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| PetroPE：笑看油花烂漫时 |
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□ 师俊峰 张喜顺 张绍波
——中国石油勘探开发研究院PetroPE攻关纪实
把统建信息系统与油气井生产大数据分析平台无缝对接、构建起油气井在线智能优化和管控“大脑”，实现油气井无人值守、最优化运行和精细管理……近年来，一套被称为PetroPE智能版的软件平台应用于中国石油各大油气田数万口油气井，大幅提升了生产效率，产生了良好的经济效益和社会效益，好评如潮。
中国石油勘探开发研究院采油采气工程研究所根据中国石油“数字化转型智能化发展”的重大战略部署，针对油气田实际需求，历经10多年的艰苦攻关，开发出具有自主知识产权的PetroPE智能版软件平台，将智能优化决策算法推向油井生产一线。其中，基于电参数大数据分析的油井工况智能诊断和数字计产方法等核心技术领先世界水平。
转型智能势在必行
近年来，随着资源品质劣质化、开采对象复杂化、疫情防控常态化等多重挑战叠加，油气稳产上产与效益开发矛盾突出，但高质量发展是中国石油可持续发展的必由之路。中国石油油气井总数近28万口，年采油与作业成本占总操作成本的50%以上。因此，量大面广的油气井生产系统是油气田开发降本增效的重要对象。然而，油气井效益生产面临管理工作量巨大、管理层级多、效率低、投资成本高等巨大挑战，传统生产方式难以为继，创建油气井高效智能生产模式成为公司转型发展必然的战略选择。
面对严峻的油气生产现实，中国石油制定“数字化转型智能化发展”的发展战略。2007年，中国工程院院士袁士义率先提出研发具有完全自主知识产权的采油气井生产优化决策平台的设想。中国石油勘探开发研究院采油采气工程研究所成立项目组，与时俱进积极布局“物联网感知—大数据分析—智能化调控”三位一体的油气井智能生产模式，大力提升油气井数字化水平，谋求油气井生产系统向高效智能转型。
物联网和大数据驱动的油气井智能生产技术是突破传统技术局限的全新技术体系，如何深度挖掘利用大数据资产价值、大幅提升智能化水平面临诸多技术瓶颈，成为摆在项目组面前必须跨跃的难关。勘探院采油采气工程研究所所长师俊峰介绍:“复杂井筒条件下的三维动力学分析，传统方法无法解决；基于电参的油井工况诊断与数字计产是全新的技术领域；举升与排采方式选择传统靠经验或考虑因素少，油气井生产优化不及时、调整滞后……这些方法模型都需要我们去攻克。同时,缺乏融合物联网和大数据分析的油气井生产智能在线管控平台；油气井智能调控装备的核心控制板受制于人，引进产品成本高、投资大……这些软硬件产品需要我们去攻关。”
一道道难关没有难倒石油科技工作者，项目组发挥院内人才优势，根据需要积极吸纳专业人才，向油气井生产智能化研发开展了不懈的攻关。
广纳人才踔厉攻关
从2007年开始，勘探院采油采气工程研究所设立多层级重点攻关与开发试验项目。油气井生产优化技术、油气井工况诊断与数字计量技术和油气井智能生产软件硬件产品开发是攻关团队面前的3道难关。攻关团队广纳人才，集中兵力，重点攻关。
随着开发方式转变，油田斜井、定向井增多，井下杆管工作状况复杂，给油气井设计分析带来困难。有杆泵井杆管偏磨严重，65%的检泵原因由偏磨引起。国内外一些商业软件均采用一维、二维杆柱力学分析模型，难以解释杆管偏磨机理，急需深入研究井筒三维动力学模型。这成为采油工程领域世界性的难题。
2011年，项目组根据技术需要，引进了既懂石油工程专业知识、数学功底又好的复合型人才赵瑞东博士，成立了专门的攻关团队。研究所尽量不给团队安排事务性工作，保障他们一心一意进行技术攻关。攻关团队考虑三维井眼轨迹、流体—杆—管耦合作用，建立了复杂的井筒力学二阶三维线性偏微分方程；模型充分考虑到复杂井眼轨迹、多重材质组合、不同类型抽油机等问题，成功求得数值解；经过几万次的测试与完善，解决了十几个关键问题，开发形成了商业化的软件模块。经过不懈努力，攻关团队终于攻克了油井三维杆柱力学分析技术。
攻关团队面临的另一个难关就是基于电参的油井工况诊断与数字计产技术。我国油井量大面广、低产低效，降低物联网投资、提高智能化水平是精益生产的必然需求。目前，中国石油仅有40%多的油井实现了物联网覆盖，且多数以示功图建设模式为主。但是，示功图采集设备投资和维护成本高、数据易漂移失真。通过电参诊断油井工况并进行数字计产能够大幅降低采集设备投资和维护成本，是一种有效途径。传统数学物理方法探索了20多年，但现场实用性较差，是采油工程领域的又一个世界性难题。2015年，团队引进了张喜顺博士，与赵瑞东博士合力攻关。
团队制定了“数学物理模型+大数据分析”双驱动建模思路。借助大数据方法解决该技术难题，需要收集大量的样本数据、不断训练调整参数、现场测试完善模型。为了收集更多的准确样本数据，张喜顺带领团队人员多次到长庆、吉林、大庆、新疆等油田进行测试。经过2年的艰苦攻关，他们建立了25万条样本数据库，建立了电参大数据深度学习的油井工况智能诊断方法；基于不同工况的仿真和实测电参数据，发现了影响产量的电参特征分布规律，建立了电参特征—产量机器学习模型及数字计产方法，一举突破了基于电参数的抽油机井智能生产技术，电参工况诊断准确率达95%以上，数字计产平均误差小于11.8%，有效支撑了公司电参示范区全面取代示功仪、撤销计量间，为低成本物联网建设提供了核心技术支持。
海归孙艺真借鉴国外先进软件开发技术，加快云端管控平台的研发，实现了软件网络化、移动化、智能化的跨跃式发展。王才博士后将算法移植到核心芯片，研发了自主知识产权的油气井智能控制装置。
搭建云化的共享平台架构，采用微服务模式，开发了基于云端部署的具有自主知识产权的油气井生产智能优化与管控平台PetroPE，实现油气井实时优化设计、工况诊断、生产预警、数字计产、远程管控等功能；将智能算法植入油井前端核心板，研发了自采集—自分析—自调控一体化控制的闭环装置，实现智能生产、无人值守。
实现双赢前景广阔
PetroPE智能版软件平台，解决了油气井智能生产关键技术难题，构建了油气井在线智能优化和管控“大脑”，实现采集—优化—调控一体化的闭环管理。近3年，在油田投资大幅压缩的情况下，项目组与吉林、大庆、浙江、新疆、塔里木等油田相继签订横向技术服务合同10余个，得到各大油气田用户充分肯定与好评。
目前，PetroPE智能版软件平台已在长庆、吉林等8个油气田规模应用3.57万井次，增产油气当量18.5万吨，提高系统效率10%以上，油井工况诊断准确率95.0%以上，数字计产平均误差低于11.8%，取得直接经济效益10.82亿元。
PetroPE智能版软件平台的广泛应用也带来了良好的社会效益。不仅挖掘油气井产量潜力，为国内油气稳产上产发挥了作用，而且节能降耗效果明显，为减少二氧化碳排放和环境保护作出了贡献。同时，打造无人值守智能生产模式，颠覆传统生产方式，为推动油气井生产数字化转型智能化发展奠定基础。
良好的经济效益和社会效益，为PetroPE带来广阔的发展前景。师俊峰介绍：“按照规划，到2025年中国石油将有20多万口油气井实现数字化，预期本成果全部推广应用后仅节省油井物联网建设投资就高达30亿元以上。同时，在稳产提产、节支降费等方面年新增效益巨大。”
看那油花烂漫，仿佛是PetroPE科技人员欣慰的笑容……
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