智能化—世界油气工业发展大趋势：作者：杨金华 邱茂鑫 郝宏娜 赵 旭 郭晓霞
中国石油集团经济技术研究院
以互联网为核心的新一轮科技和产业革命蓄势待发，人工智能将给人们的生产方式和生活方式带来革命性变化。世界油气工业的发展同样要走智能化之路，这既是油气技术发展规律使然，又是油气工业开发难采油气资源和应对低油价之所需。为把握行业未来发展方向，通过分析世界油气工业向智能化发展背景，智能油田、智能钻井、智能管道、智能炼厂的最新进展，展望世界油气工业向智能化发展的前景，以期对业界提供参考。
1 世界油气工业向智能化发展
1.1 自动化、信息化水平不断提升
在世界油气技术发展历程中，不同时期都出现了一些里程碑式的重大技术成果，如20 世纪80 年代的电驱动钻机，90 年代的自动化钻机、油藏数值模拟、旋转导向钻井、MWD/LWD，21 世纪之初出现的3D 成像、虚拟现实、智能完井、数字油田、数字化管道、数字化炼厂等，逐步将世界油气工业的自动化、信息化水平推向了新的阶段（图1）。
1.2 自动化、信息化推动降本增效
工业自动化、信息化给人类所带来的经济效益、社会效益早已为世人所知悉，石油领域也概莫能外。这里举一实例，2015 年美国CONSOL 能源公司在Marcellus 页岩气区一个井场用工厂化作业方式钻了8口水平井。该区页岩储层薄，厚度不足1.5m，且呈上倾走向，造斜段造斜率高，水平段长，钻井难度很大。通过应用自动化钻机、高造斜率旋转导向钻井系统、PDC 钻头、随钻储层导向和远程专家决策支持中心、工厂化作业等措施，钻井提速非常明显，多井实现三开一趟钻（斜井段+ 水平段），钻得最快的两口水平井，水平段日进尺分别达到1613.3m 和1774.2m。一趟钻完成的进尺最多达4597.6m。尽管页岩储层薄，这些井仍然获得了100% 或接近100% 的储层钻遇率。
低油价持续低位运行，如何降低难采油气资源开发高成本，最终实现经济开采，通过技术创新实现技术升级换代是必然选择。
2 世界油气工业智能化发展状况
当前，世界油气工业的智能化总体还处于探索起步阶段，未来的研发方向和重点是智能油田、智能钻井、智能管道、智能炼厂。
2.1 智能油田
随着技术进步，油气田开发已进入数字油田阶段，应用领域不断扩大，技术持续发展，并向着智能油田方向迈进（图2）。
从已有的统计数据来看，数字油田的应用通常可以使产量提高2% ～ 8%，使采收率提高2 ～ 6 个百分点，同时还可以有效减少资本支出，降低运营成本。数字油田可以在增储上产、降本增效方面发挥重要作用。
2.2 智能钻井
在钻井领域，自动化钻机、 MWD/LWD、自动垂直钻井、旋转导向钻井、自动控压钻井、智能钻杆、远程专家决策支持中心等具里程碑意义的重大技术装备的出现，标志着钻井已进入自动化钻井完善阶段（图3），钻井自动化、信息化水平大幅提升，提速降本效果显著。自动化钻井已成为当今钻井的核心技术和核心竞争力。
从钻井前沿技术、重点攻关技术和超前储备技术来看，人工智能逐渐引入钻井工程，钻井智能化方面的研究不断深入，推动了钻井逐渐向智能钻井方向迈进（表1）。
国外正在研制一种机器人钻井系统，配备智能钻台机器人、智能排管机器人等智能化设备，可取代钻台工人和井架工（图4）。智能机器人钻井系统将成为未来智能钻机的核心。未来智能钻机有望具备连续起下钻、连续循环、连续送钻、连续下套管等功能（图5）。
国外还在研制电动智能连续管钻井系统（图6），通过智能连续管向井下供电，驱动井下电动智能导向钻井系统，具备连续起下钻和连续循环功能，同时实现数据的高速、大容量、双向传输。电动智能连续管钻井系统将会成为实现未来智能钻井的另一个重要途径。
2.3 智能油气管道
随着信息技术的发展，油气管道已经进入数字化管道阶段，相关技术日趋成熟。在大数据、云计算、物联网等新一代信息技术的推动下，油气管道开始向智能化方向发展（图7）。
所谓智能管道，是以管道本体及周边环境的全生命周期数据为基础，将物联网、云计算、大数据分析、自动化与智能控制等技术与管道本体高度集成形成的管道管控一体化系统。智能管道具有四大特点，即可观测、可控制、可自适应和综合优化平衡；四大技术关键点是大数据、大管网、地上地下一体和智能感知。
全球首个智能管道解决方案已获成功应用。2014年，通用电气和埃森哲公司联合推出全球首个“智能管道解决方案”。该方案可帮助管道运营商全面了解管道的安全性和资产完整性状况，从而做出更为科学的决策。2015 年，哥伦比亚管道集团在总计24140km的州际管道上应用了此解决方案。
2.4 智能炼厂
随着技术的进步，炼油行业已步入高效优化阶段，但仍面临诸多挑战。为了突破管理瓶颈，促进提质增效、转型升级与内涵发展，利用新一代信息技术构建智能炼厂成为炼油行业一个重要的发展趋势（图8）。
所谓智能炼厂，就是指在数字化炼厂的基础上，利用物联网、大数据、云计算等新一代信息技术和设备监控技术，加强信息管理和服务，全面准确地掌握产销流程，提高生产过程的可控性，减少生产线上人工干预，及时准确地采集生产线的各类数据，支持炼油全过程实现本质安全、本质环保。
智能炼厂拥有五大关键技术，即自动化、数字化、可视化、模型化、集成化技术。智能炼厂建设范围涉及生产管控、供应链管理、设备管理、能源管理、HSE管理、辅助决策6 个核心业务领域。通过智能炼厂建设，推动生产方式和管控模式变革，提高安全环保、节能减排、降本增效水平，提升劳动效率和生产效益，促进绿色低碳发展。通过开展试点建设，现已初步形成了智能炼厂的基本框架，并取得初步成效：（1）先进控制投用率提高10%，达90% 以上；（2）生产数据自动采集率提高10%，达95% 以上；（3）劳动生产率提高10% 以上；（4）重点环境排放点实现100% 实时监控、分析及预警。
3 世界油气工业智能化前景展望
展望未来，在大数据、云计算、物联网、虚拟现实、自动控制、人工智能、量子计算和量子通信等高新技术的推动下，世界油气工业的自动化、信息化、智能化水平将会越来越高。预计2020—2030 年，油气管道、炼油、油气田开发、钻井等油气行业将陆续进入智能化时代。智能化将成为未来油气工业持续提质降本增效的有效途径、必由之路，增加公司核心竞争力。
3.1 提质
3.1.1 智能化将大幅提升油气技术和运营水平
未来智能油田将以统一的数据智能分析控制平台为中心，无论固定资产、移动设备还是工作人员，都将成为数据的收集者和接受者，并直接同控制中心建立联系（图9）。智能控制中心可以结合人工智能、大数据、云计算等技术，通过分析海量数据，实时地在全资产范围内完成资源的合理调配、生产优化运行、故障判断、风险预警等，最终实现全部油田资产的智能化开发运营。智能油田的监测范围不断扩大，由近井地带深入到油藏内部；决策分析过程更加可视化和智能化；模型计算能力不断增强，有效解决复杂条件下油藏生产优化问题；自动化水平大幅提升。预计到2025 年油气田开发进入智能油田阶段。
预计到2030 年，钻井将进入智能钻井新时代，实现全自动钻井，一些关键作业将实现远程操控。智能钻井通过现场智能控制平台（“大脑”）将地面智能化和井下智能化组成一个有机的整体，实现现场闭环控制；再通过新一代互联网或物联网，将现场智能钻井与远程实时智能控制中心（主控“大脑”）构成一个大的有机整体，实现现场+ 远程的大闭环控制（图10）。智能钻井必然成为未来钻井的核心技术和核心竞争力，只有掌握智能钻井才能赢得未来。
预计到2020 年以后，智能管道和智能炼厂将得到推广应用。智能管道包括设计、运行管理、安全管理等油气管输全流程智能化。智能炼厂，则是在生产管控方面实现在线优化，提升资源优化和调度指挥水平；在现场操作方面实现自动化、移动化协同操作管理，提高生产质量和效率；在决策指挥方面实现综合信息可视化，大幅提高动态分析与辅助决策能力。
3.1.2 智能化将进一步提升质量和劳动生产率
具体来说，智能油田将更好地实现井位和井网的优化设计，提高油田监控精度和质量；智能钻井将进一步提高三维井轨轨迹的控制精度和储层钻遇率，准确钻达甜点，提高井身质量；智能管道进一步改善管道全生命周期的质量管理；智能炼厂将进一步改善炼厂全流程的质量管理，提升油品质量。
智能化能减少现场人员，适量增加远程监控人员，从而减少用工总人数，进一步提高劳动生产率。
3.1.3 智能化将实现本质安全和本质环保
智能油田通过远程监控实现现场无人化，提高油田运营安全性。智能钻井用智能机器人代替部分操作人员，显著提升钻井人员安全性。应用集成智能控压钻井系统可减少井下复杂情况，提高井筒完整性和井的安全性。智能管道将大幅度降低管道事故率，有效提升管道安全运营水平。智能炼厂将大幅度减少操作
人员，实现炼油全过程的本质安全、本质环保。
3.2 降本
油田、钻井、管道、炼油领域的智能化将会明显降低成本，现以智能钻井为例说明其实现途径。
（1）显著提高机械钻速。到2030 年，智能钻井有望提高平均机械钻速1.5 倍以上。
（2）“一趟钻”成为常态，井身结构明显简化，平均单井钻头用量和起下钻时间大幅减少。页岩油气长水平段水平井的井身结构将简化为两开，将普遍实现二开一趟钻或两趟钻。
（3）大幅减少非生产时间。未来钻井工艺、钻井作业模式更加经济高效，智能钻井配备智能井控及控压钻井系统、钻井事故人工智能预警及处理系统，有望大幅减少井下复杂情况和钻井事故的发生几率。
（4）大幅缩短钻井周期。因钻井效率提高、井身结构简化、非生产时间减少，未来智能钻井必将大幅度缩短钻井周期。以美国页岩油气水平井钻井为例，预计到2030 年，垂深3000m、水平段长度为5000 ～ 10000m的超长水平段水平井的平均单井钻头用量有望减少到1.3 ～ 2.3 只，平均钻井周期有望缩减至4 ～ 7d。
（5）大幅降低钻井成本。预计到2030 年智能钻井有望将单位进尺钻井成本降低一半以上，油气开发成本明显降低，即使届时国际油价持续低迷，大部分油气项目依然可以实现经济高效开发。同样以美国页岩油气为例，预计到2030 年，垂深3000m、水平段长度5000 ～ 10000m 的水平井平均单井钻井成本有望降至150 万～ 250 万美元。
3.3 增效
智能油田将显著提高油气产量和采收率，部分油田的采收率有望提高到55% 以上；智能钻井通过三维井眼轨迹准确钻达甜点，提高储层钻遇率，助力提高油气产量和采收率；智能管道将显著提高管道运营效率；智能炼厂将大幅提升炼厂综合效益。
4 结束语
通过以上分析，可以得出以下几点认识：
（1）智能化成为世界科技发展的大趋势，同样是未来世界油气工业发展的大趋势。
（2）智能化是世界油气工业持续提质降本增效的有效途径和必由之路。
（3）当前，世界油气工业的智能化总体还处于探索起步阶段，未来的研发方向和重点是智能油田、智能钻井、智能管道、智能炼厂。
（4）展望未来，在高新技术的推动下，世界油气工业的自动化、信息化、智能化水平将越来越高。预计2020—2030 年，油气管道、炼油、油气田开发、钻井等行业将陆续进入智能化时代。
（本文来源：石油科技论坛 2016年第6期）
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