中國石油經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院在長期跟蹤國內(nèi)外石油科技進(jìn)展的基礎(chǔ)上，結(jié)合20年來的國際石油科技十大進(jìn)展評選結(jié)果，同時(shí)借助專利地圖等大數(shù)據(jù)分析手段，以及專家研討和問卷調(diào)查，評選出近五年最具影響力的15項(xiàng)油氣勘探開發(fā)技術(shù)，和未來10年最具潛力的15項(xiàng)油氣勘探開發(fā)技術(shù)。

其中，數(shù)字孿生油氣田全周期管理技術(shù)被列為未來十年最具潛力的15項(xiàng)油氣勘探開發(fā)技術(shù)之一。數(shù)字孿生是指針對物理實(shí)體建立相對應(yīng)的虛擬模型，并模擬物理實(shí)體在真實(shí)環(huán)境下的行為。

隨著石油行業(yè)積極開展數(shù)字化轉(zhuǎn)型，作為一種前沿信息技術(shù)，數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)得到了包括BP、雪佛龍、殼牌等多家石油巨頭的青睞，用于油氣勘探作業(yè)及生產(chǎn)監(jiān)控、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與響應(yīng)、作業(yè)及生產(chǎn)優(yōu)化、方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化、資產(chǎn)管理等，加快了油氣勘探的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

01. 數(shù)字孿生助力能源巨頭破“困”

近年來，能源系統(tǒng)脫碳化和向凈零轉(zhuǎn)型成為全球能源領(lǐng)域的焦點(diǎn)話題。在COP28期間，50家全球油氣公司加入《石油和天然氣脫碳章程》。值得注意的是，這50家公司占全球石油產(chǎn)量的40%以上，其中，國家石油公司占簽署公司的60%以上。這也是有史以來承諾實(shí)施脫碳倡議的國家石油公司數(shù)量最多的一次。

“脫碳承諾”聲勢浩浩蕩蕩，但在這一過程中，世界各國及企業(yè)面臨著一個共同的“能源三難困境”：既要保障能源安全，又要消除能源貧困、實(shí)現(xiàn)公平可及，還要保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

在《2023年世界能源展望》報(bào)告中，石油巨頭BP給出了自己的答案。BP認(rèn)為能源轉(zhuǎn)型需要平穩(wěn)過渡和有序發(fā)展，要兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)性，不應(yīng)一味的縮減產(chǎn)能，而應(yīng)將目光聚焦在油氣領(lǐng)域的低碳轉(zhuǎn)型和數(shù)字化改造方面，要借助包括數(shù)字孿生技術(shù)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，助力解決“三難困境”，從而實(shí)現(xiàn)其2050年或更早實(shí)現(xiàn)碳中和的長期愿景。

早在2017年，BP就開始在其全球生產(chǎn)系統(tǒng)中推出數(shù)字孿生系統(tǒng)。該公司表示，數(shù)字孿生在幫助工程師優(yōu)化資產(chǎn)和識別潛在問題等方面發(fā)揮了重要作用。該公司位于阿塞拜疆的Azeri Central East（ACE）海上開發(fā)項(xiàng)目更是進(jìn)一步詮釋和驗(yàn)證了BP的這一理念。

ACE項(xiàng)目是英國石油（BP）及其合作伙伴（包括雪佛龍，?？松梨诘龋┕餐顿Y的巨型油田開發(fā)項(xiàng)目，項(xiàng)目總投資為60億美元，預(yù)計(jì)2023年底投產(chǎn)。該項(xiàng)目將通過新建一座日產(chǎn)能超過10萬桶原油（預(yù)計(jì)總產(chǎn)出達(dá)3億桶）的海上平臺，實(shí)現(xiàn)對位于里海的巨型ACG油田的下一階段的開發(fā)。

對于該項(xiàng)目，BP希望給項(xiàng)目人員提供一個值得信賴的數(shù)據(jù)環(huán)境和數(shù)字化解決方案。并對其有提出三大期許：其一，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目信息的互聯(lián)互通，在一個數(shù)字平臺中可以獲得所有相關(guān)數(shù)據(jù)；其二，用戶操作友好，響應(yīng)速度快，可提高協(xié)作性以改進(jìn)業(yè)務(wù)決策；其三，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問，提高安全性并朝著減少碳排放的遠(yuǎn)程操作愿景邁進(jìn)。

BP在ACE項(xiàng)目中對數(shù)字孿生技術(shù)的期許

通過與長期合作伙伴AVEVA和KBR的合作，BP僅用了5個月的時(shí)間就成功部署了一個基于云的數(shù)字孿生平臺，從而實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。

在這一數(shù)字孿生平臺的構(gòu)建中，BP使用AVEVA Point Cloud Manager點(diǎn)云管理器來進(jìn)行激光掃描，提供精確的原樣數(shù)據(jù)，以便于遠(yuǎn)程執(zhí)行常規(guī)檢查和實(shí)現(xiàn)精確的項(xiàng)目維護(hù)；通過AVEVA E3D Design三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺來導(dǎo)入激光掃描數(shù)據(jù)，進(jìn)行逆向3D建模和碰撞檢查等，以確保項(xiàng)目設(shè)計(jì)與構(gòu)建的一致性；在AVEVA AIM資產(chǎn)信息管理平臺上，管理項(xiàng)目海量信息，為BP提供基于 Web 的高質(zhì)量標(biāo)簽數(shù)據(jù)、文檔、圖紙、3D 模型和激光掃描數(shù)據(jù)的可視化，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目信息的互聯(lián)互通。

現(xiàn)在，BP的工程師們能夠在基于云的數(shù)字孿生平臺中管理ACE項(xiàng)目的所有相關(guān)數(shù)據(jù)信息，團(tuán)隊(duì)成員之間能夠遠(yuǎn)程協(xié)作，不必前往海上平臺現(xiàn)場，在陸上就可實(shí)現(xiàn)對海上平臺的維護(hù)和檢查活動，提高項(xiàng)目效率的同時(shí)，還幫助BP朝著減少碳排放的遠(yuǎn)程運(yùn)營愿景邁進(jìn)，也更加安全。

在不久的將來，BP還計(jì)劃在海上平臺投入運(yùn)營后，使用AVEVA PI System來收集海上平臺的實(shí)時(shí)運(yùn)營數(shù)據(jù)，將實(shí)時(shí)動態(tài)數(shù)據(jù)與數(shù)字孿生平臺中的靜態(tài)數(shù)據(jù)相結(jié)合，從而助力其實(shí)現(xiàn)更迅速的運(yùn)營決策，并為世界提供更加可靠、廉價(jià)和低碳的能源。

02. 數(shù)字孿生在油氣行業(yè)的六大應(yīng)用

多年來，石油巨頭一直在使用數(shù)字孿生來加速勘探生產(chǎn)，降低運(yùn)營成本，最大限度地降低風(fēng)險(xiǎn)，并改善資產(chǎn)維護(hù)和運(yùn)營方面的決策。數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)被證明是石油和天然氣行業(yè)游戲規(guī)則的改變者。

2019年1月，BP宣布在墨西哥灣Thunder Horse油田發(fā)現(xiàn)了超過10億桶石油，BP將這些發(fā)展歸功于先進(jìn)的地震成像技術(shù)以及數(shù)據(jù)處理技術(shù)，其中就包括數(shù)字孿生技術(shù)。BP稱，此前需要花費(fèi)一年時(shí)間去分析Thunder Horse的數(shù)據(jù)，但現(xiàn)在這只需要幾周。

石油巨頭殼牌同樣也一直看好數(shù)字孿生技術(shù)的前景。殼牌將通過數(shù)字孿生建立一個虛擬工廠，虛擬煉廠選址在其位于新加坡布科姆島的煉油廠。工程師通過虛擬現(xiàn)實(shí)接收工廠運(yùn)行的實(shí)時(shí)信息，從而提高煉油生產(chǎn)率、可靠性和安全性，降低維護(hù)成本，預(yù)計(jì)將于2024年完成。

斯倫貝謝、哈里伯頓等公司利用數(shù)字孿生技術(shù)對鉆井作業(yè)進(jìn)行數(shù)字建模，實(shí)現(xiàn)鉆井過程控制的自動化，避免各類鉆井問題并提升鉆井效率和安全性。國內(nèi)“三桶油”也進(jìn)行了一系列數(shù)字孿生的合作與嘗試探索。

簡單來說，“數(shù)字孿生”就是把一個物體完全復(fù)制到數(shù)字設(shè)備上、便于人們觀察的技術(shù)。該技術(shù)解決了困擾人們已久的虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界連接交互的問題，它可以完全繞過現(xiàn)實(shí)實(shí)物，直接通過操控?cái)?shù)字孿生體進(jìn)行模擬、仿真和預(yù)測。

目前，數(shù)字孿生技術(shù)在油氣行業(yè)的應(yīng)用主要集中在六大方面:

勘探和鉆井：勘探方面，數(shù)字孿生技術(shù)可以對地下儲層進(jìn)行建模，以預(yù)測它們的行為方式。這有助于優(yōu)化提取技術(shù)并最大限度地提高儲層的產(chǎn)量；鉆井優(yōu)化方面，數(shù)字孿生有助于模擬真實(shí)的鉆井場景以確定設(shè)備的可行性。通過識別潛在的問題，應(yīng)地調(diào)整鉆井策略，提高設(shè)備效率并降低油井施工成本。數(shù)字孿生還可增強(qiáng)鉆井活動，減少了整體鉆井時(shí)間，同時(shí)增加了計(jì)劃鉆機(jī)移動、鉆井服務(wù)等。

油田監(jiān)測和預(yù)測性維護(hù)：通過預(yù)先識別問題，數(shù)字孿生有助于預(yù)測資產(chǎn)維護(hù)，從而減少計(jì)劃外停機(jī)時(shí)間并優(yōu)化維護(hù)成本。預(yù)測性分析利用數(shù)字孿生來監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備性能，并創(chuàng)建獨(dú)特的資產(chǎn)特征，然后將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與這些模型進(jìn)行比較，以識別可能出現(xiàn)的偏差，防止重大故障并確保操作的可靠性。

資產(chǎn)運(yùn)營優(yōu)化：數(shù)字孿生可以對資產(chǎn)（如石油鉆井平臺或煉油廠）的整個運(yùn)營進(jìn)行建模。通過模擬不同的條件，識別系統(tǒng)中的瓶頸或效率低下問題，公司可以找到最有效的運(yùn)營方式。

健康、安全與環(huán)境：數(shù)字孿生可以在虛擬環(huán)境中重現(xiàn)緊急情況（如漏油或火災(zāi)），使工人能夠在安全、可控的環(huán)境中練習(xí)他們的反應(yīng)。數(shù)字孿生可以實(shí)時(shí)監(jiān)測排放、廢水和其他環(huán)境因素，確保公司符合監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)并減少對環(huán)境的影響。

設(shè)施生命周期管理：在建造新設(shè)施之前，數(shù)字孿生可以模擬其設(shè)計(jì)，以確保它們滿足所有要求并確定潛在的改進(jìn)；隨著設(shè)施的使用壽命達(dá)到終點(diǎn)，數(shù)字孿生可以幫助規(guī)劃其安全高效的退役。

實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制：在海上或遠(yuǎn)程站點(diǎn)，數(shù)字孿生幫助實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)處監(jiān)視和控制設(shè)備，并最大限度減少往返現(xiàn)場的相關(guān)成本；系統(tǒng)性能方面，通過不斷將數(shù)字孿生的性能與真實(shí)世界的資產(chǎn)進(jìn)行比較，可以立即發(fā)現(xiàn)差異，從而快速進(jìn)行干預(yù)。

采用新技術(shù)總是伴隨著挑戰(zhàn)，在石油和天然氣領(lǐng)域引入數(shù)字孿生也不例外。目前除了對現(xiàn)有員工進(jìn)行培訓(xùn)外，與科技公司合作，利用其專業(yè)知識，并針對石油和天然氣行業(yè)特點(diǎn)來調(diào)整解決方案，成為石油巨頭們的共同選擇之一。