深水流動安全管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與應用

吳海浩， 王 博， 王 智， 金 龍， 宮 敬

(中國石油大學 油氣管道輸送安全國家工程實驗室，北京102249)

深水流動安全管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與應用

吳海浩， 王 博， 王 智， 金 龍， 宮 敬

(中國石油大學 油氣管道輸送安全國家工程實驗室，北京102249)

深水流動安全管理系統(tǒng)作為流動安全保障的分支，在現(xiàn)代化的海上油氣田生產(chǎn)過程中發(fā)揮著重要作用。該文主要闡述了流動安全管理系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)組成、特點優(yōu)勢及現(xiàn)場應用，以O(shè)rmenLang流動安全管理系統(tǒng)為主，對典型流動管理系統(tǒng)的模塊和工作模式進行介紹，并以Idun油氣田為應用實例，對深水流動管理系統(tǒng)在該油田的流動安全管理作用及實際經(jīng)濟效益進行了分析。

流動安全管理系統(tǒng)；系統(tǒng)組成；工作模式；油田應用

0 引言

隨著能源問題的日益突出和海上石油的加速開發(fā)，近年來, 各大石油公司都在積極進行深水油氣勘探,不斷有新的深水油氣田被發(fā)現(xiàn)。其中，英國BP石油公司在位于安哥拉海上的第31號區(qū)塊獲得了第16個深水油氣田，該探井完鉆時的總深度為3 272 m，水深約1 696 m[1]。隨著勘探開發(fā)地深入，新的問題不斷出現(xiàn)，對處于生產(chǎn)運行中海上油氣田進行安全保障與管理的重要性也逐漸體現(xiàn)出來。倘若沒有對生產(chǎn)運輸系統(tǒng)進行有效的管理, 將會造成油氣田停產(chǎn)，海底管道堵塞或管道破裂，不但嚴重影響海上油氣田的正常生產(chǎn), 還會造成嚴重的海洋環(huán)境污染。除建立有效的日常巡檢、定期檢驗與維護制度, 嚴格執(zhí)行安全管理規(guī)定、操作規(guī)程和有關(guān)的規(guī)章制度外[2]，還應該大力發(fā)展深水流動安全管理技術(shù)，通過高效率、智能化的技術(shù)來實現(xiàn)對油氣田的安全管理，滿足生產(chǎn)要求，及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)運行中出現(xiàn)的異常狀況, 采取有效的處理措施保證生產(chǎn)輸送安全，防止海洋環(huán)境污染事故發(fā)生。

過去的幾十年中，對數(shù)字化油田解決方案的關(guān)注逐漸增加，現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備已經(jīng)能夠與高速信息交換系統(tǒng)和作業(yè)指揮中心相連，各大石油公司也展開了一體化作業(yè)、未來油氣田、遙控作業(yè)、智能油田、信息化油田等數(shù)字化油氣田的戰(zhàn)略研究與投資。從1992年巴西石油公司在PROCAP-2000項目的贊助下開展流動安全項目至今[3]，國外相關(guān)技術(shù)公司已開發(fā)出了多種深水油氣田流動監(jiān)測與管理系統(tǒng)，并在北海、墨西哥灣及西非等地區(qū)的一些深水油氣田上得到成功的應用，取得了良好的效果。一些國際大型石油公司已將流動安全在線監(jiān)測系統(tǒng)列為其新油氣田開發(fā)的標準設(shè)計[4]。

1 深水流動安全管理系統(tǒng)概況

各大石油公司提出和開發(fā)的深水流動安全管理系統(tǒng)的名稱和具體對象有所不同，但綜合來看較為典型的系統(tǒng)能夠根據(jù)井口和平臺上的壓力、溫度等數(shù)據(jù)進行各相流量及含水率計算；可精確得出多相流海底管線及立管的壓力和溫度分布，水合物抑制劑的最佳注入量；給出海底管線內(nèi)的持液量、石蠟沉積量與各自分布，并提供最佳的清管頻率；預測管道和立管內(nèi)的多相流型，給出抑制嚴重段塞流的形成方法，以確保水下生產(chǎn)系統(tǒng)和海底管道的安全運行。在海上油氣田的日常生產(chǎn)中，該系統(tǒng)的使用在確保水下生產(chǎn)系統(tǒng)的安全運行、有效避免緊急中斷或停產(chǎn)之外能夠規(guī)劃生產(chǎn)，提高油氣田產(chǎn)量，對于強化海上油氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)的安全運行和提高海上油氣田開發(fā)的經(jīng)濟效益具有十分重要的意義。

圖1 深水流動安全管理系統(tǒng)框架圖

深水流動安全管理系統(tǒng)是一種動態(tài)在線生產(chǎn)支持系統(tǒng)，能夠幫助作業(yè)人員提高對油井和管線內(nèi)流體流動的認識，實現(xiàn)更加主動的低成本、高效率的生產(chǎn)管理。該系統(tǒng)能夠提供生產(chǎn)系統(tǒng)中測試儀器無法觸及的信息，從而使生產(chǎn)作業(yè)人員在基本的油田生產(chǎn)知識的基礎(chǔ)上進一步提出更加先進的生產(chǎn)作業(yè)建議。開放的結(jié)構(gòu)體系使其很容易與第三方軟件相結(jié)合，從而對功能進行進一步的拓展和創(chuàng)新。與傳統(tǒng)的監(jiān)測控制系統(tǒng)不同, 深水流動安全管理系統(tǒng)解決方案的核心是基于現(xiàn)場數(shù)據(jù)和多模型組合，與油田生產(chǎn)相吻合的實時模型有助于提高對油藏、井、管線和設(shè)備的認識，能夠在不改變生產(chǎn)設(shè)備的前提下進行各種生產(chǎn)策略的多次篩選[5]。此外，深水流動安全管理系統(tǒng)中虛擬儀器的數(shù)值可以提示實際儀器在監(jiān)測時可能出現(xiàn)的錯誤，并在錯誤出現(xiàn)時提醒更換儀器。

如圖1所示，深水流動安全管理系統(tǒng)由最底層的傳感器向基礎(chǔ)控制層(PLC/SCADA/DCS)實時傳遞現(xiàn)場數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過篩選處理后打包給流動安全在線管理系統(tǒng)，管理系統(tǒng)會結(jié)合測井數(shù)據(jù)和生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)進行多模型的組合計算。系統(tǒng)在給操作者實時反映現(xiàn)場信息的同時也會提出合理的操作建議，當用戶下達指令后管理系統(tǒng)會將命令交由基礎(chǔ)控制層(PLC/SCADA/DCS)對現(xiàn)場的儀器設(shè)備進行控制[6]。在某些較為先進的管理系統(tǒng)中，除現(xiàn)場管理系統(tǒng)之外還可以實現(xiàn)遠程聯(lián)網(wǎng)控制，以減少邊際油田的人力使用。

2 深水流動安全管理系統(tǒng)組成

深水流動安全管理系統(tǒng)通常針對各油氣田不同的生產(chǎn)運行情況，根據(jù)面臨的具體生產(chǎn)運行問題采用不同的系統(tǒng)模塊組合方式，實現(xiàn)對管道的流動在線監(jiān)測和生產(chǎn)管理控制功能。一般深水安全管理系統(tǒng)由管道管理系統(tǒng)(PMS)、虛擬計量系統(tǒng)(VFMS)、油嘴控制產(chǎn)量系統(tǒng)(PCCS)、蠟沉積監(jiān)測系統(tǒng)(PDMS)、乙二醇注入監(jiān)測控制系統(tǒng)(MIMCS)和水形成監(jiān)測系統(tǒng)(FWMS)等多個系統(tǒng)模塊組成。以O(shè)rmen Lang油田的流動安全管理系統(tǒng)為例，對流動管理系統(tǒng)的典型模塊進行介紹。

2.1 管道管理系統(tǒng)(PMS)

管道管理系統(tǒng)的目的是對生產(chǎn)系統(tǒng)輸送流動信息進行計算和顯示。計算從井口流入?yún)^(qū)域開始，包括水下油井和海洋平臺底座、生產(chǎn)管線和岸上段塞捕集器的詳細數(shù)據(jù)。為確保整個過程的質(zhì)量平衡監(jiān)測，PMS包含對岸上處理設(shè)備的選擇功能，通過多個模型組合進行計算校驗，可以在保證計算正確性的同時對沿線設(shè)備進行校對健康度判斷[7]。此外PMS還包括對MEG注入量的計算和分布顯示，其主要輸出的相關(guān)數(shù)據(jù)為：管線的持液率、管線中的液量分布、管線中流型和斷塞的動態(tài)變化和對捕集器的影響、管線中MEG的濃度、水合物抑制劑的邊界。圖2為Ormen Lang油田的PMS輸出界面。

PMS作為動態(tài)模型，其主要目的是能夠?qū)嶋H情況進行實時的檢測和仿真模擬，對于未來的PMS還應該具有生產(chǎn)過程泄漏、堵塞檢測和MEG注入模擬的功能。

圖2 PMS輸出曲線

2.2 虛擬計量系統(tǒng)(VFMS)

虛擬計量系統(tǒng)是和濕天然氣計量器并行的的計量手段，分別對各個油井的生產(chǎn)流量進行測定。該系統(tǒng)模塊利用管道沿線的各傳感器采集數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過多模型組合計算得出各個井口的產(chǎn)量、含水率等生產(chǎn)參數(shù)，實現(xiàn)對系統(tǒng)生產(chǎn)虛擬計量的目的。以油嘴模型為例，油嘴前后井筒和井口的壓力、溫度傳感器的數(shù)據(jù)是模型計算的主要依據(jù)，模型結(jié)合現(xiàn)場管道設(shè)備參數(shù)及實際流體的流動特性計算得出流體實際流量。作為物理計量設(shè)備強有力的備份，VFMS不僅可以對油氣田的實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行精確計量，模型計算還能夠通過井口的溫度、壓力等參數(shù)對井筒沿線參數(shù)和油藏的壓力溫度進行反算[8]。

如圖3所示，虛擬計量系統(tǒng)可以對實時測出的流動狀況進行監(jiān)測，當實時測量值和設(shè)定安全值相差較大時，系統(tǒng)便會報警。此外，虛擬計量系統(tǒng)還可以通過流量變化結(jié)合現(xiàn)場傳感器發(fā)現(xiàn)井口、平臺的泄漏和堵塞等工況，并向操作人員予以提示。

虛擬計量模型在投產(chǎn)初期需要對每個井口進行相關(guān)參數(shù)的調(diào)節(jié)與校正，而對應用于油田不同生產(chǎn)階段的產(chǎn)量變化在計算時也要進行計算模型的調(diào)整，以保證虛擬計量的準確度。

圖3 VFMS計算值與實際測量值對比

2.3 油嘴控制產(chǎn)量系統(tǒng)(PCCS)

當油氣田處于產(chǎn)量上升期，管道內(nèi)的流動介質(zhì)流速增大會引起段塞流較快地涌入段塞流捕集器，導致捕集器無法正常工作甚至發(fā)生危險。油嘴控制產(chǎn)量系統(tǒng)(PCCS)是通過控制單個油井的流量來維持一定的油氣井產(chǎn)出速率以實現(xiàn)段塞捕集器在正常的壓力邊界范圍內(nèi)工作的控制系統(tǒng)。由于海底管道在輸送中調(diào)節(jié)反應速度較慢，一般系統(tǒng)都需要采用模型預測控制模塊(MPC)，MPC會根據(jù)現(xiàn)有的生產(chǎn)數(shù)據(jù)計算出每個油井在未來4～5個小時內(nèi)的推薦氣體流速。流動控制系統(tǒng)會根據(jù)推薦值對生產(chǎn)油嘴發(fā)出指令，使油嘴產(chǎn)生動作，保證各生產(chǎn)數(shù)據(jù)都處于預設(shè)安全生產(chǎn)范圍內(nèi)[7]。

此外，在某些油氣田生產(chǎn)運行中，系統(tǒng)通過油氣井的連續(xù)采集數(shù)據(jù)建立起各油井的生產(chǎn)特性，結(jié)合油藏數(shù)據(jù)可以得知油井的生產(chǎn)潛力及油、氣、水的產(chǎn)量，得出優(yōu)化開采方案，采取相應生產(chǎn)措施使各個油井增產(chǎn)或減產(chǎn)，以實現(xiàn)對油田最優(yōu)化開采。該生產(chǎn)模式需要通過油嘴控制產(chǎn)量系統(tǒng)(PCCS)的油嘴閥位控制實現(xiàn)預設(shè)的開采方案。圖4為典型的PCCS工作原理圖。

圖4 PCCS工作原理圖

2.4 MEG注入監(jiān)測和控制系統(tǒng)(MIMCS)

海上油氣田的開采和海底管道的油氣輸送處在較低的溫度與較高的壓力環(huán)境之下，這會給水合物的生成與發(fā)展提供更加便利的條件。從海底的井口到生產(chǎn)平臺的管路中很容易生成水合物并發(fā)生水合物的聚集堵塞管道的情況。較為常用的方法是在井口加注乙二醇(MEG)這類熱理學添加劑，而這些添加劑的使用量很大，因此對MEG注入量進行計算、控制和監(jiān)測是很有必要的[8]。

MEG注入監(jiān)測和控制系統(tǒng)是對油氣田生產(chǎn)和海底管道輸送過程中的MEG使用進行計算、控制和監(jiān)測，系統(tǒng)在確保安全生產(chǎn)的同時減少MEG的注入量，實現(xiàn)經(jīng)濟效益的最大化。在Ormen Lang油田中應用的系統(tǒng)會即時顯示當前MEG的注入量、MEG注入閥開度及操作時間，并通過系統(tǒng)中的水合物生成模型計算出從每個油井MEG注入點開始，途經(jīng)海底管匯到岸上整個管線需要的最小MEG注入量。由于系統(tǒng)的目的是防止水合物形成，且MEG采用連續(xù)注入方式，所以對其注入流量要進行精確地計算與控制。系統(tǒng)在計算MEG注入量后會通過MIMCS給出適當?shù)膯尉甅EG閥位置和注入時間，實現(xiàn)MEG注入的優(yōu)化控制。此外，由于MEG的注入受到注入泵特性和不連續(xù)閥門動作的限制，MEG的注入控制還需要通過數(shù)學算法對注入操作控制過程進行優(yōu)化[7]。

3 深水流動安全管理系統(tǒng)工作模式

深水流動安全管理系統(tǒng)在實際的運行中一般具有四個時態(tài)模式，可以完成實時監(jiān)測、計量，生產(chǎn)狀況預測模擬，最優(yōu)化生產(chǎn)管理等不同任務。充分滿足油田計量、監(jiān)控和操作的需求，在實際深水流動管理中起到了很好的安全作用和經(jīng)濟效益。系統(tǒng)各模式如下：

(1) 實時模式。深水流動安全管理系統(tǒng)與實際生產(chǎn)過程同步進行，在運行過程中不斷讀取傳感器數(shù)值并計算出生產(chǎn)計量參數(shù)，實時顯示在監(jiān)控界面。該模式對應于實時狀態(tài)有自動調(diào)整模型，通過模型計算的方法可以提供推薦操作，實現(xiàn)用戶對站場進行連續(xù)的監(jiān)測和控制。

(2) 超前模式。深水流動安全管理系統(tǒng)會通過已得現(xiàn)場數(shù)據(jù)結(jié)合水合物、蠟沉積等預測模型對未來3到4個小時的生產(chǎn)運行狀況進行模擬，在進行生產(chǎn)狀況預測的同時為用戶提供操作的緩沖時間[9]。該模式一般從當前生產(chǎn)狀況開始預測，模擬生產(chǎn)系統(tǒng)不作任何操作時的生產(chǎn)運行狀況。

(3) 試驗模式。該模式可以為操作者模擬從當前狀況開始，對設(shè)備進行操作后生產(chǎn)狀況的變化，例如改變油井生產(chǎn)速率后在線參數(shù)的變化，調(diào)整MEG注入量后水合物生成曲線的變化。該過程應用的模型與超前模式較為相同，但相比于超前模式可以看到操作對生產(chǎn)過程的影響。

(4) 規(guī)劃模式。該模式相似于試驗模式，唯一的區(qū)別是除了從當前生產(chǎn)狀況開始模擬外還可以從其他歷史狀態(tài)或預設(shè)狀態(tài)開始模擬。系統(tǒng)在實時計量的同時會將現(xiàn)場數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，規(guī)劃模式以此為基礎(chǔ)，在改善生產(chǎn)運行的同時可以用來培訓，培養(yǎng)作業(yè)人員對管線動態(tài)特性及設(shè)備使用影響等知識的了解與應用。

4 深水流動安全管理系統(tǒng)的實際運用

Idun油田流動安全管理系統(tǒng)是具有計量、生產(chǎn)控制和最優(yōu)管理特點的在線管理系統(tǒng)。IPA(Idun Production Allocation)會收集油田沿線工藝流程中所測得的靜態(tài)計量參數(shù)，以虛擬計量模塊為核心實現(xiàn)生產(chǎn)模擬、生產(chǎn)最優(yōu)化和生產(chǎn)閥位控制等功能[10]。此外，Idun油田采用多種傳感器監(jiān)測，降低了系統(tǒng)對單一測量設(shè)備的敏感性，挺高了虛擬計量的精度和強健性。

長期油藏管理模式基于油藏歷史數(shù)據(jù)和對油藏數(shù)據(jù)的模擬分析，分析過程以當前生產(chǎn)狀況信息和歷史生產(chǎn)信息對比為主，通過數(shù)據(jù)確定當前油田開采的狀態(tài)和進度，即時進行油田產(chǎn)量的評估，確定油田的后期開采方案。優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)使用生產(chǎn)采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)確定各油井生產(chǎn)特性，得出油井的生產(chǎn)潛力及油氣水的產(chǎn)量情況后，確定每口井的開采方式，實現(xiàn)各油井開采量的最大化。Idun油田對邊際油田采取間歇式生產(chǎn)，以油田在關(guān)井期間憋壓的方式提高邊際油田在后期的產(chǎn)量。水合物控制系統(tǒng)通過當前數(shù)據(jù)和近期生產(chǎn)歷史的使用可以得出生產(chǎn)系統(tǒng)在計劃內(nèi)或計劃外關(guān)井的溫降，并通過計算可確定所需實際水合物抑制劑的具體使用量。Idun系統(tǒng)作為實時運行工具，預測到達水合物生成溫度時間的同時，也會為操作者提供可行的介入手段，有效地防止水合物的生成。

在Idun油氣田的生產(chǎn)期間，流動安全管理系統(tǒng)在保障油氣田安全生產(chǎn)運行的同時帶來較大的經(jīng)濟效益。據(jù)油氣田初步估計，整個油氣田產(chǎn)量增加2%，為油田增加2 500萬美元收益；減少測井和關(guān)井時間為油氣增加300萬美元收益；避免管線內(nèi)水合物堵塞為油氣田增加400萬美元收益。

5 總結(jié)

隨著陸上石油資源開采難度的逐漸加大，海洋蘊藏的豐富石油成為人類未來獲取能源的重要途徑。而深水惡劣的自然環(huán)境不僅對深水浮式平臺、水下生產(chǎn)系統(tǒng)、海上作業(yè)等提出了嚴格的要求，也使運行和工作的各個衛(wèi)星井、邊際油田及中心處理系統(tǒng)之間的海底管線面臨更為嚴峻的考驗。在海上油氣田生產(chǎn)運行中使用深水流動安全管理系統(tǒng)是實現(xiàn)生產(chǎn)輸送安全、提高經(jīng)濟效益的一個行之有效的手段。多個油田的實際使用也表明深水流動安全管理系統(tǒng)相對完善的監(jiān)測、預測、模擬和控制的功能已為油氣田的現(xiàn)代化管理提供了強大的技術(shù)支持。

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The Research Situation and Application of Deepwater Flow Assurance and Maragement System

WU Hai-hao, WANG Bo, WANG Zhi, JIN Long, GONG Jing

(National Engineering Laboratory of Oil and Gas Pipeline Assurance, China University of Petroleum, Beijing 102249, China)

As a branch of flow assurance, Deepwater Flow Assurance and Management System play a significant role in the modern operation of the offshore oil and gas production. This article mainly expounds the framework, system composition, advantage features and field application of the flow assurance and management system. The system of Ormen Lang field was showed here to introduce the typical modules and operating mode. The article also uses the Idun oil field as an example to demonstrate the function and actual economic benefits of the flow assurance and management system.

flow assurance and management system； system composition；operating mode；field application

2014-07-01

國家重大科技專項大型油氣田及煤層氣開發(fā)子課題“深水流動安全保障與水合物風險控制技術(shù)之深水流動安全設(shè)計與流動管理系統(tǒng)技術(shù)”(2011ZX05026-004-003) ；國家自然科學基金項目“深水油氣混輸管線水合物漿液形成理論與流動規(guī)律研究”(51274218)。

吳海浩(1972-)，男，講師。

1001-4500(2015)02-0004-06

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