導(dǎo)語：水下氣田流動管理系統(tǒng)功能與應(yīng)用一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：隨著水下生產(chǎn)系統(tǒng)在深水氣田開發(fā)中的廣泛應(yīng)用，監(jiān)測和控制水合物、段塞流等流動安全問題的流動管理系統(tǒng)得到了發(fā)展和應(yīng)用。水下氣田流動管理系統(tǒng)常見的四種操作模式為實時模式、預(yù)測模式、假定模式和培訓(xùn)模式，系統(tǒng)的主要功能包括流動安全監(jiān)測和分析、流動安全工況的模擬和預(yù)測，以及常規(guī)的數(shù)據(jù)存儲、統(tǒng)計和報警等功能。流動安全監(jiān)測和分析功能可實現(xiàn)參數(shù)實時顯示、虛擬計量、水合物風(fēng)險監(jiān)測與分析、段塞監(jiān)測與控制等；流動安全工況模擬預(yù)測功能主要包括泄放工況、增輸和減輸工況、啟動和關(guān)停工況、氣體循環(huán)工況、清管工況等的模擬與預(yù)測。對水下氣田流動管理系統(tǒng)功能的分析和研究有助于更好地建設(shè)數(shù)字化智能氣田，為水下氣田的安全生產(chǎn)運行提供保障。

關(guān)鍵詞：水下氣田；流動管理系統(tǒng)；流動安全；虛擬計量；數(shù)字化

隨著海洋石油工業(yè)的發(fā)展，水下生產(chǎn)系統(tǒng)的開發(fā)方式得到了更加廣泛的應(yīng)用[1]，成為深水油氣田開發(fā)的一個發(fā)展趨勢，目前其最大應(yīng)用水深接近3000m，最長回接距離近150km。在國內(nèi)，水下生產(chǎn)系統(tǒng)的開發(fā)已經(jīng)在荔灣3-1氣田等10個油氣田成功實施[2]，并且在南海深水開發(fā)中還將扮演更加重要的角色。在全球石油行業(yè)數(shù)字化的背景下，如何對水下生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)和流動安全進行有效的管理，成為一個重要的問題，尤其是水下氣田，管道的地形起伏、高溫、高壓等一系列外界條件帶來的水下計量困難，以及水合物、段塞流、沖蝕、腐蝕等問題為回接管道的流動安全帶來了很大的風(fēng)險。為實現(xiàn)更好的流動管理效果，基于多相流計算原理研發(fā)了水下氣田流動管理系統(tǒng)，在北海、亞太、墨西哥灣以及西非等多處水下油氣田生產(chǎn)中得到應(yīng)用，并得到廣泛認可。水下氣田流動管理系統(tǒng)主要根據(jù)氣田水下設(shè)施特性及參數(shù)建模，及時從監(jiān)測對象（井筒、管線、段塞流捕集器等）處的傳感器及儀表獲取數(shù)據(jù)（壓力、溫度、閥門開度等），將采集到的輸入數(shù)據(jù)傳遞到系統(tǒng)內(nèi)開展計算，從而計算出海底管道等水下設(shè)施相關(guān)流動參數(shù)，監(jiān)測管道流動狀態(tài)，并在此基礎(chǔ)上判斷和預(yù)測流動安全風(fēng)險，為生產(chǎn)作業(yè)人員提供操作建議。目前國際上比較著名的主要是OL-GAONLINE和DIGITALTWIN等系統(tǒng)。以O(shè)LGA為內(nèi)核的OLGAONLINE解決方案已成為數(shù)字化油田的重要選項[3]，在OrmenLange、Scarab/Saffron、Corrib、Goldeneye、CanyonExpress、Snøhvit和Shtokman等油氣田的開發(fā)過程中，由OLGAON-LINE輔助的遠程作業(yè)提供了重要的支持[4]，在我國荔灣3-1氣田也正在使用。DIGITALTWIN數(shù)字孿生系統(tǒng)采用LedaFlow+K-Spice模式，其特點是利用LedaFlow實現(xiàn)水下管道的流動模擬，K-Spice實現(xiàn)平臺上部工藝的模擬，并實現(xiàn)連接，模擬整個生產(chǎn)系統(tǒng)的工況[5]。此外，F(xiàn)LOWMANAGER，VIR-TUOSO等流動管理系統(tǒng)也有較多的應(yīng)用[6]。2013年，在流花19-5氣田首次實現(xiàn)了水下虛擬計量技術(shù)的國內(nèi)應(yīng)用[5]，并于2019年在文昌10-3氣田安裝了初步的流動管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了海管監(jiān)測和水合物風(fēng)險監(jiān)測等功能。

1常見操作模式

水下氣田流動管理系統(tǒng)采用多相流動態(tài)模擬技術(shù)手段，從采集數(shù)據(jù)中通過模擬計算獲得無法直接采集的生產(chǎn)運行信息，實時監(jiān)控診斷油氣生產(chǎn)運行狀態(tài)，能夠預(yù)測工況和規(guī)劃操作。同時基于采集數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果進行綜合分析，智能應(yīng)用以及可視化展示。運用動態(tài)仿真技術(shù)建立實時在線氣田流動管理系統(tǒng)，實現(xiàn)油氣生產(chǎn)從地層到井筒再到地面工藝一體化運行管理，防范并預(yù)警油氣生產(chǎn)運行過程中面臨的安全風(fēng)險。水下氣田流動管理系統(tǒng)通常會提供多種操作模式，用于滿足實時監(jiān)測、未來工況預(yù)測、培訓(xùn)等多種需求[7]。水下氣田流動管理系統(tǒng)常見的四種操作模式見表1。

2主要功能

2.1流動安全的監(jiān)測和分析功能。2.1.1水下設(shè)施的實施生產(chǎn)參數(shù)實時顯示。典型的水下氣田流動管理系統(tǒng)通?？梢蕴峁馓锼略O(shè)施的實施生產(chǎn)參數(shù)實時顯示功能。顯示的對象通常包括系統(tǒng)總覽、各單井、各水下管匯、海管管道沿程、段塞流捕集器等。顯示的主要參數(shù)一般包括溫度、壓力、流量、閥門開度、化學(xué)藥劑量等。對于海管參數(shù)還可以包括沿程路由、流型、持液率、管內(nèi)滯液量等。通過以上信息的實時顯示，可以讓操作人員隨時了解和掌握整個氣田水下的生產(chǎn)狀況。2.1.2水下虛擬計量。在油氣生產(chǎn)中，單井產(chǎn)量數(shù)據(jù)是進行油氣藏動態(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)，以前通常需要為每口生產(chǎn)井單獨安裝1臺多相流量計。但水下多相流量計多為國外技術(shù)壟斷、價格昂貴，同時多相流量計的測試、校準及安裝維護都存在一定問題。氣田流動管理系統(tǒng)的水下虛擬計量功能是一種基于氣田現(xiàn)有儀表和計算機技術(shù)的流量計算系統(tǒng)[8]。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算方法，無需新增儀器儀表，可實現(xiàn)水下流量計量儀表的主要功能，并達到較好的精度。由于虛擬計量系統(tǒng)的安裝方便和高可靠性，既可替代水下多相流量計，也可與多相流量計配合使用，在水下油氣田開發(fā)工程中具有較廣闊的應(yīng)用前景。水下虛擬計量功能的主要優(yōu)點包括以下幾方面：①便捷性。僅僅通過現(xiàn)有的儀表及設(shè)施獲取參數(shù)，無需在水下增加任何儀表或設(shè)施；可以獨立于平臺系統(tǒng)運行，不會引起干擾。②可靠性。設(shè)備簡單，不需要復(fù)雜的操作和維護，不會輕易失效。③量程大且測量范圍廣。通過調(diào)整所采用的多相流模型，可以適應(yīng)不同管道路由、不同流型和不同組分的流量計算，調(diào)試后可以使計算效果更佳。④環(huán)保和安全。沒有輻射及其他安全風(fēng)險。⑤價格低。可以用于替代昂貴的水下流量計，也可以用于互補或備用。⑥易于維護。如果出現(xiàn)問題，容易維修，不需要從水下取回和安裝[9]。氣田流動管理系統(tǒng)主要通過三種方式模擬實現(xiàn)水下計量功能：①油藏模型：通過油藏和試井獲得的IPR方程，通過流壓計算流量，或通過配產(chǎn)表等方法獲得總流量的估計值作為其他流量計算模型的初始值。②井筒模型：通過氣井上下部的溫度和壓力傳感器的數(shù)據(jù)，使用井筒模型計算井筒內(nèi)的總流量。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)，使用油嘴模型計算總流量。此外還可以通過海管的溫壓數(shù)據(jù)進行反算。在氣田生產(chǎn)工況發(fā)生變化時，可以通過模型的調(diào)整來實現(xiàn)虛擬計量效果的優(yōu)化。從目前各大氣田應(yīng)用的效果來看，氣田虛擬計量系統(tǒng)在校準后通?？梢赃_到單井氣相流量誤差控制在5%以內(nèi)的計量精度（圖1），能夠滿足現(xiàn)場生產(chǎn)的一般要求。2.1.3水合物風(fēng)險監(jiān)測及分析。水合物風(fēng)險監(jiān)測主要用于監(jiān)測海底管道日常生產(chǎn)時的水合物生成風(fēng)險、井口和跨接管在氣田啟動工況時的水合物生成風(fēng)險。水下氣田主要通過注入化學(xué)藥劑來防止水合物在井口至管匯至平臺之間的水下生產(chǎn)系統(tǒng)中生成[10]。在正常生產(chǎn)情況下通過連續(xù)注入MEG貧液來防止水合物生成，而在啟動、關(guān)停和清除水合物事故時需要注入甲醇來防止水合物生成。在評估水合物生成風(fēng)險時，采用模型計算管道流體的水合物生成問題，再將管道內(nèi)流體的溫度與水合物生成溫度對比，即可判斷水合物生成的風(fēng)險（圖2）。此外，還可以選擇不同的水合物抑制劑注入濃度，不同的濃度下對應(yīng)的水合物生成曲線也有所不同，從而優(yōu)化水合物抑制劑的注入量，實現(xiàn)降本增效。氣田流動管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)水合物抑制劑的統(tǒng)計和監(jiān)測功能。即使有兩種水合物抑制劑，也可以分別建模，利用井模型進行甲醇跟蹤，利用海底管道模型進行MEG跟蹤。在相應(yīng)的頁面，可以顯示注入藥劑的流量、濃度以及水合物生成溫度等信息，并進行注入量的統(tǒng)計。2.1.4段塞監(jiān)測及控制。在海底地形起伏和管道低氣量時，容易導(dǎo)致嚴重段塞流的發(fā)生，其引起的壓力、流量劇烈波動可能造成段塞流捕集器溢流或斷流，對生產(chǎn)造成危害[11]。因此，需要掌握管道內(nèi)段塞的生成，消除其不利影響。段塞監(jiān)測用于顯示水下生產(chǎn)系統(tǒng)的海管沿線內(nèi)的積液情況，包括總液量、凝析液量和水相含量的數(shù)據(jù)，以及對段塞流型的判斷和進入下游段塞流捕集器的段塞量的分析，為后續(xù)的段塞控制提供依據(jù)。通過對管道內(nèi)的液體量的監(jiān)測管理，可以有效避免下游出現(xiàn)段塞無法及時處理的工況，保障生產(chǎn)的安全[12]。段塞控制可以采用立管頂部節(jié)流閥智能調(diào)節(jié)的方法，基于PID控制機理，根據(jù)海底管道入口壓力進行調(diào)節(jié)控制，閥門開度為被調(diào)節(jié)參數(shù)，PID用于計算閥門開度的差別[13]。在程序中，采用一個略大和略小的閥門開度區(qū)間，以便更快地穩(wěn)定壓力波動，并使壓力更接近設(shè)定點，減小段塞流的危害。2.1.5清管跟蹤。清管跟蹤功能用于顯示海底管道的清管工況相關(guān)信息。當(dāng)清管器發(fā)出時，平臺控制系統(tǒng)會發(fā)出清管的相關(guān)信號。清管循環(huán)氣的壓力和流量在整個清管過程中都可以跟蹤。在清管跟蹤功能中，可顯示管道沿線的滯液量、清管器速度、總距離、剩余距離、剩余時間、清管器前端液量、預(yù)測的清管器到達時間、標(biāo)定的泄漏比等參數(shù)，為平臺上部的操作提供依據(jù)，保障清管的順利實施。2.1.6砂監(jiān)測。砂監(jiān)測功能主要包括高流速下的砂沖蝕風(fēng)險監(jiān)測和低流速下的砂沉積風(fēng)險監(jiān)測。在沖蝕監(jiān)測方面，氣田流動管理系統(tǒng)可以對所有生產(chǎn)節(jié)流閥、管道入口、出口和立管頂部等關(guān)鍵點設(shè)置沖蝕速度分析的功能，計算出局部的EVR，判斷是否有砂沖蝕的風(fēng)險。防砂關(guān)注的主要信息是井底的磨損速率和生產(chǎn)系統(tǒng)中特定部位的混合速度。每口井的井底磨損速率都要進行監(jiān)控，以判斷井的出砂情況。該數(shù)據(jù)可以在界面中查看，并可以定義報警的臨界值。海底管道入口、立管底部等關(guān)鍵位置的混合流體速度也可以在界面中顯示及定義報警的臨界值。在砂沉積監(jiān)測方面，主要是監(jiān)測局部的最低流速，防止流速過低造成砂無法被流體攜帶沖走，避免形成局部的堵塞而給跨接管和管道造成風(fēng)險。砂監(jiān)測的功能可以結(jié)合水下砂監(jiān)測裝置的讀數(shù)來開發(fā)。2.1.7腐蝕監(jiān)測。腐蝕監(jiān)測頁面顯示的信息包括剪切應(yīng)力、持液率、流型圖、不同判據(jù)計算的腐蝕速率、氣相/液相/水相的速度、管道上部凝析速率、表觀混合速度、CO2分壓以及腐蝕探測裝置的讀數(shù)等。腐蝕監(jiān)測的功能可以通過采用流體-管壁的剪切應(yīng)力來判斷，用戶定義剪切應(yīng)力的極限值，如果高于此值，將進行報警；或者采用內(nèi)嵌的相關(guān)式來判斷；此外還可以結(jié)合水下生產(chǎn)系統(tǒng)中安裝的腐蝕探測裝置讀取數(shù)值，并在流動管理系統(tǒng)中進行顯示。2.1.8泄漏監(jiān)測和堵塞監(jiān)測。泄漏監(jiān)測用于提醒操作者海底管道中是否有泄漏的現(xiàn)象，監(jiān)測系統(tǒng)還可以提示在管道何位置發(fā)生泄漏。泄漏監(jiān)測的主要信息包括泄漏發(fā)生的時間、泄漏率、累計泄漏量等。堵塞監(jiān)測用于提醒操作者海底管道中是否有堵塞的現(xiàn)象，監(jiān)測系統(tǒng)可以分析管道中壓力突然變化的地點，從而提示和分析在管道何位置發(fā)生堵塞。2.2流動安全工況的模擬預(yù)測功能。除了對水下生產(chǎn)系統(tǒng)的流動安全情況進行在線監(jiān)測和分析外，氣田流動管理系統(tǒng)的另外一個主要的功能就是對不同的流動安全工況進行模擬和預(yù)測。以當(dāng)前生產(chǎn)工況、某個歷史工況乃至假定工況為模擬基礎(chǔ)，進行特殊流動安全工況的模擬，實現(xiàn)對該工況的分析，為未來的生產(chǎn)狀況做出預(yù)測，為操作者的決策提供參考依據(jù)。氣田流動管理系統(tǒng)對流動安全操作工況的模擬和預(yù)測主要包括泄放工況、增輸和減輸工況、啟動和關(guān)停工況、氣體循環(huán)工況、清管工況等[14]。2.2.1泄放工況。管道的泄放工況可以用來模擬某個泄放速度下溫降和時間的關(guān)系，為泄放操作提供建議（圖3）。如果泄放速度過快，急速的溫降可能會造成冰堵的風(fēng)險，下游的管件也可能無法承受過低的溫度。通過模擬來判斷泄放方式是否適合，例如采用階梯式多次降壓的泄放方法，可以有效減少低溫風(fēng)險。2.2.2增輸和減輸工況。增輸工況的模擬是在指定的時間段內(nèi)增加流量，通過計算分析管道內(nèi)滯液量的變化，并根據(jù)段塞流捕集器的容量、泄放速度來判斷增輸方案是否安全，上部設(shè)施是否可以順利完成段塞量的處理。通過模擬可以確定合適的增輸幅度。減輸工況的模擬是在指定的時間段內(nèi)減小流量，通過計算分析管道內(nèi)沒有液相和水相流出的時間（圖4），并根據(jù)平臺上的乙二醇儲量進行分析，判斷在沒有富乙二醇回流的這段時間里，存量的乙二醇是否可以滿足生產(chǎn)的注入要求，如果不滿足且沒有其他的乙二醇補充方案，則可能造成水合物生成風(fēng)險。2.2.3啟動和關(guān)停工況。對于啟動工況，主要是通過對啟井時甲醇注入量進行分析，并判斷管道的滯液平衡時間和所需的乙二醇用量，來分析氣田啟動方案合理性，并提出操作建議。對于關(guān)停工況，主要是通過對關(guān)停時甲醇注入量和管道的溫降情況進行分析，并判斷關(guān)停后管道的水合物生成風(fēng)險，分析氣田關(guān)停方案合理性，并提出操作建議。2.2.4氣體循環(huán)工況。對于荔灣3-1、陵水17-2等采用雙海管的水下氣田來說，部分生產(chǎn)工況下可能需要采用氣體循環(huán)的操作來實現(xiàn)生產(chǎn)的優(yōu)化，采用氣體循環(huán)，可以有效減小單管所需的背壓，提高產(chǎn)量。氣體循環(huán)的模擬用于優(yōu)化啟動和終止氣體循環(huán)的操作，可以設(shè)置注氣閥門開度的邏輯控制，井流量也可以根據(jù)氣體循環(huán)的效果進行調(diào)節(jié)控制。氣體循環(huán)模擬時可以展示氣體循環(huán)的流量、壓力、閥門開度等，以及井口、段塞流捕集器、節(jié)流閥的壓力和流量等信息。此外，操作者也可以根據(jù)自己的需求，自定義生產(chǎn)工況進行模擬。2.3其他常見的系統(tǒng)功能。水下氣田流動管理系統(tǒng)常見的系統(tǒng)功能還包括數(shù)據(jù)的存儲、導(dǎo)入、導(dǎo)出、統(tǒng)計、報警等。氣田流動管理系統(tǒng)使用的各種計算數(shù)據(jù)數(shù)量繁多，同時還要長時間存儲大量計算結(jié)果，因此需要采用成熟的數(shù)據(jù)庫軟件來管理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫軟件包括實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫應(yīng)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、查找、修改、導(dǎo)入/導(dǎo)出、備份/還原、統(tǒng)計和報表打印的功能，以便氣田操作者掌握氣田生產(chǎn)的各類數(shù)據(jù)。此外，用戶還可以設(shè)置某些參數(shù)和工況的報警按鈕，提醒操作者及時注意并處理，達到更好的監(jiān)測效果[15]。

3結(jié)束語

流動管理系統(tǒng)在水下氣田的生產(chǎn)管理中發(fā)揮了重要的作用，保障了流動安全，減少了運行成本。其提供的水下虛擬計量功能，有效保障了氣田的單井計量效果，尤其是在部分氣田水下流量計無法正常工作的情況下發(fā)揮了重要作用，在邊際油田甚至可以直接替代水下流量計，從而減少設(shè)備的初始投資；可以實時監(jiān)測生產(chǎn)并建立動態(tài)數(shù)據(jù)庫，便于氣田管理；提供流動安全管理，全面監(jiān)測管理水合物、段塞流、腐蝕、沖蝕等各類風(fēng)險，避免出現(xiàn)危險的流動安全工況，有效保障氣田生產(chǎn)；還可以預(yù)測未來生產(chǎn)狀況，輔助生產(chǎn)者決策和制定計劃，實現(xiàn)更加科學(xué)和合理的生產(chǎn)；對于在建氣田，操作者采用流動管理系統(tǒng)提前進行生產(chǎn)工況的調(diào)試模擬，甚至可以縮短一周乃至更多的調(diào)試時間，實現(xiàn)早日投產(chǎn)，節(jié)約成本。隨著建設(shè)數(shù)字化油田和海上智能化油田的開展，水下氣田流動管理技術(shù)還需要繼續(xù)深化研究，在全面實現(xiàn)國產(chǎn)化方面做出更多的努力，取得更大的突破。

作者:程兵 李清平 秦蕊 姚海元 單位:中海油研究總院有限責(zé)任公司