海上流動管理在線監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展前景

王 玨

（中海油研究總院，中國 北京 100027）

0 引言

由于海上油氣田井流物的多相性、海底地勢起伏、運行參數(shù)的變化常常帶來一系列流動安全問題，如固相生成、段塞流、多相流沖蝕等，海洋油氣田的安全穩(wěn)定生產(chǎn)離不開對管線內(nèi)整個流動過程的監(jiān)控。近年來，在海上油氣田中央控制系統(tǒng)上安裝輔助的流動管理在線監(jiān)測系統(tǒng)，已成為國際上新興的一種保障海底集輸管線及生產(chǎn)系統(tǒng)流動安全的行之有效的手段。利用該系統(tǒng)，可實時掌握混輸管線內(nèi)的流動狀態(tài)，及時有效消除生產(chǎn)過程中的不安全因素，解決生產(chǎn)和操作中存在的流動安全問題，提高油氣田開發(fā)和生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。

1 海上流動管理監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)研究現(xiàn)狀

流動管理在線監(jiān)測系統(tǒng)是一種基于模型的儀表控制系統(tǒng)。首先由監(jiān)測對象（井筒、管線、水下設(shè)施等）處的傳感器及儀表獲取數(shù)據(jù)，如壓力、溫度、各相流量及含水率等，接著通過基本控制層（PLC、SCADA或DCS等），將采集到的輸入數(shù)據(jù)傳遞到流動管理在線監(jiān)測系統(tǒng)，由系統(tǒng)內(nèi)的各瞬態(tài)模型進行建模，精確計算多相流海底管線及立管的壓力和溫度分布及海底管線內(nèi)的持液量和石蠟沉積量分布等，并且根據(jù)管道內(nèi)流動變化規(guī)律，總結(jié)出相關(guān)儀器操作建議，如水合物抑制劑的最佳注入量、最佳清管頻率等。之后流動管理在線監(jiān)測系統(tǒng)再將輸出信息傳遞給控制層，通過相關(guān)第三方應用程序，最終達到對現(xiàn)場儀器自動控制的目的，實現(xiàn)對整個油氣田流動安全的實時在線管理監(jiān)測。

系統(tǒng)內(nèi)的瞬態(tài)模型計算結(jié)束后，還可以將數(shù)據(jù)和控制方案傳遞到集成的油田模型中，通過穩(wěn)態(tài)模型模擬油田的中長期發(fā)展情況，達到預測油田未來發(fā)展方向的目的。

流動管理在線監(jiān)測系統(tǒng)基本流程圖見圖1。

圖1 流動管理在線監(jiān)測系統(tǒng)的基本流程圖

一套適用于海上油氣田的、可靠完備的流動管理在線監(jiān)測系統(tǒng)主要包括以下幾項功能不同的分系統(tǒng)模塊：

（1）管道監(jiān)測系統(tǒng):該模塊中的模型可生成管道流動狀態(tài)及岸上處理終端參數(shù)，用于解決水合物、段塞流、結(jié)臘、管線堵塞泄露和其他沉積物問題，主要具備以下功能：

①海底管道內(nèi)流型識別，具備極高的水力段塞和立管段塞識別準確率；

②能夠進行段塞長度、頻率以及段塞跟蹤計算；

③能夠預測混輸管道結(jié)蠟位置以及結(jié)蠟厚度；

④能夠計算含蠟油-氣/水多相流體沿海底管道及立管的壓力和溫度分布；

⑤水合物生成和蠟堵事故預警，提供最佳清管頻率、給出流動過程管理建議。

（2）虛擬計量系統(tǒng):根據(jù)傳感器采集的溫度壓力數(shù)據(jù)，由模型計算生成流量參數(shù)（氣田、凝析氣、水），可作為多相流量計、傳感器監(jiān)控及泄露檢測的備用校核系統(tǒng)。

（3）化學藥劑注入及監(jiān)測系統(tǒng):監(jiān)控及優(yōu)化藥劑的連續(xù)注入，能夠預測混輸管道內(nèi)水合物生成溫度、壓力、管道位置及生成速率，并計算水合物抑制劑的最佳注入量。

（4）生產(chǎn)氣嘴控制系統(tǒng):可進行獨立的水下井口生產(chǎn)氣嘴開度建議與控制，用于整個氣田優(yōu)化[1]。

（5）地層水監(jiān)控系統(tǒng)：對地層水是否越限進行監(jiān)測并報警，給出可能的水源井推斷及有用的油藏管理優(yōu)化信息。

（6）鉆井管理系統(tǒng)：通過在線軟件和井下作業(yè)儀器相結(jié)合，緊密監(jiān)測鉆井過程，準確控制作業(yè)參數(shù)，協(xié)助復雜的鉆井作業(yè)。

（7）除了對生產(chǎn)過程的監(jiān)控，出于安全生產(chǎn)的目的，可監(jiān)測海底設(shè)備的機械性能、狀態(tài)以及穩(wěn)定性。

（8）除在線功能外，也具備離線處理功能，包括油藏模擬等軟件。

由于增加相應系統(tǒng)模塊就需增加一定費用，以上各功能系統(tǒng)模塊可根據(jù)油氣田自身情況及生產(chǎn)實際的需要、綜合考慮經(jīng)濟性價比等因素，有選擇地進行添加選用。

流動管理在線監(jiān)測系統(tǒng)的三種運行模式包括：

（1）實時：與油田實際生產(chǎn)平行，及時提供各種生產(chǎn)信息。應用實例包括漏失探測、水合物形成分析和管線段塞計算等。流動管理在線監(jiān)測系統(tǒng)的一些實時報警例子包括：管道泄漏、水合物生成風險、清管球到達時間、缺少抑制劑、段塞和液塞的到達時間、高級報警（例如3.5小時內(nèi)分離器到達高高液位）、防砂監(jiān)測、井與管線的關(guān)井冷卻時間、預熱時間、管線堵塞、儀器失效、儲氣時間、氣體品質(zhì)、腐蝕速率等。

（2）預測：用于預測未來生產(chǎn)，從目前生產(chǎn)條件開始到比實時快50-200倍的未來生產(chǎn)條件。用戶可以將預測模式設(shè)置為周期性運行。例如，定期進行未來5小時預測，從而提供未來可能發(fā)生的停輸預警和其他緊急情況預警[2]。

（3）計劃：可以調(diào)整所有參數(shù)進行新的操作規(guī)程計劃。計劃模式用于改善生產(chǎn)運行規(guī)劃，還可以提供自動輔助決策和生產(chǎn)優(yōu)化的功能。計劃模式也可用來做培訓，培養(yǎng)作業(yè)人員提升對管線動態(tài)及設(shè)備處理知識的理解。

從監(jiān)控技術(shù)的現(xiàn)狀來看，工業(yè)上對于流動參數(shù)除了要求準確采集外，還需要實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的存儲，歷史數(shù)據(jù)的再現(xiàn)，數(shù)據(jù)遠程共享等諸多功能。目前國際上成熟的用于海上油氣田的流動管理在線監(jiān)測系統(tǒng)商業(yè)產(chǎn)品主要有OLGA OnLine、Flow Manager Online兩種。

Flow Manager Online由FMC公司研制。該系統(tǒng)于1995年首次安裝在北海的Troll B油氣田，近十年來，在北海，加拿大及非洲等各地海上油氣田共安裝超過30多臺，服務于500多口井。于2008年為Ormen Lange氣田提供了世界上最大的流動管理在線監(jiān)測系統(tǒng)。

圖2 OLGA Online產(chǎn)品界面

表1 海上流動管理在線監(jiān)測系統(tǒng)國內(nèi)外應用情況列表

OLGA OnLine是最為著名的流動管理在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件，由SPT GROUP公司（現(xiàn)被Schlumberger公司并購）研制。該系統(tǒng)基于OLGA模型及經(jīng)過驗證的成熟組件，能夠處理各種生產(chǎn)情形，包括穩(wěn)態(tài)流動和瞬態(tài)流動，如停輸和啟動、減量和增輸、清管、管線充裝等，預測堵塞泄露等意外工況，為油田生產(chǎn)提出先進有益的作業(yè)建議，對持續(xù)低成本高效率的運行提供保障。此外，OLGA OnLine開放的結(jié)構(gòu)體系使其可以很容易地與第三方軟件相結(jié)合，如通過ABB、Emerson、Honeywell、Invensys、Yokogawa、Aker、Cameron、FMC、GE 等公司提供的軟件和硬件驅(qū)動等第三方應用程序?qū)崿F(xiàn)對現(xiàn)場儀器的自動控制，以及利用Petroleum Experts或者Schlumberger等商業(yè)軟件產(chǎn)品，對油田未來發(fā)展進行預測規(guī)劃。

作為一個完全動態(tài)的在線生產(chǎn)支持系統(tǒng)，OLGA OnLine產(chǎn)品界面見圖2。

①具有基于web的功能強大、使用靈活的用戶界面，無縫集成并顯示生產(chǎn)控制系統(tǒng)中的各種主要結(jié)果。

②與業(yè)界其它領(lǐng)先的過程模擬器進行通訊。

③集成第三方應用程序進行功能擴展。

④核心模塊，基于業(yè)內(nèi)標準的動態(tài)多相流模型OLGA。⑤集成數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)校驗、數(shù)據(jù)替換等功能。

OLGA OnLine主要包含以下幾部分：

——瞬態(tài)流動模型在線連接(透明的生產(chǎn)系統(tǒng)和虛擬儀器)；

——即插即用的OPC界面能夠方便地與控制系統(tǒng)或歷史數(shù)據(jù)庫相連；

——數(shù)據(jù)校驗與替換；

——高精度歷史數(shù)據(jù)存檔；

——靈活的網(wǎng)絡圖形用戶界面(GUI)；

——多種供作業(yè)人員、監(jiān)督人員和工程師使用的生產(chǎn)運行模型；

——集生產(chǎn)運行、控制，優(yōu)化、集成和安全于一體的綜合應用系統(tǒng)；

——開放的體系使得與第三方系統(tǒng)的結(jié)合變得更加容易。

目前該系統(tǒng)已在 Scarab/Saffron、Corrib、KG-D6、Goldeneye、Canyon Express、Snφhvit、Shtokman 等海上油氣田得到廣泛應用。

2 海上流動管理在線監(jiān)測系統(tǒng)國內(nèi)外應用情況

國外公司開發(fā)出的多種海上油氣田流動管理在線監(jiān)測系統(tǒng)已在北海、墨西哥灣、及西非等地區(qū)的一些深水油氣田上得到了成功使用，取得了十分良好效果。我國崖城13-4水下氣田于2012年安裝了一套帶有虛擬計量模塊功能的流動管理在線監(jiān)測系統(tǒng)，這是該系統(tǒng)在國內(nèi)的首次應用，未來投產(chǎn)的深水荔灣3-1大型氣田也將使用一套帶有管線管理功能的在線監(jiān)測系統(tǒng)。海上流動管理在線監(jiān)測系統(tǒng)應用情況統(tǒng)計詳見表1。

由表1可看出，海上流動管理在線監(jiān)測系統(tǒng)在應用中多帶有虛擬計量系統(tǒng)功能模塊，根據(jù)某些氣田的功能要求，還具備管線管理、生產(chǎn)氣嘴控制、狀態(tài)性能監(jiān)測及生產(chǎn)監(jiān)測與優(yōu)化功能模塊。以下詳細介紹一下目前世界上最大最典型的深水流動管理在線監(jiān)測系統(tǒng)在Ormen Lange氣田中的應用情況。

Ormen Lange是挪威第二大氣田，對挪威國家有著至關(guān)重要的意義。氣田位于挪威西北部120km的海域，于1997年由Hydro石油公司發(fā)現(xiàn)，2007年9月份開始投產(chǎn)，氣體經(jīng)終端處理，通過全長1200公里的管道輸送到英國東海岸。該氣田每天向英國提供約7000萬立方米天然氣，約占英國全部需求量的20%[3]。

Ormen Lange氣田開發(fā)模式為水下生產(chǎn)系統(tǒng)回接到120km的Nyhamna終端加工處理廠[4]。水下生產(chǎn)系統(tǒng)包括24個水下井口，集成在4個水下基盤上，水深為800-1100m，為防止水合物生成，通過兩根MEG管線從上部將MEG注入到水下井口，水下井口同時配備了濕氣流量計及MEG流量計。

Ormen Lange氣田存在許多非常關(guān)鍵的深水流動安全問題。該氣田通過120km長的管線回接到岸上，屬于較長距離回接，海床溫度低于-2℃，海底極端不平坦，滑坡后壁陡峭，環(huán)境條件非常惡劣。這些困難因素綜合起來，使得Ormen Lange項目面臨水合物、段塞流等多重流動保障問題，成為世界上最具挑戰(zhàn)性的氣田開發(fā)項目之一。其氣田開發(fā)模式及面臨的流動安全問題詳見示意圖3。

Ormen Lange流動管理在線監(jiān)測系統(tǒng)由FMC公司的Flow Manager產(chǎn)品模塊結(jié)合SPT Group的OLGA online產(chǎn)品模塊共同組建完成。該系統(tǒng)于2007年11月安裝于現(xiàn)場，針對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的反饋，對系統(tǒng)內(nèi)的不同模型進行了校準調(diào)試，于2008年完成校準調(diào)試正式投入使用。Ormen Lange使用的流動管理在線監(jiān)測系統(tǒng)是迄今為止最先進的具有突破性的實時模擬系統(tǒng)。系統(tǒng)包括以下模塊：

氣田的作業(yè)方殼牌公司為流動管理在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置了兩組操作員及工程師[5]。他們在使用系統(tǒng)前均經(jīng)過了良好培訓，對系統(tǒng)各模塊的功能和目標熟悉清楚。操作員主要把該系統(tǒng)作為監(jiān)控工具，查看系統(tǒng)生成的統(tǒng)計報表及預測圖表，包括氣井產(chǎn)量、管線壓力和溫度、MEG注入率，MEG累積量及MEG是否過量等數(shù)據(jù)，優(yōu)化MEG的注入量。工程師可以查看前臺數(shù)據(jù)及后臺運行計算模型，主要將該系統(tǒng)用于提產(chǎn)準備工作，例如提升產(chǎn)量時的持液率計算等，以及生產(chǎn)操作優(yōu)化及未來計劃安排。且工程師可利用系統(tǒng)的試驗模塊開展簡單的模擬實例，針對某些細微的操作變化是否影響產(chǎn)量進行模擬試驗。

圖3 Ormen Lange氣田開發(fā)模式及流動安全問題示意圖

操作員在終端中控室內(nèi)的操作站操作該系統(tǒng)，包括不同的三臺操作站，一臺在中控室內(nèi)，另外兩臺在靠近中控室的協(xié)作室內(nèi)。一些主要的應用還可以添加到中控系統(tǒng)主屏幕上[6]。工程師可在辦公室通過遠程網(wǎng)絡接入訪問系統(tǒng)，從系統(tǒng)內(nèi)在線實時獲取比離線數(shù)據(jù)更加生動實用的信息。

在調(diào)試和啟動階段，ORMEN LANGE生產(chǎn)管線及水下系統(tǒng)的啟動和操作經(jīng)歷了以下一系列步驟:1）排水、注氣；2）MEG注入及分配；3）開井并提升產(chǎn)量。第一期首先有三口井投產(chǎn)，當井和生產(chǎn)管線達到穩(wěn)定生產(chǎn)狀態(tài)時，系統(tǒng)開始進行校準調(diào)試，調(diào)試時間歷經(jīng)8個月。時隔近一年后，第二期另外三口井投產(chǎn)，原有三口井已經(jīng)校準的參數(shù)可暫時應用于新啟動井模型參數(shù)的計算校準中，當新井逐步達到穩(wěn)定生產(chǎn)狀態(tài)時，系統(tǒng)可進行進一步校準。系統(tǒng)中還設(shè)有專門模塊給出增加新井將如何影響管線壓力、井口回接壓力等建議。

系統(tǒng)的維護和模型校準都由承包商FMC完成，采用遠程網(wǎng)絡方式進行。作業(yè)方殼牌公司與承包商FMC簽署了單獨的后期支持維護協(xié)議。

運行幾年以來，流動管理在線監(jiān)測系統(tǒng)已成為該氣田開發(fā)中一個非常重要的部分。該系統(tǒng)幾個分系統(tǒng)管道監(jiān)測系統(tǒng)、化學藥劑注入及監(jiān)測系統(tǒng)的人機顯示界面如圖4所示。

圖4 管道監(jiān)測系統(tǒng)顯示界面

3 海上流動管理監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展前景

十幾年來，流動管理在線監(jiān)測系統(tǒng)逐步應用于各大海上油氣田中，時至今日，一些國際大型石油公司（例如Chevron、Shell、Total等）已將該系統(tǒng)列為其新油氣田開發(fā)的標準設(shè)計，并在油氣田上大力推廣使用。

我國海洋石油事業(yè)起步晚，隨著我國海上油氣田的陸續(xù)建成和投產(chǎn)，海洋石油進入快速發(fā)展時期，深水正在成為海洋石油開發(fā)的前沿。深水惡劣的自然環(huán)境，不僅對井筒設(shè)施、水下和水面生產(chǎn)設(shè)施提出了苛刻的要求，也使連接各個衛(wèi)星井、邊際油氣田以及中心處理系統(tǒng)間的海底管線和油氣集輸系統(tǒng)面臨更為嚴峻的考驗。由于我國剛剛涉足深水，對深水區(qū)域水合物問題認識還很模糊。盡管如此，海底流動體系中水合物和蠟生成及沉積問題的影響也已帶給我們不小的警示。例如，在某海上油氣田混輸管線中曾發(fā)生過水合物造成部分管線堵塞事故，在某油田作業(yè)過程中還多次發(fā)生水合物堵塞防噴器的事故。

為了更好為海上油氣田特別是深水油氣田的開發(fā)和安全運行提供技術(shù)支撐，流動管理在線監(jiān)測系統(tǒng)在海上油氣田的發(fā)展前景非常廣闊。該系統(tǒng)的應用將有助于控制水合物、蠟等固相沉積物對海洋管道安全運行的威脅。與油田生產(chǎn)實時吻合的瞬態(tài)模型有助于提高生產(chǎn)作業(yè)人員對于油藏、井、管線和設(shè)備的認識，能夠在不損壞生產(chǎn)設(shè)備的前提下進行各種生產(chǎn)策略的多次篩選，并能夠提供生產(chǎn)系統(tǒng)中測量儀器無法觸及位置的信息。模型中的數(shù)值可提示可能由于實際儀器出現(xiàn)的錯誤，如果是實際儀器的問題則可以更換實際儀器[1]。整個系統(tǒng)不僅可以避免不必要的生產(chǎn)中斷，且能實現(xiàn)更加主動的低本高效的生產(chǎn)管理，優(yōu)化投資回報。

由于我國尚無流動安全在線監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)和產(chǎn)品，從國外購買這種產(chǎn)品的價格十分昂貴，并且需要每年交納不菲的使用和維護費用。在安裝使用由國外購買的流動安全在線監(jiān)測與管理系統(tǒng)時，常常要求提供屬于國家經(jīng)濟秘密的油氣資源資料，這些都對該技術(shù)在我國海洋油氣田上的大面積推廣使用造成了困難。

因此從國家能源安全方面，盡快加速開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的監(jiān)測系統(tǒng)，對推動我國海洋石油事業(yè)具有及其重要的戰(zhàn)略意義和價值。目前中國石油大學及西安交大等高等院校正在對該系統(tǒng)各部分模塊分別進行有針對性的研究設(shè)計，相信海上流動管理在線監(jiān)測系統(tǒng)的國產(chǎn)化指日可待，而該技術(shù)的國產(chǎn)化將進一步促進系統(tǒng)在各大海上油氣田中的推廣應用。

4 結(jié)語

流動管理在線監(jiān)測系統(tǒng)在海上油氣田前期設(shè)計期間，可協(xié)助優(yōu)化開發(fā)設(shè)計方案；在油氣田生產(chǎn)操作期間，可幫助提高采收率、改善生產(chǎn)計劃，解決潛在的流動安全問題及作業(yè)中的難點。

操作者對油氣田了解的信息越多，就可以對油藏進行更好的優(yōu)化管理。流動管理在線監(jiān)測系統(tǒng)在海上油氣田的應用，不僅為操作者提供了全面實時的操作環(huán)境、并且可預測幾個小時后的操作條件，所有操作中的難點都可以提前進行模擬測試。水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的各類儀表及儀表的高精度高質(zhì)量，保證了該系統(tǒng)的精度及可靠性。

總體而言，海上流動管理在線監(jiān)測系統(tǒng)使流動安全保障措施貫徹到了海上油氣田的日常生產(chǎn)中，避免了緊急中斷或停產(chǎn)，對于強化海上油氣田的安全運行、提高油氣田開發(fā)的經(jīng)濟效益具有十分重要的現(xiàn)實意義。

［1］Bjorn Oyvind Bringedal,Espen Storkaas,Marius Five Aarset,Hans Marius With,Morten Dalsmo,Recent Developments in Control and Monitoring of Remote Subsea Fields[C]//SPE Intelligent Energy Conference and Exhibition,23-25 March,Utrecht,The Netherlands.

［2］動態(tài)數(shù)字油田解決方案把流動保障技術(shù)融入日常生產(chǎn)[EB/OL].http://www.docin.com/p-42877376.html，2010.

［3］A.Aarvik,I.Olsen,K.Vannes,K.Havre,E.Krogh,Design and Development of the Ormen Lange Flow Assurance Simulator[C]//13th International Conference on Multiphase Production Technology,2007.

［4］G.G.Lunde,K.Vannes,O.T.McClimans,Cathy Burns,Kristina Wittmeyer,Advanced Flow Assurance System for the Ormen Lange Subsea Gas Development[C]//Offshore Technology Conference,2009.

［5］Tom Rotjer，Hydro，The Ormen Lange Langeled Development[C]//Off shore Technology Conference,2007.

［6］T.Bernt,Hydro；E.Smedsrud,Ormen Lange Subsea Production System[C]//Offshore Technology Conference,2007.