摘要:為建立勘探開發一體化、地質工程一體化、生產經營一體化的組織和運行方式，實現古龍頁巖油的經濟有效開發，系統分析大數據、人工智能和數字孿生技術在地質研究、生產運行、經營管理等領域的應用潛力，創新設計了全息智能生態系統總體架構和全生命周期管理系統、大數據智能分析系統、數字孿生應用系統3個系列產品。通過混合架構應用開發和運維、云計算資源集成服務、動靜態數據一體化存儲、大數據智能分析、工作流程管理、數據和模型可視化和一體化應用集成技術研究，開發了全息智能生態系統V1.0版本。實踐應用表明，采用大系統設計、平臺化開發、一體化應用模式，能夠有效固化優化技術和管理流程，提升數據治理能力，促進多專業協同，加快地質、實驗、鉆井、壓裂多方面研究和生產節奏，實現“少人、提質、增效”作用。通過關鍵技術集成配套，自主可控，形成一套具有工業化可復制和快速推廣能力的智能油田關鍵技術體系。該成果對實現油田“數字化轉型、智能化發展”起到示范和引領作用。

　　關鍵詞:古龍頁巖油;全息智能生態系統;大數據智能分析;地質工程一體化;數字化轉型

　　0引言

　　大慶古龍頁巖油是典型的陸相頁巖油，松遼盆地古龍凹陷邊緣到中心均見油流;互層型、夾層型到純頁巖型均獲高產;下白堊統青二段下部到青一段整體含油，頁巖油資源潛力巨大[1]。面對古龍頁巖油這一新的非常規油氣類型，要實現增儲上產及經濟有效開發，存在諸多亟待解決的理論、技術和工程問題[2]。

　　油田論文范例： 馬廠油田注水對策研究及現場應用

　　為此，大慶油田提出建設古龍頁巖油基礎理論探索、勘探開發技術、管理體制改革、產業化模式示范區;構建以“項目化管理、市場化運行、平臺化布井、工廠化作業、智能化管控、低碳化發展”為核心的全生命周期管理體系和“百萬噸百人”的少人高效新模式。圍繞這一戰略目標，充分調研國內外技術和應用前沿情況。國際石油公司和油服公司積極利用新技術融合數據和業務流程，共同建立完善的“設備/資產—數據—分析—解決方案”鏈條，努力實現更高水平的技術一體化和生產協作化[3]。

　　道達爾與谷歌公司聯合簽署協議研究勘探開發全新智能解決方案;哈里伯頓與微軟公司在儲層描述深度學習、建模及數模應用領域開展研究;斯倫貝謝公司基于智能油氣認知平臺(DELFI)，以模型為中心、以數據為驅動，通過“專業應用+專家經驗+機器學習+云平臺”的綜合應用建立了油藏、井筒、管網、經濟一體化的“活”資產模型，減少原有油藏模型的不確定性。這些有針對性的研究使智能系統更加精準和高效。鑒于古龍頁巖油的特殊性，以往甜點預測、測井評價、地質建模、工程參數優選等傳統的技術方法已不能滿足要求，迫切需要創新發展大數據智能分析方法，破解勘探開發的技術難題。

　　在勘探開發一體化管理方面，中國石油天然氣集團有限公司(中石油)和大慶油田有限責任公司雖然建立了一系列的管理軟件，但是缺乏支持古龍頁巖油勘探開發的項目計劃單列、效益單評的全生命周期管理系統項目，隨著頁巖油儲量的不斷實時更新，油田資源的高效配置、成本核算和經濟評價等方面難度不斷增加;在信息技術智能應用方面，雖然中石油推廣了數據湖[4]和云平臺[5]等整體解決方案。

　　在“十三五”期間大慶油田初步建成了統一管理軟件開發平臺[6]和地學平臺[7]，但這些成果遠遠不能滿足古龍頁巖油研究、生產、經營和決策的一體化、可視化、智能化的應用系統開發需求，急需進行平臺技術的全面融合和擴展，構建更加完整、高效、智能的技術生態體系。在充分借鑒國際石油公司和服務公司技術解決方案[8-12]的基礎上，提出了建設“頁巖油全息智能生態系統”的目標，即“利用互聯網、物聯網、云計算、大數據和人工智能技術，深度融入頁巖油的勘探開發、生產經營全過程，驅動業務全方位數字化轉型，消除組織上的工作障礙和技術上的人為切割。

　　努力做到“4個實現”:①實現對頁巖油地質目標、生產經營狀況的全維度、全尺度、全方位的全面感知;②實現數據驅動智能決策逐步代替人工經驗決策;③實現在頁巖油整體經濟有效開發目標下的相關要素、流程和方法的持續優化;④實現勘探開發一體化、地質工程一體化、技術管理一體化、前方后方一體化的工作模式。圍繞上述目標，開展了系統規劃設計、開發集成和應用推廣工作。目前古龍頁巖油勘探開發全息智能生態系統V1.0版本已投入生產化應用。

　　1古龍頁巖油全息智能生態系統架構設計

　　1.1總體架構

　　按照中石油“一個云、一個數據湖、一個平臺、一個入口”總體框架，充分考慮古龍頁巖油的勘探開發項目需求，提出了數智化總體架構。

　　系統架構主要由生產前端、統一技術中臺和業務應用3個層次系統構成。

　　1.1.1生產前端

　　生產前端建立數據自動采集、過濾、校驗、實時監測和控制的邊緣計算環境。

　　1.1.2統一技術中臺統一技術中臺由云中心、數據湖、統一應用開發技術平臺和應用門戶構成，以資源共享、一體化服務為核心，建立大系統開發、部署和應用環境，實現計算存儲資源按需提供全域數據標準化采集、統一管理和共享服務軟件組件式開發、集成化應用和智能化交互。

　　1.1.3業務應用業務應用主要由全生命周期管理系統、大數據智能分析系統、數字孿生應用系統3部分組成。

　　1.1.3.1全生命周期管理系統全生命周期管理系統支持多專業數據標準化采集及全業務鏈管理和決策，由生產管理、協同研究、生產指揮和經營管理等多個子系統構成。以技術和管理流程為中心，通過管理制度化、制度流程化、流程信息化，全面系統地固化和優化頁巖油勘探、評價、開發、生產等核心業務流程以及人力、財務、物資等管理支持流程，建立問題及時發現、多方快速響應、處置方案閉環跟蹤的決策指揮體系，實現工作節點信息互聯互通、程序標準規范、過程高效協同、業務有效監督和績效持續提升的閉環管理。

　　1.1.3.2大數據智能分析系統大數據智能分析系統具有降低數據融合和挖掘應用技術門檻，提高業務節點和流程的自動化能力;由智能數字巖心輔助分析、智能井筒地質和工程評價、智能地震目標處理和解釋大數據分析、智能動態地質建模及鉆井工程應用、智能力學建模及壓裂工程應用5個子系統構成;形成實驗、井筒、地震、油藏，點—線—面—體油藏表征全流程的自動化方法。

　　1.1.3.3數字孿生應用系統數字孿生應用系統提供實時和全景式交互功能，支持地下地上可視化綜合應用、多專業協同優化設計;由數字油藏、數字鉆完井、數字壓裂、數字舉升和數據站場5個子系統構成;以三維模型為中心，集成先進的感知、計算、通信和控制等信息和自動控制技術，實現油藏、井筒、站場物理實體映射到數字化模型，實現基于模型的可視化分析、預測、仿真和監控。

　　1.1.4應用前端應用前端通過統一入口，為油田內、外部人員聯合組建的工程技術服務團隊、一體化攻關團隊、決策指揮團隊、經營管理團隊，提供全生命周期管理、大數據智能分析和可視化交互數字孿生應用功能支持。

　　1.2數據架構

　　數據架構由數據源、數據治理、數據存儲、數 據服務4個層組成。

　　1.2.1數據源層

　　數據源層包括4種類型:①工程和生產現場的物聯網自動采集;②油氣生產、采油工程、ERP等生產經營管理系統的自動匯交;③專業研究成果匯總;④歷史數據治理入庫。

　　1.2.2數據治理層數據治理層是通過建立數據資源目錄，實現基于主數據和元數據的數據質量控制、數據遷移和更新、數據模型和數據安全管理。

　　1.2.3數據存儲層數據存儲層是基于組織機構、項目、礦權、物探工區、人員、設備、物資、地質單元、生產單元、井、井筒、站庫等主數據，建立33類結構化數據、4類非結構化數據和7類時序數據的集中管理。在此基礎上，采用智能方法，構建領域知識庫和主數據庫。

　　1.2.4數據服務層數據服務層是提供物化探、地質油藏、分析化驗、井筒、采油氣、經營管理、項目、用戶、計算和存儲資源共享服務模型，為上層的全生命周期管理系統、大數據智能分析系統和數字孿生應用系統提供統一服務。

　　1.3子系統設計

　　1.3.1全生命周期管理系統設計

　　全生命周期管理的核心是技術和管理2個層次流程體系的建立和集成。管理工作流以勘探評價、新區產能和老區維護三大管理流程為主線，理順各環節流程崗位職責、銜接關系和時間約束，以儲量、產量、投資、成本和效益為指標，強化責任落實和管理考核[13]，實現效率、效果和效益最優化，做到“事前算贏、事中干贏、事后真贏”，推進頁巖油勘探開發一體化進程。

　　技術工作流對地質工程一體化的“富集區識別、地質模型、裂縫描述、地質應力、地質導向、壓裂設計、生產模擬、壓后評估、井筒狀態、地面管網、經濟分析”等流程理清節點的崗位、軟件、算法、參數和數據輸入輸出關系，實現頁巖油地質工程一體化、勘探開發技術工作流的有形化、規范化。全生命周期管理系統包括協同研究、生產指揮、生產管理、經營管理4個部分。

　　1.3.1.1生產管理

　　面向工程技術領域，實現鉆井、錄井、測井、壓裂、試油試采生產動態數據、工程地質數據、實時數據、視頻數據等相關數據的一體化采集;面向油氣生產領域，實現油氣生產、油氣儲運銷售、供水供電、風險隱患、能耗、設備物資、腐蝕防護等業務數據的一次采集;實現現場作業、基層生產管理、QHSE質量健康安全環保管理、設備物資管理、遠程指揮等業務流程化管控。

　　1.3.1.2協同研究以技術流為指引，面向一體化核心技術團隊，充分利用Petrel等主流軟件和Studio等共享項目庫，實現測井、地震、地質模型成果充分共享，支持地震、建模、數模地學和油藏工作流以及鉆井、壓裂一體化工作流;以管理工作流為指引，面向專業技術和管理人員，采用多專業軟件集成應用模式，建立規劃、部署、鉆井、測井、固井、試油、試采、評價、儲量全過程在線報告編制、審批、管理、跟蹤的運行管理系統，支持井位部署、方案論證等場景，實現研究全過程協同。

　　1.3.1.3生產指揮基于頁巖油一體化作戰室工作環境，強化一體化組織，形成鉆完井前線指揮部、頁巖油勘探開發指揮部及油田總部的三級聯合作戰體系，滿足決策分析、現場指揮、生產調度、應急管理、實時監控、視頻會議、技術支持、遠程控制等業務應用需要，提升前后方協同工作能力，減少復雜事故發生次數和跑井、駐井頻率。

　　1.3.1.4經營管理以投資項目為主線，建立覆蓋各類項目方案設計、前期決策、投資計劃、建設準備、施工管理、生產運行和評價考核的全生命周期管理系統，支持項目經營分析、市場分析、綜合對比和趨勢預警。

　　1.3.2大數據智能分析系統設計

　　根據地質工程大數據特點，建立層次聚類分析、機器學習、深度學習等大數據智能分析工具箱，形成系統化、規范化、自動化的大數據提取、處理、轉換、存儲方法，建立巖心、井筒、地震及與地質統計學相結合的智能油藏表征系統，提升頁巖油多尺度數據融合、地質和工程規律挖掘能力，使大數據智能分析成為破解地質甜點分布、鉆井和壓裂參數優化難題的新途徑[14-18]。大數據智能分析系統包括智能數字巖心輔助分析、智能井筒地質和工程評價、智能地震目標處理和解釋、智能動態地質建模和鉆井工程、智能力學建模和壓裂工程5個部分。

　　1.3.2.1智能數字巖心輔助分析形成配套的宏觀—微觀巖心圖像采集和數字巖石物理分析與評價技術，實現智能化的儲層巖石物性、儲層微觀特征評價和甜點預測，為快速制定勘探開發工程方案提供依據。

　　1.3.2.2智能井筒地質和工程評價基于層次聚類數據挖掘算法和機器學習算法，實現儲層參數智能預測、儲層分類智能評價、直井和水平井產能參數智能預測。

　　1.3.2.3智能地震目標處理和解釋以井點產能儲層分類作為標注數據，地震屬性等平面數據為特征數據，利用深度學習算法進行有利區的智能識別和井位部署，提高有利區識別精度，提高地質評價和井位工程設計協同效率。

　　1.3.2.4智能動態地質建模和鉆井工程基于變差函數自動優化、地震正演模型全局迭代，建立地質統計智能決策系統，實現構造建模、巖性、巖相、儲層屬性參數的動態迭代模擬，支持井軌跡優化。

　　1.3.2.5智能力學建模和壓裂工程基于地質力學、巖石力學、滲流力學方法和參數智能優化，支持地應力建模和裂縫擴展模擬，支持壓裂設計優化和生產優化。

　　2古龍頁巖油全息智能生態系統開發及應用

　　2.1關鍵技術和實施方法

　　2.1.1關鍵技術

　　古龍頁巖油全息智能生態系統開發有8項關鍵技術:①混合架構開發和運維技術;②動靜態數據一體化存儲技術;③智能資源集成服務技術;④大數據智能分析技術;⑤流程管理技術;⑥智能搜索和推薦技術;⑦地質工程數據和模型可視化技術;⑧一體化應用集成技術。圍繞以上關鍵技術，以勘探開發夢想云平臺為基礎，優選、集成國內外先進主流平臺和工具組件，建立自主可控和可推廣的智能油氣技術生態。

　　2.1.1.1混合架構開發和運維技術通過對模型管理工具、定時任務管理工具、網頁版和桌面版表單、流程建模和開發工具、微服務二次接口開發工具以及門戶定制工具的不斷升級和擴充，形成統一的開發平臺，根據應用類型和復雜程度，組合優選合適的開發工具，快速搭建系統功 能，支持桌面版、瀏覽器版和移動端軟件的應用開發。

　　2.1.1.2動靜態數據一體化存儲技術利用區域湖技術體系，全面采用分布式存儲架構配套產品。如結構化數據采用HashData基于大規模并行處理技術的數據倉庫存儲，非結構化數據采用S3對象式存儲技術。為實現業務模型數字化，采用Neo4J知識圖譜實現復雜關系數據結構的高效存儲、查詢和推理。為有效整合專業軟件成果，充分利用軟件開發接口，建立雙向數據訪問通道。Petrel國際主流地學平臺利用廠商提供的軟件開發接口(OCEAN)，未來采用開放數據地下空間(OSDU)提供多廠家統一的數據接口，建立主數據驅動，動靜態全域數據治理模式。

　　2.1.1.3智能資源集成服務技術實現多操作系統、應用系統統一用戶和權限管理，按照工作崗位和流程，自動設置網絡安全控制策略，智能分配、部署和回收軟件資源、數據資源、計算資源和存儲資源，提供一站式資源統計、監控和調度服務。

　　2.1.1.4大數據智能分析技術基于MATLAB和PYTHON等語言，建立統一大數據智能分析環境，在通用特征工程方法基礎上，建立滿足勘探開發業務要求的特征工程軟件包。支持空間、時間序列數據的統計性、相關性、形態分析;支持基于向量機器模型、深度神經網絡模型、隨機森林模型等多種機器學習模型的分類和回歸應用。

　　2.2系統開發進展及應用

　　按照產品化實施路徑，融合夢想云和大慶已有的軟件開發平臺技術，利用統建系統和自建系統，實現第1階段頁巖油集成應用系統上線應用，同步開展全生命周期管理系統和數字孿生系統建設，有效支持了頁巖油項目管理、研究和生產需求。該系統已在大慶油田有限責任公司機關、前線指揮部和各項目經理部推廣應用。

　　建立數據中心，提供地理信息、平面圖、柱狀圖導航數據資料查詢等功能;建立了流程中心，實現技術方案審批、招標合同、行政辦公流程的統一入口和快速處理;建立了軟件中心，提供Windows和Linux軟件推送服務，支持現場監控、綜合研究;建立了細粒度開發和集成業務功能400余個，支持地質工程一體化數據分析、協同工作。應用該系統建立了“統一入口、聚合服務”的一體化集成應用新模式，目前系統用戶數已達200余人，用戶體驗良好。

　　2.2.1全生命周期管理系統研制進展及應用

　　以流程為中心，實現技術方案審批、任務審批、招標合同、會議督辦行政辦公流程的統一待辦和快速處理。

　　3結論

　　(1)頂層設計規劃的全生命周期管理系統、大數據智能分析系統和數字孿生應用系統能夠有效指導頁巖油數智化的關鍵技術攻關和應用系統建設，該框架具有通用性，對油田“數字化轉型、智能化發展”的規劃起到示范引領作用。(2)全生命周期管理能夠有效優化技術和管理流程，提升數據治理能力，促進多專業協同，加快地質、實驗、鉆井、壓裂多方面研究和生產節奏。

　　(3)大數據智能分析能夠定量化表征地質和工程規律，智能預測地質和工程參數，對加快頁巖油勘探開發進程具有重要意義。通過勘探開發技術專家、數據分析專家、信息技術人員的深入合作，打造多學科團隊，培養復合型人才，實現方法研究和成果應用的相互促進。(4)數字孿生應用系統提供了一種新的基于三維模型的可視化交互方式，支持井筒、地面和油藏的綜合展示，未來將成為生產、研究、經營、決策各類應用場景的主界面。

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　　作者：吳鈞1于曉紅1王權2田雪松2王如意3