、地下及地面系統間的有效關聯，以及油田數字化的全方位管理。因此在數字化建設整體規劃階段，需首先建立起與生產場景完全相符合、能夠真實反映地面系統全部工藝環節、地面和地下設施之間相關聯，對油田進行全面管理的數字化虛擬場景[2]，通過各生產工藝環節和設施的矢量化、圖形化、虛擬數字化建設場景對地面系統進行數字化管理，實現數字化建設的頂層設計，為開展數字化建設奠定堅實基礎。

1 數字化虛擬場景建立

數字化虛擬場景要真實反映油田數字化管理狀態，必須以圖型、數據矢量化為基礎，通過油田地形地貌、井網、站庫、管網等全系統的準確測繪及建模，建立起集圖形、數據于一體的地面系統數字化管理體系[3]。地面系統生產場景較多，設施錯綜復雜，要真實模擬生產狀態極為困難，因此虛擬場景需要結合以下思路開展建設。

1.1 以油井矢量化為中心的一體化管理體系

油井是地面、采油及油藏的三大系統中心環節，其中油井分布圖形、坐標及相關參數，是采油工藝、油藏工藝確定采油方式，進行井網布局及調整開發的重要依據。因此要實現地上、地下一體化管理，必須首先建立起油井的虛擬場景。為滿足地面、采油及油藏三位一體的管理需求，油井的虛擬化需要油井地形、井位及生產數據的真實描述。

為建立油井的地形、地貌虛擬場景，通過應用無人機航拍技術和Skyline Terra Builder 影像處理技術，構建了喇嘛甸油田全區域三維地形地貌矢量圖，實現全廠范圍定位測量[4]。通過建立喇嘛甸油田GPS 測繪控制網，為航拍測量、勘察測繪提供控制坐標，形成了以C 級控制點為中心，全區域大環均勻分布、局部區域小環均勻分布的合理布局，為航拍測量、勘察測量提供了準確依據。三維地形地貌圖形建設包括無人機航拍提取數字地面模型DTM（Digital Terrain Model）和影像處理兩方面內容。通過提取帶有空間位置特征和地形屬性特征的數字地面模型DTM，生成帶有公里格網、圖廓整飾和注記的數字正射影像DOM（Digital Orthophoto Map）單元，最終建立了MPT 格式的喇嘛甸油田三維地形地貌矢量圖背景（圖1）。

圖1 全區域地形地貌矢量圖的建立Fig.1 Terrain and geomorphological vector map establishment of the whole region

油井生產數據關聯中石油油氣水井生產數據管理系統（A2）、地理信息系統（A4）、采油與地面工程運行管理系統（A5）等生產數據，地面系統動靜態數據全覆蓋，匯集多家權屬單位數據，打破信息孤島，實現信息共享，使各單位之間的業務配合緊密無縫，實現地面工程生產、管理數據的統一，為管理決策提供了數據支持。

1.2 地面系統全區域三維可視化

原油生產過程從油井采出經集輸管網進入站庫進行處理，再輔以供配電、道路設施等構成了地面系統的主體網絡，要模擬復雜的地面系統，建立起地面系統的關聯，首先應建立起站庫、管道、供配電及道路等主體網絡的虛擬場景，再輔助其他設施，才能實現地面系統全區域管理[5]。主體網絡的虛擬化場景采用圖型與數據的交互模式。

（1）建立全比例三維站庫工藝模型。采用激光掃描三維建模和3D MAX 建模相結合的方式，以現場工藝和設計圖紙為依據，建設全比例三維站間工藝模型和設備內部結構，實現生產運行可視化管理。首先，采集三維點云數據。利用激光相位掃描儀，通過合理設置掃描站點、掃描路徑、掃描參數，獲取原始點云數據。利用激光相位掃描儀內置集成同步相機獲取物體表面高清紋理信息。然后通過點云拼接、去噪、賦色、紋理處理完成原始點云優化拼接，利用Kubit Point Cloud 和3D Max 模型編輯軟件完成三維仿真模型建設。

三維激光掃描點云拼接是應用Faro SCENE 點云數據處理軟件，根據已設置的掃描參數，將原始三維點云數據進行自動拼接，將集成相機拍攝的場景紋理信息與黑白點云匹配，生成具有真實色彩信息的點云數據。將拼接優化后的三維激光點云數據導出，應用Kubit Point Cloud 和3D Max 三維模型編輯軟件進行修整，完成站間三維模型建設（圖2）。

圖2 站庫三維圖形建模過程Fig.2 3D graphic modeling process of station

通過建設站庫全比例三維工藝，實現了站庫可視化管理，使地面三維工藝和生產動靜態信息同步展示，為油田生產在三維可視化基礎上實現集中監控提供了技術平臺。

（2）建立地上、地下設施信息矢量圖。對地面設備、設施進行探測及測繪，建立地面集輸、天然氣、污水、注水、配注、供配電、給排水及道路全部8 個專業系統矢量圖，在平面和空間上實現精確定位管理。一是埋地管線探測。在喇嘛甸油田地面系統技術管理平臺建設中，采用了準確性較高的電磁探測法，開展2GPS-RTK 測繪，通過建模軟件繪制二維、三維系統矢量圖[6]。二是測繪建模。根據管道探測點及電網、排水渠、道路的特征點，應用GPS 測繪技術，采集地面設備空間位置信息，應用Arc Map 建模技術，建設了管道、電網、水渠及道路等專業的二維、三維系統矢量圖。通過二維、三維系統矢量圖建設，實現了站、間、井、管網及電網等地面設施精確定位，改變了“示意圖”的管理模式。

2 數字化管理平臺開發

數字管理平臺以建立虛擬場景為基礎，通過油田三維系統圖、樹狀網頁運行視窗、統一數據處理平臺，實現了地面系統生產管理信息化[7]。平臺采用數據、服務、邏輯及應用四層設計，包括數據信息提取、服務邏輯統計梳理，通過二維、三維系統實現功能展示。其中二維地圖、三維地圖、數據綜合應用及三維模型共享服務是功能實現的核心。一是充分利用測繪成果數據的空間拓撲關系。以地圖數據為載體，深挖地面系統的應用功能，建立了空間目標實體點、線、面之間的鄰接，關聯和包含關系，即空間拓撲關系，使之成為數據處理和空間分析的基本原則和法則。根據拓撲關系，不需要利用坐標或距離，可以確定一種空間實體相對于另一種空間實體的位置關系，有利于空間要素的查詢。二是應用空間拓撲關系開發專項功能。以空間拓撲關系為索引，開發管網查詢統計、產量查詢統計、埋地管道穿孔分析及供配電網斷電分析等應用功能。三是建立規范的數據流程體系。通過研究地面系統實體對象與生產運行環節之間的關系，進行數據信息關聯，建立了含數據預處理、數據規約、數據清理、數據轉換、數據存儲等一整套地面數據管理流程體系。

通過平臺設計實現以下功能：

（1）以油井數據為中心，多系統數據相結合，實現數據的統一。生產管理過程中，綜合應用各平臺數據，當信息節點數據發生變化，都可以及時發現產生的影響，從而做出及時有效的調整。如供電系統中線路發生故障后，可對下游供電設備影響范圍、產量影響作出統計；管道發生穿孔后，對下游油水井影響、上游站庫影響都可做出快速統計。

（2）二維、三維相結合，改變了傳統管理模式。通過建立地面系統集輸、天然氣、污水、注水、配注、供配電、道路及給排水8 個專業二維、三維系統矢量圖，建立站、間、井、管網及電網等地面設施的精準圖文信息，將動靜態生產數據、二維線劃圖、三維場景相結合，實現了油田實體在虛擬世界的展現，為實現油田智能化管理奠定了基礎。全比例的三維站庫模型為油田生產管理提供了虛擬場景，拓展傳統二維平面的管理方式，以真實的狀態來模擬現場及生產運行狀況，通過平臺真實模擬規劃、改造、管理等相關過程，為油田未來實現自動控制打下基礎。

3 數字化管理平臺應用

（1）全比例三維站庫工藝為集中監控、無人值守提供了技術平臺。喇嘛甸油田數字化建設實施分層級、分系統的數字化改造[8]。其中聯合站、污水站及配制站等大型站場按照多崗合并、集中監控的建設思路，進行站場集中監控改造設計，通過設置中心控制室，整個站場的生產過程在中心控制室進行集中監控，值班人員采用定期巡檢的方式對生產崗位的生產設施進行例行檢查。實現大型站場內所有工藝生產過程參數的自動采集及控制功能，實現大型站場集中監控、少人值守建設模式。轉油站、注入站等中型站場按照區域巡檢、無人或少人值守模式進行改造，除增設必要的數據采集及參數控制外，為保證站庫運行安全，需增加重要節點的遠程控制，確保在中心控制室進行緊急突發處理。單井及小型站場按照區域巡檢、無人值守模式進行改造。目前，喇北東塊兩崗以上已實施4 座站庫的合崗設計、集中監控，區域內喇十七污水、注水站、配制站及周邊注入站實現無人值守，節省改造投資7 191 萬元，節約生產運行成本1 175 萬元，核減崗位定員95 人。

（2）利用三維地形地貌矢量圖升級改造油田道路。利用喇嘛甸油田地面系統技術管理平臺道路查詢統計功能，對全廠油田專用公路、井排路、進站路等破損情況進行分類統計（圖3），經現場調查核實，2016—2018 年共安排改造道路73.8 km。其中砂石路升級改造39.9 km，瀝青路大修33.9 km，改善了喇嘛甸油田的道路環境，為雨季油田井下作業及原油生產提供了便利的交通條件。

圖3 二維道路線劃圖及二維地形地貌矢量圖Fig.3 2D road line drawing and 2D topographic and geomorphic vector map

（3）利用地面設施精確定位功能檢測、更換失效管線。對管線穿孔情況進行定位查詢統計，利用系統預警提示功能，對全廠埋地管道失效情況進行分類，對失效嚴重及單條管線穿孔達到10 次以上的管道，通過檢測及現場核實后，進行修復更換。自2016 年統計分析穿孔37 787 次，檢測管道防腐層742 km，更換失效管道658 km，有效降低了管道失效風險。通過穿孔失效分析統計功能，對管道穿孔失效重點腐蝕區域實施區域陰極保護，應用自動調控技術，實現了自動采集數據、自動調控功能[9]。建設了喇700 站等區域陰極保護站，保護轉油站、計量間共計371 km 管線，控制了埋地管道的腐蝕速率，保證了埋地管道安全平穩運行。

（4）利用斷電分析、產量分析功能優化調整電力線路。應用斷電分析功能（圖4）可快速查詢線路優化施工中受影響站、間、井信息，查詢線路負荷，為規劃、設計提供依據；應用區域產量分析功能（圖5）計算出在改造過程中因線路優化調整影響的產量，從而合理安排施工進度，保障對產量影響最小[10]。綜合利用兩種功能，優化調整供配電線路11.6 km；線路優化運行加裝聯絡開關19 座；安裝高、低壓計量監測等，實現年節電262×104kWh。2016—2018 年累計節電786×104kWh，節約成本500.7 萬元。

圖4 斷電分析功能快速查詢產量影響情況Fig.4 Quickly query of production impact by power failure analysis function

圖5 區域產量分析功能快速查詢站庫影響區域情況Fig.5 Quick query of station affected area by regional output analysis function

4 結束語

（1）為加快油田數字化管理進程，地面系統的數字化建設應結合虛擬場景技術，模擬真實的數字化管理狀態，為油田數字化建設進行頂層設計，為后續逐步實施數字化建設奠定基礎。

（2）為解決地面系統設施龐大、系統管理復雜的問題，數字化虛擬場景的建立應以油井矢量化為中心，建立地上、地上系統縱橫向聯系，以系統主體網絡為骨干，建立起地面系統全區域三維可視化管理模式。

（3）結合虛擬場景的建立，開發數字化管理平臺，以真實的狀態來模擬現場及生產運行狀況，通過平臺進行真實模擬規劃、改造、管理等相關過程，為油田未來實現自動控制打下基礎。