水下氣田虛擬計(jì)量裝置原理及應(yīng)用研究

程 兵，李清平，姚海元，朱軍龍

(中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028)

隨著水下生產(chǎn)系統(tǒng)在海洋石油開發(fā)中得到越來越廣泛的應(yīng)用，水下虛擬計(jì)量技術(shù)也得到了發(fā)展[1]。應(yīng)用于水下氣田的虛擬計(jì)量系統(tǒng)是一種基于氣田現(xiàn)有儀表和計(jì)算機(jī)技術(shù)的流量計(jì)算系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用多相流體水力和熱力模擬等流動模擬計(jì)算方法，無需新增儀器儀表，可實(shí)現(xiàn)水下流量計(jì)量儀表的主要功能，并達(dá)到較好的精度。由于虛擬計(jì)量系統(tǒng)安裝方便和高可靠性，既可替代水下多相流量計(jì)，也可與多相流量計(jì)配合使用，在水下油氣田開發(fā)工程中具有較廣闊的應(yīng)用前景[2]。

目前，虛擬計(jì)量技術(shù)應(yīng)用在北海、亞太、墨西哥灣以及西非等多處水下油氣田生產(chǎn)中。該項(xiàng)技術(shù)整體性能穩(wěn)定可靠，得到國外石油公司的廣泛認(rèn)可[3]。世界各大水下生產(chǎn)系統(tǒng)廠家、油公司以及設(shè)計(jì)公司均研制了水下虛擬計(jì)量系統(tǒng)。著名的Schlumberger公司旗下的OLGA Online軟件包含的虛擬計(jì)量模塊，可進(jìn)行在線實(shí)時監(jiān)測，為使用者提供流動安全方面的顧問支持，是作業(yè)者進(jìn)行重大決策的可靠保證[4]。中海油的崖城13-4氣田安裝了虛擬計(jì)量系統(tǒng)OLGA ONLINE，并于2012-07在氣田投產(chǎn)，是國內(nèi)首次應(yīng)用的水下虛擬計(jì)量系統(tǒng)[5]。2006年，GE公司的虛擬計(jì)量系統(tǒng)從油嘴智能管理軟件發(fā)展成虛擬計(jì)量系統(tǒng)，并在北海油田應(yīng)用[6]。多相流量計(jì)的生產(chǎn)廠家ROXAR公司開發(fā)的虛擬計(jì)量系統(tǒng)，測量誤差約5%。 FMC 的虛擬計(jì)量系統(tǒng)是油田管理系統(tǒng)Flow Manager 的一個模塊，該系統(tǒng)于1995年首次安裝在北海的Troll B油氣田，在北海、加拿大及非洲等地的海上油氣田共安裝30多臺，服務(wù)于500多口井。國內(nèi)對水下虛擬計(jì)量裝置的國產(chǎn)化也取得了突破，2014年，中海油的流花19-5氣田實(shí)現(xiàn)了虛擬計(jì)量國產(chǎn)化[7]，2019-01，具備一定流動管理功能的虛擬計(jì)量裝置在南海文昌氣田成功實(shí)施。具有虛擬計(jì)量功能的產(chǎn)品及公司如表1。

表1 具有虛擬計(jì)量功能的產(chǎn)品及其公司

1 水下氣田虛擬計(jì)量裝置

1.1 構(gòu)架及原理

典型的水下氣田虛擬計(jì)量系統(tǒng)由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)2部分構(gòu)成,如圖1。

圖1 水下氣田虛擬計(jì)量裝置系統(tǒng)構(gòu)架

硬件系統(tǒng)主要承擔(dān)與現(xiàn)場的DCS的數(shù)據(jù)通信，并作為該系統(tǒng)的運(yùn)行平臺；軟件部分主要包括組態(tài)軟件、數(shù)據(jù)庫軟件及核心計(jì)算軟件[8]。數(shù)據(jù)庫軟件用于管理該系統(tǒng)工作所需的各種參數(shù)，包括氣藏、井筒、油嘴、海管、組分、計(jì)算參數(shù)等。同時，數(shù)據(jù)庫也保存了所有的流量計(jì)算結(jié)果，以便用于數(shù)據(jù)的分析和維護(hù)；組態(tài)軟件提供了OPC服務(wù)器和人機(jī)界面功能，使整個軟件系統(tǒng)成為一個整體運(yùn)行；工作于后臺的核心計(jì)算軟件則完成流量的計(jì)算及其他各種分析運(yùn)算。水下氣田虛擬計(jì)量系統(tǒng)的核心計(jì)算軟件包括所有流量算法及數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，采用多線程的程序開發(fā)，能滿足同時計(jì)量多口生產(chǎn)井的要求。其核心計(jì)算模塊采用多模型同時計(jì)算的方式，即使個別井的井底或井口噴嘴前、后壓力和溫度傳感器失效，系統(tǒng)依然能夠正常工作。

1.2 輸入及輸出數(shù)據(jù)

為了計(jì)算實(shí)時井口流量及海管流動，需要水下生產(chǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)參數(shù)和實(shí)時生產(chǎn)數(shù)據(jù)。水下生產(chǎn)系統(tǒng)基礎(chǔ)參數(shù)主要指井流的組分?jǐn)?shù)據(jù)、氣藏特性、井筒的軌跡和結(jié)構(gòu)、地層溫度分布、油嘴特性、海底管道參數(shù)等。實(shí)時生產(chǎn)數(shù)據(jù)來自于儀表的測量值，包括井筒底部的壓力及溫度、井口壓力及溫度、油嘴后壓力及溫度、油嘴的開度、閥門狀態(tài)、段塞流捕集器的儀表數(shù)據(jù)等。通過虛擬計(jì)量系統(tǒng)的分析計(jì)算，可以獲得的輸出數(shù)據(jù)包括單井的總質(zhì)量流量，氣、油、水三相的體積流量(標(biāo)況)及氣田生產(chǎn)井的總流量。另外，結(jié)合海管的多相流計(jì)算，還可提供海管沿程的壓力、溫度分布等數(shù)據(jù)。

1.3 計(jì)算模型

按照水下氣田生產(chǎn)系統(tǒng)的開發(fā)流程，從井底至采油平臺的流動存在4種流動形式：油藏中的滲流、井筒中的垂直管流、過油嘴的流動及海管中的多相流動。虛擬計(jì)量系統(tǒng)利用這4種流動的特點(diǎn)及形式，建立相應(yīng)的模型及算法，實(shí)現(xiàn)虛擬計(jì)量及海底管道的在線模擬，這些算法包括油藏模型、井筒模型、油嘴模型、海管多相流模型等。

1) 油藏模型。油藏中的滲流可以通過IPR曲線來進(jìn)行估算，或者由油氣田作業(yè)方提供相關(guān)的試井或生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過流壓計(jì)算流量，或通過配產(chǎn)表等方法獲得總流量的估計(jì)值作為其他流量計(jì)算模型的初始值。

2) 井筒模型。通過采集氣井上下部的溫度和壓力傳感器的數(shù)據(jù)，使用井筒模型計(jì)算井筒內(nèi)的總流量。井筒的計(jì)算模型有Beggs-Brill模型[9]、Mukherjee-Brill模型[10]、Duns-Ros模型、Gray模型等。

3) 油嘴模型。通過油嘴前后的溫度和壓力傳感器的數(shù)據(jù)，使用油嘴模型計(jì)算總流量。不同的廠家提供的油嘴類型可能會不同，其流動特性也不同，需要根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)情況進(jìn)行比選確定[12]。油嘴模型包括Sachdeva模型[11]、Perkins模型、Sachdeva改進(jìn)模型等。

4) 海管多相流模型。根據(jù)管道的路由特點(diǎn)、傾角、尺寸以及所輸送的物流的特點(diǎn)來進(jìn)行選取，可以選用的模型包括Beggs-Bril模型、Oliemans 模型、Xiao-Brill模型等。

此外，為了準(zhǔn)確獲得井流在不同工況下的物性，并計(jì)算分相流量，需要獲得準(zhǔn)確的井流物的組分?jǐn)?shù)據(jù)，并根據(jù)相平衡計(jì)算獲得相應(yīng)的物性參數(shù)。一般相態(tài)計(jì)算常用方法有BWRS、SRK、PR等，可以采用自編軟件或者相態(tài)計(jì)算的商業(yè)軟件來計(jì)算。如果要設(shè)置水合物風(fēng)險分析功能，還需要增加水合物的計(jì)算模型。

典型的水下氣田虛擬計(jì)量裝置計(jì)算程序如圖2。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

2012年，水下氣田虛擬計(jì)量裝置首次應(yīng)用在我國南海崖城13-4氣田，并在流花19-5氣田實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化應(yīng)用，虛擬計(jì)量裝置在我國水下氣田的開發(fā)中得到了認(rèn)可。從南海已投產(chǎn)的項(xiàng)目情況看，水下氣田虛擬計(jì)量裝置能有效服務(wù)水下氣田生產(chǎn)，具有以下特點(diǎn)和應(yīng)用效果。

2.1 高靈活性和可靠性

在油氣生產(chǎn)中，單井產(chǎn)量數(shù)據(jù)是進(jìn)行油氣藏動態(tài)預(yù)測與生產(chǎn)管理的關(guān)鍵信息，對于水下生產(chǎn)系統(tǒng)，通常需要為每口生產(chǎn)井單獨(dú)安裝1臺多相流量計(jì)。水下多相流量計(jì)大多為國外產(chǎn)品、價格昂貴，且多相流量計(jì)的測試、校準(zhǔn)及安裝維護(hù)都存在一定難度。采用水下虛擬計(jì)量裝置，可以有效地補(bǔ)充水下流量計(jì)的一些不足之處，在邊際氣田甚至可以替代水下流量計(jì)使用[13]。水下虛擬計(jì)量裝置的靈活性和可靠性保證了其可以作為現(xiàn)有氣田的新增設(shè)施接入系統(tǒng)中，可以作為邊際氣田節(jié)省開發(fā)成本的利器，還可以作為多井口的大型氣田的“產(chǎn)量管家”?？勺鳛樗铝髁坑?jì)的補(bǔ)充或者替代水下流量計(jì)。

水下虛擬計(jì)量裝置與水下流量計(jì)的特點(diǎn)對比如表2。

圖2 典型的水下氣田虛擬計(jì)量裝置計(jì)算程序

表2 水下虛擬計(jì)量裝置與水下流量計(jì)的特點(diǎn)對比

2.2 較好的計(jì)量精度

已經(jīng)投用的水下氣田虛擬流量裝置在計(jì)量精度方面實(shí)現(xiàn)了較好的應(yīng)用效果。對于可獲得各測點(diǎn)壓力和溫度的油氣井，虛擬計(jì)量系統(tǒng)的氣相測量誤差一般在2%～5%[14]。當(dāng)個別油氣井的井筒或水下采油樹油嘴前、后壓力和溫度傳感器失效時，虛擬計(jì)量系統(tǒng)也能通過對整個生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的分析，通過水下生產(chǎn)系統(tǒng)總流量減去其他各井量的方式，計(jì)算出該油氣井的產(chǎn)量。從目前各大氣田應(yīng)用的效果來看，氣田虛擬計(jì)量系統(tǒng)在校準(zhǔn)后通?？梢赃_(dá)到單井氣相流量誤差在5%以內(nèi)的計(jì)量精度。

圖3a為南海某氣井水下虛擬計(jì)量裝置氣相產(chǎn)量計(jì)算值與流量計(jì)測量值的對比，水下虛擬計(jì)量裝置的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測量值吻合較好，測試期間的各種產(chǎn)量調(diào)整過程所產(chǎn)生的產(chǎn)量波動都基本可以很好地體現(xiàn)，期間的幾次關(guān)停井造成的短時間停產(chǎn)過程也沒有影響水下虛擬計(jì)量裝置的工作。

圖3b為氣相計(jì)算值與測量值的相對誤差分布，相對誤差小于±5%的計(jì)算結(jié)果占92%左右。水下虛擬計(jì)量裝置的液相計(jì)量測量誤差一般可以達(dá)到10%左右。整體來看，這樣的計(jì)量效果可以滿足氣田生產(chǎn)的需求。

a 氣相產(chǎn)量計(jì)算值與流量計(jì)測量值的對比

2.3 可實(shí)現(xiàn)管道的流動監(jiān)測

水下虛擬計(jì)量裝置不僅可以實(shí)現(xiàn)單井各相計(jì)量的需求，且其計(jì)算的流量數(shù)據(jù)可以用來計(jì)算和校核海底管道運(yùn)行數(shù)據(jù)，為管道提供流動監(jiān)測的功能。在南海某氣田2019年投產(chǎn)的水下虛擬計(jì)量裝置中，采用其提供的入口數(shù)據(jù)和段塞流捕集器的溫度壓力參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，對海底管道的溫度和壓力分布進(jìn)行了對比。圖4為測試期間該系統(tǒng)所計(jì)算的壓降，及海底管道出口溫度。將其同實(shí)測壓降及段塞流捕集器溫度比較，幾乎所有數(shù)據(jù)落在誤差10%的范圍內(nèi)，其中壓降的預(yù)測結(jié)果絕大多數(shù)偏大，誤差在0%～8%，而溫度誤差絕大多數(shù)為5%～9%。

根據(jù)溫度和壓力的分布還可以評估水合物生成風(fēng)險，整條管道不會生成水合物，處于安全運(yùn)行的狀態(tài)。采用水下虛擬計(jì)量裝置的這一拓展功能，可以實(shí)現(xiàn)海底管道沿線的溫度、壓力等參數(shù)的顯示、儀表讀數(shù)的展示，并可以體現(xiàn)水合物生成風(fēng)險、段塞流風(fēng)險等，從而實(shí)現(xiàn)更好的生產(chǎn)管理。

a 海管沿程壓力分布

2.4 可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的動態(tài)管理

水下虛擬計(jì)量裝置提供的系統(tǒng)功能包括數(shù)據(jù)的存儲、導(dǎo)入、導(dǎo)出、統(tǒng)計(jì)、報警等。日常氣藏管理的主要工作是動態(tài)監(jiān)測和診斷，除了油、氣、水的產(chǎn)量之外，還需要關(guān)注氣藏各個生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)的壓力、注入的化學(xué)藥劑量、油氣比、水氣比的變化[15]。水下虛擬計(jì)量裝置采用成熟的數(shù)據(jù)庫軟件來管理數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的管理功能。數(shù)據(jù)庫軟件包括實(shí)時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫會設(shè)置訪問權(quán)限，并需要具有簡單易行、方便用戶的在線和離線編輯、維護(hù)、查找、修改、導(dǎo)入/導(dǎo)出、備份/還原、統(tǒng)計(jì)和報表打印的功能。此外，用戶還可以設(shè)置某些參數(shù)和工況的報警按鈕，從而達(dá)到更好的生產(chǎn)管理效果。虛擬計(jì)量提供的產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)可以便于操作者對氣藏生產(chǎn)做出更加合理的規(guī)劃和安排，其提供的參數(shù)報警等功能可以便于操作者及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中的問題，對生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)更好的動態(tài)管理。

3 結(jié)語

水下虛擬計(jì)量技術(shù)以其良好的經(jīng)濟(jì)性、可靠性、準(zhǔn)確性和靈活度，正在越來越多的海上油氣田中得到應(yīng)用。其在南海水下邊際氣田的成功應(yīng)用，為未來海上邊際氣田開發(fā)及水下單井計(jì)量方式選擇起到了良好的示范作用,為實(shí)現(xiàn)氣田智能流動管理奠定基礎(chǔ)，同時也為保護(hù)海上油氣田的信息安全提供保障。

虛擬計(jì)量技術(shù)是流動管理系統(tǒng)功能模塊之一。在海上天然氣田開發(fā)過程中，通過對虛擬計(jì)量技術(shù)的應(yīng)用，可進(jìn)一步探索水合物動態(tài)管理和生產(chǎn)安全管理等智能氣田創(chuàng)新技術(shù)。隨著建設(shè)數(shù)字化油田和海上智能化油田的開展，水下虛擬計(jì)量裝置還需要繼續(xù)深入研究。