閱讀提示

數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關鍵是實現(xiàn)物理世界與數(shù)字信息世界的相互融合。數(shù)字孿生具有實時映射、迭代優(yōu)化、深度分析、高效決策等特點，作為溝通數(shù)字虛擬世界和現(xiàn)實物理世界的有效方法被廣泛應用于眾多行業(yè)?；谟蜌獠叵到y(tǒng)的數(shù)字孿生體構建油氣開發(fā)業(yè)務新模式，正在成為油氣行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智慧油氣田建設新的發(fā)展方向。本版圍繞智慧油氣藏數(shù)字孿生技術體系架構、技術進展等方面進行深入分析研究，敬請關注。

□光新軍

近年來，在全球能源變革、國際政治經(jīng)濟局勢多變的格局下，為應對資源品質(zhì)劣質(zhì)化、能源轉(zhuǎn)型、綠色發(fā)展等挑戰(zhàn)，數(shù)字化轉(zhuǎn)型已成為全球領先油氣公司的共同選擇。

智慧油氣藏數(shù)字孿生技術是將油氣物理資產(chǎn)進行虛擬映射，實現(xiàn)油氣藏開發(fā)全過程動態(tài)描述、診斷、預測、決策的關鍵核心技術，是實現(xiàn)油氣產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級的核心技術手段，對保障國家能源安全具有重要戰(zhàn)略意義。

智慧油氣藏數(shù)字孿生技術進展及挑戰(zhàn)

目前，國內(nèi)外油氣公司競相搶占智慧油氣藏數(shù)字孿生技術制高點，bp、埃尼、挪威國家石油等油公司將動態(tài)數(shù)字孿生系統(tǒng)技術應用到油氣田開發(fā)，優(yōu)化生產(chǎn)流程，以最大程度提高油氣采收率。哈里伯頓、eDrilling、Aker Solution等油服公司構建了建井數(shù)字孿生系統(tǒng)，實時監(jiān)控、分析和預測地面裝備、建井井下動態(tài)參數(shù)等，實現(xiàn)智能化作業(yè)，提高建井作業(yè)效率。國內(nèi)石油企業(yè)也開始將數(shù)字孿生技術應用于油氣工程領域，并取得了積極進展。

針對智慧油氣藏數(shù)字孿生技術體系架構中的數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)管理和場景應用三大組成部分，目前我國智慧油氣藏數(shù)字孿生技術專利布局和技術研發(fā)主要存在三個方面的問題。一是數(shù)據(jù)感知領域以跟隨為主，關鍵技術“卡脖子”問題風險較大。相較斯倫貝謝等國外油服公司，我國企業(yè)在鉆頭前探、增強反演、方向電阻率成像等隨鉆測繪技術和光纖監(jiān)測技術領域?qū)＠季趾图夹g研發(fā)還處于起步階段，與國外差距較大。二是數(shù)據(jù)建模研究深度不夠，影響智慧油氣藏數(shù)字孿生作用的發(fā)揮。哈里伯頓、沙特阿美、斯倫貝謝近年的專利都集中于利用機器學習、深度學習方法進行實時數(shù)據(jù)的綜合獲取、優(yōu)化或預測，我國專利多集中于解決單項參數(shù)的優(yōu)化及預測。三是海外布局專利少，技術影響力不大。國外油服公司注重全球化布局，在多個地區(qū)設置研發(fā)團隊。國內(nèi)企業(yè)與科研院所主要面向國內(nèi)油氣資源開發(fā)，海外專利布局較少。

智慧油氣藏數(shù)字孿生技術重點突破方向

數(shù)字孿生是支撐油氣工程數(shù)字化轉(zhuǎn)型的綜合技術體系，技術在發(fā)展，應用在深化，體系在演進，其應用推廣也是一個動態(tài)的、演進的長期過程。數(shù)字孿生的核心包括平臺、數(shù)據(jù)和模型，國內(nèi)石油企業(yè)在數(shù)據(jù)采集、算法模型積累和開放平臺開發(fā)等方面存在諸多短板，成為制約數(shù)字孿生發(fā)展的瓶頸。當前，要堅持需求牽引和價值導向，在加大基礎研究攻關力度的基礎上，以需求迫切、基礎較好、潛力巨大的應用場景作為突破口，在重點領域、重點環(huán)節(jié)率先實現(xiàn)突破，樹立一批典型模式和樣板工程。

一是開展數(shù)字孿生技術基礎前瞻研究。圍繞數(shù)字孿生技術涉及的大容量數(shù)據(jù)感知、多類型數(shù)據(jù)融合與交互、模型機理進行研究：開展大容量高帶寬測量、隨鉆地層高精度測井、光纖傳感、儲層納米機器人等技術研發(fā)，為數(shù)字孿生提供數(shù)據(jù)基礎；開展油氣數(shù)據(jù)云存儲、大數(shù)據(jù)共享與安全技術研究，依托統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準將紛亂的數(shù)據(jù)進行規(guī)范化處理，結合業(yè)務邏輯完成數(shù)據(jù)清洗，匯聚形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)湖，供建模及應用開發(fā)使用；開展油氣藏開發(fā)智能優(yōu)化、風險預警、油氣藏可視化等技術研究，結合大數(shù)據(jù)、人工智能技術，構建井筒-儲層建模新方法、新算法，形成智能化地質(zhì)工程一體化建模技術，提高建模效率和模型精度，為作業(yè)方案自動模擬優(yōu)化提供支撐。

二是開展油氣裝備數(shù)字孿生技術研究。以油氣裝備設計、管理平臺為基礎，開展鉆機裝備、壓裂裝備、隨鉆測量系統(tǒng)、井下提速工具等數(shù)字孿生技術研究，構建裝備設計、制造、使用、管理、維護等生命周期數(shù)據(jù)之間的關聯(lián)，預見產(chǎn)品質(zhì)量，進行現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)驗證，優(yōu)化裝備性能，改進生產(chǎn)工藝，實時掌握裝備的任務數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、維修保障數(shù)據(jù)，實現(xiàn)油氣裝備全領域、全生命周期的實時管理和監(jiān)測。

三是開展井筒數(shù)字孿生技術研究。以鉆井地質(zhì)環(huán)境因素描述為基礎，充分利用已鉆井和已鉆地層的數(shù)據(jù)信息，開展鉆完井設計、井眼軌跡導航、鉆完井作業(yè)參數(shù)優(yōu)化、井下風險預警等數(shù)字孿生技術研究，采取基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的機器學習方法，建立油氣井鉆完井預測模型，構建鉆完井物理空間與虛擬空間交互映射、融合共生的現(xiàn)實場景，實現(xiàn)鉆完井效率從“事后評價”向“事前預測”的轉(zhuǎn)變。

四是開展油氣藏數(shù)字孿生技術研究。以數(shù)字化油田為基礎，深度挖掘已有油氣勘探開發(fā)數(shù)據(jù)資源，融合應用互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)技術，探索油氣井產(chǎn)能預測、生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化等油氣勘探開發(fā)數(shù)字孿生實施途徑，構建油氣勘探開發(fā)物理空間與虛擬數(shù)字空間交互映射、融合共生的數(shù)字孿生場景，研究形成油氣高質(zhì)量勘探、經(jīng)濟有效開發(fā)的新技術和模式。

五是搭建智慧油氣藏地質(zhì)工程一體化數(shù)字孿生平臺。基于持續(xù)匯聚的數(shù)據(jù)湖，構建不斷動態(tài)更新的地下數(shù)字孿生體，并以此為核心搭建智慧油氣藏應用平臺，以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型與技術體系進行業(yè)務應用開發(fā)，以滿足不同場景的應用需求。平臺通過增強地球物理、地質(zhì)學、油藏工程、鉆完井和生產(chǎn)領域之間的互通性，打破學科界限，真正實現(xiàn)技術一體化，并實現(xiàn)系統(tǒng)開放共享，通過開源處理為甲方和合作伙伴提供一個開放、可擴展的數(shù)字化生態(tài)系統(tǒng)。

全球數(shù)字孿生技術市場發(fā)展趨勢

(來源：ResearchDive)

（單位：百萬美元）

關于智慧油氣藏數(shù)字孿生技術

■體系架構

以油氣勘探開發(fā)技術為主線，以數(shù)字化技術為支撐，根據(jù)智慧油氣藏數(shù)字孿生技術鏈，其體系架構主要包括數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)管理和場景應用等三部分。

（1）數(shù)據(jù)感知

數(shù)據(jù)感知主要分為井筒感知和儲層感知，用于為數(shù)字孿生油氣藏模型構建和動態(tài)更新提供實時高精度數(shù)據(jù)支撐，是數(shù)字孿生油氣藏的基礎。

（2）數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理分為數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理與識別、數(shù)據(jù)共享與安全，用于對測量的多源多類型非標準數(shù)據(jù)進行處理和管理，為數(shù)字孿生油氣藏提供標準化數(shù)據(jù)。

（3）場景應用

場景應用是數(shù)字孿生油氣藏建模和動態(tài)更新的核心和目標，旨在提高油氣藏勘探開發(fā)效率和智能化水平。根據(jù)油氣勘探開發(fā)流程，主要包括鉆井建模與實時優(yōu)化、完井壓裂建模與實時優(yōu)化、生產(chǎn)建模與實時優(yōu)化。

■技術進展

（1）油氣裝備數(shù)字孿生

利用數(shù)字孿生技術將油氣裝備物理實體與數(shù)據(jù)分析技術相融合，通過儲存于云平臺上的深度學習模型，自動檢測設備缺陷和異常情況，提供潛在故障的早期預警，根據(jù)風險制訂檢測計劃，避免不必要的常規(guī)周期檢測維修。

埃尼與塞班公司合作開發(fā)了鉆井虛擬環(huán)境，將半潛式鉆井平臺虛擬化，可以實現(xiàn)在虛擬鉆井平臺上穿行、作業(yè)過程重現(xiàn)、安全互動虛擬體驗、油氣井操作模擬等功能。

（2）油氣井筒數(shù)字孿生

井筒數(shù)字孿生是真實鉆井過程的數(shù)字化呈現(xiàn)，可應用在設計、準備、培訓、實時預測等建井全生命周期的各個環(huán)節(jié)，用于優(yōu)化鉆井作業(yè)參數(shù)、井下風險預警和智能導航等，提升作業(yè)效率。數(shù)字化轉(zhuǎn)型時期，通過模擬和預測分析來提高鉆井效率尤為關鍵。

eDrilling公司應用數(shù)字孿生技術，構建形成了一套鉆井數(shù)字孿生系統(tǒng)，主要目的是提高鉆井效率、縮短非生產(chǎn)時間。該數(shù)字孿生系統(tǒng)基于物理基礎模型，使用地面和井下實時鉆井數(shù)據(jù)進行實時建模，以監(jiān)督和優(yōu)化鉆井過程。

（3）油氣藏數(shù)字孿生

油氣公司正在建設油氣藏數(shù)字孿生體，通過安裝在井筒內(nèi)的傳感器，獲取井筒內(nèi)的工具和設備信息及儲層狀態(tài)信息，可將井的狀態(tài)、設備的運行狀態(tài)與井的生產(chǎn)狀態(tài)結合在一起，實現(xiàn)油氣藏的最優(yōu)化開發(fā)。

挪威軟件公司FutureOn將其FieldAP應用程序及基于云的數(shù)據(jù)管理平臺FieldTwin與Bentley Systems公司的iTwin平臺相結合，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)管理和可視化開發(fā)設計、建模分析的融合，幫助構建海洋油氣開發(fā)數(shù)字孿生，提升油氣上游勘探開發(fā)設計水平，使油公司能夠進一步提高工程作業(yè)性能、運營和盈利能力。

■應用關鍵

（1）多類型數(shù)據(jù)測量與傳輸

智慧油氣藏數(shù)字孿生涉及數(shù)字盆地、數(shù)字油田和數(shù)字建井，關鍵是數(shù)字模型與物理實體的交互，即及時或?qū)崟r反映物理實體的動態(tài)變化，主要對油氣藏各類相關數(shù)據(jù)的實時測量、傳輸和在油氣藏數(shù)字孿生體上的數(shù)據(jù)交互及更新。

油氣藏數(shù)字孿生體構建需要多類型數(shù)據(jù)支撐的同時，還需要保證數(shù)據(jù)測量和傳輸?shù)膶崟r性，以及數(shù)據(jù)測量的頻率、精度、可靠性和穩(wěn)定性。

（2）多尺度數(shù)據(jù)融合與交互

智慧油氣藏涉及地球物理學、地質(zhì)學、油藏工程、石油工程、巖石力學、數(shù)學和計算機等眾多領域，油田勘探、開發(fā)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)具有尺度跨度大、類型多、數(shù)據(jù)量差異大、分辨率差異大等問題，將這些不同尺度的數(shù)據(jù)進行集成利用是智慧油氣藏數(shù)字孿生體構建的數(shù)據(jù)瓶頸，需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯聚、標準化、處理、存儲、管理、共享，并提高聯(lián)網(wǎng)安全性，保護物理和虛擬設施免受網(wǎng)絡攻擊。

（3）應用場景建立及機理研究

圍繞油氣勘探、開發(fā)、生產(chǎn)、運行等業(yè)務領域建立應用場景，依托油氣藏數(shù)字孿生體為其提供智能化應用支持，才能實現(xiàn)為油氣行業(yè)賦能的目標。圍繞各種應用場景，模型構建、算法優(yōu)化是數(shù)字孿生技術的核心，需要開展基于先進的人工智能、機器學習等理論方法研究，建立工具裝備實時監(jiān)測、油氣井設計、鉆井參數(shù)優(yōu)化、風險預測、生產(chǎn)優(yōu)化等方法。