水下气田流动管理系统功能与应用

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摘要：随着水下生产系统在深水气田开发中的广泛应用，监测和控制水合物、段塞流等流动安全问题的流动管理系统得到了发展和应用。水下气田流动管理系统常见的四种操作模式为实时模式、预测模式、假定模式和培训模式，系统的主要功能包括流动安全监测和分析、流动安全工况的模拟和预测，以及常规的数据存储、统计和报警等功能。流动安全监测和分析功能可实现参数实时显示、虚拟计量、水合物风险监测与分析、段塞监测与控制等；流动安全工况模拟预测功能主要包括泄放工况、增输和减输工况、启动和关停工况、气体循环工况、清管工况等的模拟与预测。对水下气田流动管理系统功能的分析和研究有助于更好地建设数字化智能气田，为水下气田的安全生产运行提供保障。

关键词：水下气田；流动管理系统；流动安全；虚拟计量；数字化

随着海洋石油工业的发展，水下生产系统的开发方式得到了更加广泛的应用[1]，成为深水油气田开发的一个发展趋势，目前其最大应用水深接近3000m，最长回接距离近150km。在国内，水下生产系统的开发已经在荔湾3-1气田等10个油气田成功实施[2]，并且在南海深水开发中还将扮演更加重要的角色。在全球石油行业数字化的背景下，如何对水下生产系统的生产和流动安全进行有效的管理，成为一个重要的问题，尤其是水下气田，管道的地形起伏、高温、高压等一系列外界条件带来的水下计量困难，以及水合物、段塞流、冲蚀、腐蚀等问题为回接管道的流动安全带来了很大的风险。为实现更好的流动管理效果，基于多相流计算原理研发了水下气田流动管理系统，在北海、亚太、墨西哥湾以及西非等多处水下油气田生产中得到应用，并得到广泛认可。水下气田流动管理系统主要根据气田水下设施特性及参数建模，及时从监测对象（井筒、管线、段塞流捕集器等）处的传感器及仪表获取数据（压力、温度、阀门开度等），将采集到的输入数据传递到系统内开展计算，从而计算出海底管道等水下设施相关流动参数，监测管道流动状态，并在此基础上判断和预测流动安全风险，为生产作业人员提供操作建议。目前国际上比较著名的主要是OL-GAONLINE和DIGITALTWIN等系统。以OLGA为内核的OLGAONLINE解决方案已成为数字化油田的重要选项[3]，在OrmenLange、Scarab/Saffron、Corrib、Goldeneye、CanyonExpress、Snøhvit和Shtokman等油气田的开发过程中，由OLGAON-LINE辅助的远程作业提供了重要的支持[4]，在我国荔湾3-1气田也正在使用。DIGITALTWIN数字孪生系统采用LedaFlow+K-Spice模式，其特点是利用LedaFlow实现水下管道的流动模拟，K-Spice实现平台上部工艺的模拟，并实现连接，模拟整个生产系统的工况[5]。此外，FLOWMANAGER，VIR-TUOSO等流动管理系统也有较多的应用[6]。2013年，在流花19-5气田首次实现了水下虚拟计量技术的国内应用[5]，并于2019年在文昌10-3气田安装了初步的流动管理系统，实现了海管监测和水合物风险监测等功能。

1常见操作模式

水下气田流动管理系统采用多相流动态模拟技术手段，从采集数据中通过模拟计算获得无法直接采集的生产运行信息，实时监控诊断油气生产运行状态，能够预测工况和规划操作。同时基于采集数据和模拟结果进行综合分析，智能应用以及可视化展示。运用动态仿真技术建立实时在线气田流动管理系统，实现油气生产从地层到井筒再到地面工艺一体化运行管理，防范并预警油气生产运行过程中面临的安全风险。水下气田流动管理系统通常会提供多种操作模式，用于满足实时监测、未来工况预测、培训等多种需求[7]。水下气田流动管理系统常见的四种操作模式见表1。

2主要功能

2.1流动安全的监测和分析功能。2.1.1水下设施的实施生产参数实时显示。典型的水下气田流动管理系统通常可以提供气田水下设施的实施生产参数实时显示功能。显示的对象通常包括系统总览、各单井、各水下管汇、海管管道沿程、段塞流捕集器等。显示的主要参数一般包括温度、压力、流量、阀门开度、化学药剂量等。对于海管参数还可以包括沿程路由、流型、持液率、管内滞液量等。通过以上信息的实时显示，可以让操作人员随时了解和掌握整个气田水下的生产状况。2.1.2水下虚拟计量。在油气生产中，单井产量数据是进行油气藏动态预测与生产管理的关键信息，对于水下生产系统，以前通常需要为每口生产井单独安装1台多相流量计。但水下多相流量计多为国外技术垄断、价格昂贵，同时多相流量计的测试、校准及安装维护都存在一定问题。气田流动管理系统的水下虚拟计量功能是一种基于气田现有仪表和计算机技术的流量计算系统[8]。该系统充分利用多相流体水力和热力模拟等流动模拟计算方法，无需新增仪器仪表，可实现水下流量计量仪表的主要功能，并达到较好的精度。由于虚拟计量系统的安装方便和高可靠性，既可替代水下多相流量计，也可与多相流量计配合使用，在水下油气田开发工程中具有较广阔的应用前景。水下虚拟计量功能的主要优点包括以下几方面：①便捷性。仅仅通过现有的仪表及设施获取参数，无需在水下增加任何仪表或设施；可以独立于平台系统运行，不会引起干扰。②可靠性。设备简单，不需要复杂的操作和维护，不会轻易失效。③量程大且测量范围广。通过调整所采用的多相流模型，可以适应不同管道路由、不同流型和不同组分的流量计算，调试后可以使计算效果更佳。④环保和安全。没有辐射及其他安全风险。⑤价格低。可以用于替代昂贵的水下流量计，也可以用于互补或备用。⑥易于维护。如果出现问题，容易维修，不需要从水下取回和安装[9]。气田流动管理系统主要通过三种方式模拟实现水下计量功能：①油藏模型：通过油藏和试井获得的IPR方程，通过流压计算流量，或通过配产表等方法获得总流量的估计值作为其他流量计算模型的初始值。②井筒模型：通过气井上下部的温度和压力传感器的数据，使用井筒模型计算井筒内的总流量。③油嘴模型：通过油嘴前后的温度和压力传感器的数据，使用油嘴模型计算总流量。此外还可以通过海管的温压数据进行反算。在气田生产工况发生变化时，可以通过模型的调整来实现虚拟计量效果的优化。从目前各大气田应用的效果来看，气田虚拟计量系统在校准后通常可以达到单井气相流量误差控制在5%以内的计量精度（图1），能够满足现场生产的一般要求。2.1.3水合物风险监测及分析。水合物风险监测主要用于监测海底管道日常生产时的水合物生成风险、井口和跨接管在气田启动工况时的水合物生成风险。水下气田主要通过注入化学药剂来防止水合物在井口至管汇至平台之间的水下生产系统中生成[10]。在正常生产情况下通过连续注入MEG贫液来防止水合物生成，而在启动、关停和清除水合物事故时需要注入甲醇来防止水合物生成。在评估水合物生成风险时，采用模型计算管道流体的水合物生成问题，再将管道内流体的温度与水合物生成温度对比，即可判断水合物生成的风险（图2）。此外，还可以选择不同的水合物抑制剂注入浓度，不同的浓度下对应的水合物生成曲线也有所不同，从而优化水合物抑制剂的注入量，实现降本增效。气田流动管理系统可以实现水合物抑制剂的统计和监测功能。即使有两种水合物抑制剂，也可以分别建模，利用井模型进行甲醇跟踪，利用海底管道模型进行MEG跟踪。在相应的页面，可以显示注入药剂的流量、浓度以及水合物生成温度等信息，并进行注入量的统计。2.1.4段塞监测及控制。在海底地形起伏和管道低气量时，容易导致严重段塞流的发生，其引起的压力、流量剧烈波动可能造成段塞流捕集器溢流或断流，对生产造成危害[11]。因此，需要掌握管道内段塞的生成，消除其不利影响。段塞监测用于显示水下生产系统的海管沿线内的积液情况，包括总液量、凝析液量和水相含量的数据，以及对段塞流型的判断和进入下游段塞流捕集器的段塞量的分析，为后续的段塞控制提供依据。通过对管道内的液体量的监测管理，可以有效避免下游出现段塞无法及时处理的工况，保障生产的安全[12]。段塞控制可以采用立管顶部节流阀智能调节的方法，基于PID控制机理，根据海底管道入口压力进行调节控制，阀门开度为被调节参数，PID用于计算阀门开度的差别[13]。在程序中，采用一个略大和略小的阀门开度区间，以便更快地稳定压力波动，并使压力更接近设定点，减小段塞流的危害。2.1.5清管跟踪。清管跟踪功能用于显示海底管道的清管工况相关信息。当清管器发出时，平台控制系统会发出清管的相关信号。清管循环气的压力和流量在整个清管过程中都可以跟踪。在清管跟踪功能中，可显示管道沿线的滞液量、清管器速度、总距离、剩余距离、剩余时间、清管器前端液量、预测的清管器到达时间、标定的泄漏比等参数，为平台上部的操作提供依据，保障清管的顺利实施。2.1.6砂监测。砂监测功能主要包括高流速下的砂冲蚀风险监测和低流速下的砂沉积风险监测。在冲蚀监测方面，气田流动管理系统可以对所有生产节流阀、管道入口、出口和立管顶部等关键点设置冲蚀速度分析的功能，计算出局部的EVR，判断是否有砂冲蚀的风险。防砂关注的主要信息是井底的磨损速率和生产系统中特定部位的混合速度。每口井的井底磨损速率都要进行监控，以判断井的出砂情况。该数据可以在界面中查看，并可以定义报警的临界值。海底管道入口、立管底部等关键位置的混合流体速度也可以在界面中显示及定义报警的临界值。在砂沉积监测方面，主要是监测局部的最低流速，防止流速过低造成砂无法被流体携带冲走，避免形成局部的堵塞而给跨接管和管道造成风险。砂监测的功能可以结合水下砂监测装置的读数来开发。2.1.7腐蚀监测。腐蚀监测页面显示的信息包括剪切应力、持液率、流型图、不同判据计算的腐蚀速率、气相/液相/水相的速度、管道上部凝析速率、表观混合速度、CO2分压以及腐蚀探测装置的读数等。腐蚀监测的功能可以通过采用流体-管壁的剪切应力来判断，用户定义剪切应力的极限值，如果高于此值，将进行报警；或者采用内嵌的相关式来判断；此外还可以结合水下生产系统中安装的腐蚀探测装置读取数值，并在流动管理系统中进行显示。2.1.8泄漏监测和堵塞监测。泄漏监测用于提醒操作者海底管道中是否有泄漏的现象，监测系统还可以提示在管道何位置发生泄漏。泄漏监测的主要信息包括泄漏发生的时间、泄漏率、累计泄漏量等。堵塞监测用于提醒操作者海底管道中是否有堵塞的现象，监测系统可以分析管道中压力突然变化的地点，从而提示和分析在管道何位置发生堵塞。2.2流动安全工况的模拟预测功能。除了对水下生产系统的流动安全情况进行在线监测和分析外，气田流动管理系统的另外一个主要的功能就是对不同的流动安全工况进行模拟和预测。以当前生产工况、某个历史工况乃至假定工况为模拟基础，进行特殊流动安全工况的模拟，实现对该工况的分析，为未来的生产状况做出预测，为操作者的决策提供参考依据。气田流动管理系统对流动安全操作工况的模拟和预测主要包括泄放工况、增输和减输工况、启动和关停工况、气体循环工况、清管工况等[14]。2.2.1泄放工况。管道的泄放工况可以用来模拟某个泄放速度下温降和时间的关系，为泄放操作提供建议（图3）。如果泄放速度过快，急速的温降可能会造成冰堵的风险，下游的管件也可能无法承受过低的温度。通过模拟来判断泄放方式是否适合，例如采用阶梯式多次降压的泄放方法，可以有效减少低温风险。2.2.2增输和减输工况。增输工况的模拟是在指定的时间段内增加流量，通过计算分析管道内滞液量的变化，并根据段塞流捕集器的容量、泄放速度来判断增输方案是否安全，上部设施是否可以顺利完成段塞量的处理。通过模拟可以确定合适的增输幅度。减输工况的模拟是在指定的时间段内减小流量，通过计算分析管道内没有液相和水相流出的时间（图4），并根据平台上的乙二醇储量进行分析，判断在没有富乙二醇回流的这段时间里，存量的乙二醇是否可以满足生产的注入要求，如果不满足且没有其他的乙二醇补充方案，则可能造成水合物生成风险。2.2.3启动和关停工况。对于启动工况，主要是通过对启井时甲醇注入量进行分析，并判断管道的滞液平衡时间和所需的乙二醇用量，来分析气田启动方案合理性，并提出操作建议。对于关停工况，主要是通过对关停时甲醇注入量和管道的温降情况进行分析，并判断关停后管道的水合物生成风险，分析气田关停方案合理性，并提出操作建议。2.2.4气体循环工况。对于荔湾3-1、陵水17-2等采用双海管的水下气田来说，部分生产工况下可能需要采用气体循环的操作来实现生产的优化，采用气体循环，可以有效减小单管所需的背压，提高产量。气体循环的模拟用于优化启动和终止气体循环的操作，可以设置注气阀门开度的逻辑控制，井流量也可以根据气体循环的效果进行调节控制。气体循环模拟时可以展示气体循环的流量、压力、阀门开度等，以及井口、段塞流捕集器、节流阀的压力和流量等信息。此外，操作者也可以根据自己的需求，自定义生产工况进行模拟。2.3其他常见的系统功能。水下气田流动管理系统常见的系统功能还包括数据的存储、导入、导出、统计、报警等。气田流动管理系统使用的各种计算数据数量繁多，同时还要长时间存储大量计算结果，因此需要采用成熟的数据库软件来管理数据。数据库软件包括实时数据库、历史数据库和关系数据库。数据库应设置访问权限，并需要具有简单易行、方便用户的在线和离线编辑、维护、查找、修改、导入/导出、备份/还原、统计和报表打印的功能，以便气田操作者掌握气田生产的各类数据。此外，用户还可以设置某些参数和工况的报警按钮，提醒操作者及时注意并处理，达到更好的监测效果[15]。

3结束语

流动管理系统在水下气田的生产管理中发挥了重要的作用，保障了流动安全，减少了运行成本。其提供的水下虚拟计量功能，有效保障了气田的单井计量效果，尤其是在部分气田水下流量计无法正常工作的情况下发挥了重要作用，在边际油田甚至可以直接替代水下流量计，从而减少设备的初始投资；可以实时监测生产并建立动态数据库，便于气田管理；提供流动安全管理，全面监测管理水合物、段塞流、腐蚀、冲蚀等各类风险，避免出现危险的流动安全工况，有效保障气田生产；还可以预测未来生产状况，辅助生产者决策和制定计划，实现更加科学和合理的生产；对于在建气田，操作者采用流动管理系统提前进行生产工况的调试模拟，甚至可以缩短一周乃至更多的调试时间，实现早日投产，节约成本。随着建设数字化油田和海上智能化油田的开展，水下气田流动管理技术还需要继续深化研究，在全面实现国产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 单位:中海油研究总院有限责任公司