数字化油气田精益生产研究

汤 林 班兴安 徐英俊 吴 浩 熊新强巴玺立 云 庆 苗新康 张 磊

1. 中国石油勘探与生产公司, 北京 100007;2. 中国石油规划总院, 北京 100083

0 前言

源于制造业的精益生产已在全球范围内得到广泛应用,体现了其科学性和先进性。国内中车集团、沈鼓集团等企业也先后开展了精益生产,取得了很好的效果。流程工业借鉴制造业由传统生产向精益生产转变已成为发展趋势。中国石油天然气集团公司提出了全面开展精益生产,转变传统生产和管理方式,致力打造低成本、高效率、高效益、绿色安全的一流企业。

1 精益生产的起源

精益生产是20世纪60年代由日本丰田汽车公司首创的一种先进的管理模式,其中“精”是精细、精准,“益”是不断优化和提高,追求效益最大化。精益生产的内涵是一种以最大限度地减少生产所占用的资源、降低企业管理和运营成本为主要目标的生产方式[1-2]。其实质是通过生产过程整体优化,改进管理方式,有效利用资源,消除无效劳动与浪费,用最少的投入实现最大的效益,其框架见图1。

图1 日本丰田汽车公司精益生产框架图Fig.1 The framework of “Toyota” lean production

精益生产要求持续改进,彻底消除浪费,尽善尽美,永无止境地追求七个“零”的终极目标:“零”切换——多品种混流生产;“零”库存——消减库存;“零”浪费——全面成本控制;“零”不良——产品高品质;“零”故障——提高运转率;“零”停滞——快速反应、短交期;“零”灾害——安全第一。

2 油气田面临的形势和存在的问题

2.1 面临的形势

2.1.1 能源保障任务重

按照中国石油天然气集团公司加快石油和天然气开发的总体部署,国内油气勘探开发业务进入新阶段。“十四五”期间每年要新建大量的各类站场和管道，产能建设工作量大，投资成本控制难度大。

2.1.2 新动用资源品位低

油气田开发已经进入非常规时代,动用资源品质逐年降低,原油新增储量和天然气动用储量90%为低渗—特低渗以及页岩油气,同时高含硫等高风险复杂介质气田不断增多,效益建产难度大。低渗透产量增长趋势与产量比例见图2,新增探明石油地质储量构成见图3。

图2 中国石油低渗透产量增长趋势与产量比例图Fig.2 Low permeability production growth trend and output ratio chart of PetroChina

图3 中国石油新增探明石油地质储量构成图Fig.3 Composition chart of newly proven petroleum geological reserves of PetroChina

2.1.3 老油气田稳产难

老油田是中国石油产量的主体,开发10年以上的老油田占总产量的64%。老油田即将进入“双特高”阶段,综合含水89.5%,可采储量采出程度76.7%,剩余油高度分散,调整余地小,有效稳产难度大。另外,单井日产量逐年减少,已开发气田陆续进入增压开采阶段,产量逐年下降,开发成本逐年增加[3]。2011-2018年油田综合含水变化和单井油、气日产量变化分别见图4～5。

图4 2011-2018年油田综合含水变化图Fig.4 Comprehensive water cut map of oil fields from 2011 to 2018

图5 2011-2018年平均单井日产油、日产气量变化图Fig.5 Changes in the average daily oil production and gas production of a single well from 2011 to 2018

2.1.4 安全环保责任大

16家油气田共有各类生产井35.6×104口、站场1.6×104余座、管道32.4×104km,分布在17个省、市、自治区,为数众多的生产设施处于人口稠密区、工矿企业和环境敏感区,部分井、管道处于环境敏感区内同时“三高”气井逐年增多,设备设施腐蚀老化严重,2018年管道平均失效率较高。

国家颁布的安全生产法和环境保护法等法律法规对上游业务的绿色安全生产提出了更高的要求[4]。

2.2 存在的问题

目前油气田开发生产与精益生产的要求相比,主要存在四方面的问题。

2.2.1 方案编制前期准备不充分

部分开发方案前期准备不充分,专业之间衔接、协同性较差。目前,传统开发理念和技术不能满足低品位油气藏效益建产及老油气田稳产;低品位油气田开发技术,老油田转换开发方式技术及低成本地面配套工艺技术尚不成熟;水平井、丛式井比例及丛式井辖井数量偏少,投资高,占地面积大[5]。

2.2.2 产能建设提质、提速、提效空间大

钻井、压裂技术的标准化和自动化程度,与国际先进水平存在较大差距,提质、提速、提效尚有较大空间。采油采气和地面标准化设计还不满足低品位油气田开发和老油气田转换开发方式的需要,产能建设模块化、一体化装置大型化、智能化水平还有待进一步提高。地面建设设计与工厂化预制、模块化施工衔接不够顺畅。

2.2.3 传统生产方式效率低、成本高

传统生产方式下中小型站场有人值守,大型站场分岗值守。生产趋势与运行靠人工分析判断,运行参数靠人工调节,问题诊断与调整靠经验分析,生产设备设施被动式检修维修,大部分站场事故工况需人工判别和操作,导致生产效率低,安全环保水平较低,运行成本高，管理层级多,用工总量大。

2.2.4 智能化作用有待发挥

智能化应用刚刚起步,在生产过程中尚未达到实时优化调整;生产运行和经营情况不能智能化预测分析;对设备设施不能智能化预见性维修;对安全环保隐患不能预测预警。

3 油气田精益生产

3.1 数字化油气田精益生产内涵及目标

通过全面实施标准化、数字化智能化建设,大力推行生产方式、管理模式变革,做到油气田生产全面感知、自动生产、实时优化、预测预警、协同研究、一体运营、智能决策,达到最有效地利用资源、最大程度地消除浪费,优化生产运行、持续提质增效,实现油气田开发绿色安全、高质量发展。

通过开展研究,提出了数字化油气田精益生产五个“零”的终极目标:工程、产品“零”不良;建设、运行“零”低效;生产设施“零”故障;生产经营“零”浪费;安全环保“零”灾害。

3.2 总体框架

为实现油气田精益生产的终极目标,结合精益生产的内涵,提出了油气田精益生产的总体框架,见图6。

图6 油气田精益生产的总体框架图Fig.6 The overall framework of lean production in oil and gas fields

1)夯实两个基础:精益产能建设和数字化智能化建设。

2)抓实五项核心工作:精益生产运行、精益设施管控、精益生产运营、数字化办公和智能化决策。

3)打造两个支撑:技术创新和管理创新。

4 实现精益生产的对策

4.1 夯实两个基础

4.1.1 持续优化、简化、标准化

1)精益开发方案设计,抓好源头控投降本。一是加强多专业协同。油气田开发是一项系统工程,要发挥多学科一体化优势,抓好油气藏、钻井、采油采气、地面、经济评价等专业一体化协同工作,突出方案设计优化,实现整体效益最大化。二是要强化前期准备。优化目标论证、产建结构和方案设计,规范滚动开发,提升方案质量和负荷率,实现达标建产、效益建产。三是做好稳产调整方案。精细油气藏描述和剩余资源潜力评价,重构地下认识、重建地质模型、优化部署、完善开发井网;转变开发方式,提高最终采收率,实现长期稳产;地面系统持续优化调整,由局部优化向系统整体优化转变,科学有序推进“关、停、并、转、减”,提升老油气田开发效益。

2)深入推进标准化建设,提升建设效率和质量。面对新的形势要求和技术的不断进步,应在地面工程成功实施标准化的基础上,向钻井和采油采气工程等专业延伸,实现标准化设计、标准化流程、标准化建设、标准化生产、标准化管理,为精益生产打下坚实的基础。

通过钻井标准化,提高钻井速度,提升井深质量,规范井场布置,减小占地面积;通过开展采油采气标准化,提升方案设计质量、机采效率、生产时率和注水合格率;不断深入地面工程标准化,提高设计水平、工程建设效率和质量,提升管理水平[6]。

4.1.2 强力推行物联网建设

1)持续推进油气田生产物联网建设,实现油气田全覆盖。中国石油天然气集团公司推行物联网建设工作以来,已实现了长庆、西南、大港等油气田全覆盖。物联网的应用在优化劳动组织架构、转变生产方式、提质增效等方面发挥了重要作用。目前各类井覆盖率52%,各类站场覆盖率43%[3]。下一步还要强力推进物联网建设,实现数字化全覆盖,积极推进无人值守站场建设,促进智能化油气田建设,夯实精益生产的重要基础。

2)持续提升梦想云平台,推进数据共享。基于科学计算云项目提升高性能计算能力,集成认知计算分析能力,提升平台智能化服务能力,同时增加移动应用支持等内容,初步建成具有大数据、人工智能技术应用的上游开放共享信息技术梦想云平台。

3)丰富完善已有信息系统,满足油气生产需要。通过提升常规业务、扩展新兴业务、挖掘数据价值、深化业务应用和探索智能化服务来丰富完善已有勘探与生产信息系统,逐步建成具有全面感知、自动操控、预测预警、持续优化的智能化油气田。

4.2 抓实五项核心工作

4.2.1 全面推进自动化生产

自动化生产是促进精益生产的一项核心内容,是生产和管理方式变革的重要手段。

1)加强钻井技术与装备突破,实现钻井自动化。近年来,钻井自动化技术和设备快速发展,地质导向钻井、旋转导向钻井、自动垂直钻井、随钻地震等技术取得重大突破。试验定型了自动井架工、铁钻工等11项自动化设备,形成了“悬持式”和“推扶式”2套钻机管柱自动化处理系统,实现了钻井提质、提速和提效。

2)深化采油采气自动化技术应用,实现高效生产运行。近年来,研发了适用于抽油机的恒功率运行、智能间抽技术,实现抽油机井精细化运行、自动化调整。针对平台井,研发了自动化程度更高的电潜柱塞泵、电潜螺杆泵等新型无杆举升系统,实现多井协同智能启停、峰谷调节、错峰运行。

3)加强油气生产物联网应用,全面实现地面生产自动化。通过油气生产物联网建设,支持油气生产过程管理,实现油气生产现场(井、间、站、处理厂)数据实时采集、传输及监控,推动转变生产方式,优化生产流程、管理流程和组织机构,提高生产效率、提升管理水平[7-8]。

4.2.2 深化完整性管理

面对油气田生产系统逐年老化、安全风险日益增多的严峻形势,完整性管理已成为确保上游业务设施本质安全,实现由“事后被动抢险维修”到“事前主动检测维护”转变的有效手段,其对象为井筒、管道和站场。

1)加强井筒完整性管理,突出“三高”井管控。加强“三高”井从建井、生产到弃置全生命周期井完整性管理,实时监测、分析、预警、井口抬升、环空压力,对井进行屏障评价、风险评价、完整性等级划分,同时制定措施方案、跟踪实施效果,确保“三高”井安全生产。

2)加强管道完整性管理,突出“双高”管道管控。油气田“双高”管道多,管道失效率高,风险管控难度大。要在管道分类基础上,全面准确掌握“双高”管道分布情况,编制“一线一案”“一区一案”,做好“双高管道”的检测、评价及风险管控工作[9-10]。

3)建立站场完整性管理体系,提升站场设备设施管理水平。站场完整性管理内容包括工艺完整性、设备(动设备、静设备)完整性、仪控系统完整性、配管完整性。应该做好风险分析、检测评价;建立站场完整性管理体系文件,切实提升站场完整性管理水平[9]。

4)建立专业化检测评价和运维体制,提高装置运行可靠性。油气田设施种类多,安全环保风险高,关键设备检测评价和维修维护难度大且专业性强,应建立专业化、市场化的检测评价和维修维护模式,提高检测评价和维修维护质量。

5)加快推进完整性管理信息系统建设,提高完整性管理效率。依托A5系统开发井、站场、管道完整性管理模块,实现自动分析评价,提高完整性管理效率,提升管理水平,保障生产设施安全环保高效运行[11]。

4.2.3 推行一体化经营

以效益为中心,加强资产、储量、产量、投资、成本一体化管理,确保油气田开发效益最大化。

1)坚持产量和效益并重,推行“全生命周期”的项目管理。在项目整个生命周期内,从方案设计、项目建设、生产运营到项目废置各个环节进行高效率的计划、组织和控制,在过程中进行动态管理、协调与优化。在加快发展过程中更应注重质量效益,确保新建产能对效益的正向拉动。

2)建立“全要素分析”评价体系,加强油气成本控制。一是要客观分析油气田投入产出情况,找准高成本投入的主要因素,以及产量与成本的变化规律,为油气生产、投资决策提供关键依据。二是强化折旧折耗、人工成本、措施作业管控,加强不同油气藏类型、不同开发方式的差别化成本管控,从成本入手,全方位细化措施、全要素挖掘潜力、全环节消除浪费。

3)完善并深化ERP系统的应用,实现上游经营一体化管控。ERP系统集成应用推动了上游业务投资、项目、物资、设备、销售等一体化管控,推进了上游项目全生命周期管理。应加强资源优化应用、人财物精准管理,整合运营、统一调度各类资源,降低运营成本。

4)强化对标分析,促进精益生产。坚持问题导向,以对标管理推进精益管理。通过对标管理,对比标杆定目标,确定工作的努力方向;通过对策管理,提出对策消除差距,分析问题制定提升措施;通过对比管理,对比同行发现问题,找出差距。

4.2.4 强化信息系统应用

抓好信息系统建设,实现办公过程自动流转,生产运行在线调度,移动办公,提高办公效率和工作质量,降低办公成本。

1)办公过程自动流转,提高工作效率。生产数据、统计报表均应在线上报,要高度重视数据质量。开展信息系统的完善升级,以实现业务在线流转,提高工作效率。

2)生产运行在线指挥,提升管控水平和应急能力。应基于已建生产运行调度指挥中心,开展多地、多专业协同工作,改变决策工作模式,优化决策流程,提高生产运行指挥效率,保障生产安全受控运行。

3)强化移动应用开发,实现移动办公。借助移动应用,突破时间地域限制,实现生产数据采集、生产系统可视化、实时诊断决策、现场优化、快速业务处理等功能,大幅提高生产效率与管理水平。

4.2.5 深化数据分析应用,实现智能化决策

在数字化建设的基础上,围绕上游的开发生产业务活动,积极探索利用云计算、大数据、人工智能、可视化分析等技术,充分挖掘生产数据价值,实现由经验型管理向智能化决策的转变。

1)深化梦想云平台建设与推广应用,实现生产协同优化。在数字化模式下,实现不同层级、不同专业之间的信息同步、数据共享、平台共用,形成“一体化技术研究环境”,推进专业融合及协同渗透,打破行政界限及专业划分壁垒,提升协同优化在开发、生产过程中的响应速度及精准程度。

2)开发智能化应用,推进智能辅助决策。对开发方案、井位部署、钻井设计、工程建设、增产措施、生产运营等全领域的实时论证、智能优化和精准科学决策,实现方案决策智能优化、生产过程智能操控、安全环保智能管控、经营管理精益高效,达到产量最大化、收益最大化的目标[12]。

4.3 打造两个支撑

4.3.1 突出技术创新

面对勘探开发日益复杂的形势,以及精益生产的需要,要积极推动科技创新,包括油气田开发技术创新、重大工程技术创新和地面工艺技术创新。同时,聚焦核心技术攻关,成熟技术推广,大型装备国产化和A6梦想云平台的深度开发[13]。

4.3.2 突出管理创新

管理创新是实现精益生产的重要保障,要在发扬传统管理优势的基础上,创新管理理念,优化管理流程,建立与精益生产相配套的管理体系。

1)推动流程优化和管理变革,提升企业运行效率。首先要优化管理流程,全面梳理现有业务流程、管理制度、技术规范和操作规程,形成精益生产管理的标准化体系文件,建立数字化条件下与管理流程相配套的组织机构,推动管理变革。

2)优化队伍结构,提升全员素质。以优化生产业务为主导,以信息化建设为支撑手段,按照“精简管理、精干技术、减少操作、强化维护”的原则,优化调整人员队伍结构,并且积极开展全员技术和管理培训,建设一支适应精益生产的高素质人才队伍,使全员能力得到提升[14-15]。

5 结论

精益生产源于制造业,在流程工业,特别是在油气勘探开发领域开展精益生产对我们是个挑战,本文提出的关于精益生产的理念、内涵和方法需进一步完善。各单位应发挥各自优势,积极探索实践,认真梳理开发生产的每一个环节,全员参与,不断丰富和完善精益生产模式,把由传统生产向精益生产转变作为贯彻落实创新发展理念的一项重要举措,推动精益生产向精益管理再到精益企业发展,最终成为上游业务的企业文化,为建成世界一流能源公司提供有力支撑。