海上流動管理在線監測系統現狀及發展前景

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定生產離不開對管線內整個流動過程的監控。近年來，在海上油氣田中央控制系統上安裝輔助的流動管理在線監測系統，已成為國際上新興的一種保障海底集輸管線及生產系統流動安全的行之有效的手段。利用該系統，可實時掌握混輸管線內的流動狀態，及時有效消除生產過程中的不安全因素，解決生產和操作中存在的流動安全問題，提高油氣田開發和生產的經濟效益。

1 海上流動管理監測系統技術研究現狀

流動管理在線監測系統是一種基于模型的儀表控制系統。首先由監測對象（井筒、管線、水下設施等）處的傳感器及儀表獲取數據，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），將采集到的輸入數據傳遞到流動管理在線監測系統，由系統內的各瞬態模型進行建模，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的持液量和石蠟沉積量分布等，并且根據管道內流動變化規律，總結出相關儀器操作建議，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測系統再將輸出信息傳遞給控制層，通過相關第三方應用程序，最終達到對現場儀器自動控制的目的，實現對整個油氣田流動安全的實時在線管理監測。

系統內的瞬態模型計算結束后，還可以將數據和控制方案傳遞到集成的油田模型中，通過穩態模型模擬油田的中長期發展情況，達到預測油田未來發展方向的目的。

流動管理在線監測系統基本流程圖見圖1。

圖1 流動管理在線監測系統的基本流程圖

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

（1）管道監測系統:該模塊中的模型可生成管道流動狀態及岸上處理終端參數，用于解決水合物、段塞流、結臘、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蠟位置以及結蠟厚度；

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:根據傳感器采集的溫度壓力數據，由模型計算生成流量參數（氣田、凝析氣、水），可作為多相流量計、傳感器監控及泄露檢測的備用校核系統。

（3）化學藥劑注入及監測系統:監控及優化藥劑的連續注入，能夠預測混輸管道內水合物生成溫度、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）生產氣嘴控制系統:可進行獨立的水下井口生產氣嘴開度建議與控制，用于整個氣田優化[1]。

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

（6）鉆井管理系統：通過在線軟件和井下作業儀器相結合，緊密監測鉆井過程，準確控制作業參數，協助復雜的鉆井作業。

（7）除了對生產過程的監控，出于安全生產的目的，可監測海底設備的機械性能、狀態以及穩定性。

（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。

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

流動管理在線監測系統的三種運行模式包括：

（1）實時：與油田實際生產平行，及時提供各種生產信息。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。流動管理在線監測系統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小時內分離器到達高高液位）、防砂監測、井與管線的關井冷卻時間、預熱時間、管線堵塞、儀器失效、儲氣時間、氣體品質、腐蝕速率等。

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

（3）計劃：可以調整所有參數進行新的操作規程計劃。計劃模式用于改善生產運行規劃，還可以提供自動輔助決策和生產優化的功能。計劃模式也可用來做培訓，培養作業人員提升對管線動態及設備處理知識的理解。

從監控技術的現狀來看，工業上對于流動參數除了要求準確采集外，還需要實現實時數據的存儲，歷史數據的再現，數據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測系統商業產品主要有OLGA OnLine、Flow Manager Online兩種。

Flow Manager Online由FMC公司研制。該系統于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測系統。

圖2 OLGA Online產品界面

表1 海上流動管理在線監測系統國內外應用情況列表

OLGA OnLine是最為著名的流動管理在線監測系統軟件，由SPT GROUP公司（現被Schlumberger公司并購）研制。該系統基于OLGA模型及經過驗證的成熟組件，能夠處理各種生產情形，包括穩態流動和瞬態流動，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，為油田生產提出先進有益的作業建議，對持續低成本高效率的運行提供保障。此外，OLGA OnLine開放的結構體系使其可以很容易地與第三方軟件相結合，如通過ABB、Emerson、Honeywell、Invensys、Yokogawa、Aker、Cameron、FMC、GE 等公司提供的軟件和硬件驅動等第三方應用程序實現對現場儀器的自動控制，以及利用Petroleum Experts或者Schlumberger等商業軟件產品，對油田未來發展進行預測規劃。

作為一個完全動態的在線生產支持系統，OLGA OnLine產品界面見圖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控制系統中的各種主要結果。

②與業界其它領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，基于業內標準的動態多相流模型OLGA。⑤集成數據獲取、數據校驗、數據替換等功能。

OLGA OnLine主要包含以下幾部分：

——瞬態流動模型在線連接(透明的生產系統和虛擬儀器)；

——即插即用的OPC界面能夠方便地與控制系統或歷史數據庫相連；

——數據校驗與替換；

——高精度歷史數據存檔；

——靈活的網絡圖形用戶界面(GUI)；

——多種供作業人員、監督人員和工程師使用的生產運行模型；

——集生產運行、控制，優化、集成和安全于一體的綜合應用系統；

——開放的體系使得與第三方系統的結合變得更加容易。

目前該系統已在 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測系統國內外應用情況

國外公司開發出的多種海上油氣田流動管理在線監測系統已在北海、墨西哥灣、及西非等地區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測系統，這是該系統在國內的首次應用，未來投產的深水荔灣3-1大型氣田也將使用一套帶有管線管理功能的在線監測系統。海上流動管理在線監測系統應用情況統計詳見表1。

由表1可看出，海上流動管理在線監測系統在應用中多帶有虛擬計量系統功能模塊，根據某些氣田的功能要求，還具備管線管理、生產氣嘴控制、狀態性能監測及生產監測與優化功能模塊。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測系統在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石油公司發現，2007年9月份開始投產，氣體經終端處理，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氣田開發模式為水下生產系統回接到120km的Nyhamna終端加工處理廠[4]。水下生產系統包括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性的氣田開發項目之一。其氣田開發模式及面臨的流動安全問題詳見示意圖3。

Ormen Lange流動管理在線監測系統由FMC公司的Flow Manager產品模塊結合SPT Group的OLGA online產品模塊共同組建完成。該系統于2007年11月安裝于現場，針對現場數據的反饋，對系統內的不同模型進行了校準調試，于2008年完成校準調試正式投入使用。Ormen Lange使用的流動管理在線監測系統是迄今為止最先進的具有突破性的實時模擬系統。系統包括以下模塊：

氣田的作業方殼牌公司為流動管理在線監測系統設置了兩組操作員及工程師[5]。他們在使用系統前均經過了良好培訓，對系統各模塊的功能和目標熟悉清楚。操作員主要把該系統作為監控工具，查看系統生成的統計報表及預測圖表，包括氣井產量、管線壓力和溫度、MEG注入率，MEG累積量及MEG是否過量等數據，優化MEG的注入量。工程師可以查看前臺數據及后臺運行計算模型，主要將該系統用于提產準備工作，例如提升產量時的持液率計算等，以及生產操作優化及未來計劃安排。且工程師可利用系統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量進行模擬試驗。

圖3 Ormen Lange氣田開發模式及流動安全問題示意圖

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

在調試和啟動階段，ORMEN LANGE生產管線及水下系統的啟動和操作經歷了以下一系列步驟:1）排水、注氣；2）MEG注入及分配；3）開井并提升產量。第一期首先有三口井投產，當井和生產管線達到穩定生產狀態時，系統開始進行校準調試，調試時間歷經8個月。時隔近一年后，第二期另外三口井投產，原有三口井已經校準的參數可暫時應用于新啟動井模型參數的計算校準中，當新井逐步達到穩定生產狀態時，系統可進行進一步校準。系統中還設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。

系統的維護和模型校準都由承包商FMC完成，采用遠程網絡方式進行。作業方殼牌公司與承包商FMC簽署了單獨的后期支持維護協議。

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

圖4 管道監測系統顯示界面

3 海上流動管理監測系統發展前景

十幾年來，流動管理在線監測系統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）已將該系統列為其新油氣田開發的標準設計，并在油氣田上大力推廣使用。

我國海洋石油事業起步晚，隨著我國海上油氣田的陸續建成和投產，海洋石油進入快速發展時期，深水正在成為海洋石油開發的前沿。深水惡劣的自然環境，不僅對井筒設施、水下和水面生產設施提出了苛刻的要求，也使連接各個衛星井、邊際油氣田以及中心處理系統間的海底管線和油氣集輸系統面臨更為嚴峻的考驗。由于我國剛剛涉足深水，對深水區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生過水合物造成部分管線堵塞事故，在某油田作業過程中還多次發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和安全運行提供技術支撐，流動管理在線監測系統在海上油氣田的發展前景非常廣闊。該系統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。與油田生產實時吻合的瞬態模型有助于提高生產作業人員對于油藏、井、管線和設備的認識，能夠在不損壞生產設備的前提下進行各種生產策略的多次篩選，并能夠提供生產系統中測量儀器無法觸及位置的信息。模型中的數值可提示可能由于實際儀器出現的錯誤，如果是實際儀器的問題則可以更換實際儀器[1]。整個系統不僅可以避免不必要的生產中斷，且能實現更加主動的低本高效的生產管理，優化投資回報。

由于我國尚無流動安全在線監測系統的技術和產品，從國外購買這種產品的價格十分昂貴，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測與管理系統時，常常要求提供屬于國家經濟秘密的油氣資源資料，這些都對該技術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，盡快加速開發具有自主知識產權的監測系統，對推動我國海洋石油事業具有及其重要的戰略意義和價值。目前中國石油大學及西安交大等高等院校正在對該系統各部分模塊分別進行有針對性的研究設計，相信海上流動管理在線監測系統的國產化指日可待，而該技術的國產化將進一步促進系統在各大海上油氣田中的推廣應用。

4 結語

流動管理在線監測系統在海上油氣田前期設計期間，可協助優化開發設計方案；在油氣田生產操作期間，可幫助提高采收率、改善生產計劃，解決潛在的流動安全問題及作業中的難點。

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化管理。流動管理在線監測系統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。水下生產系統中的各類儀表及儀表的高精度高質量，保證了該系統的精度及可靠性。

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

［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］動態數字油田解決方案把流動保障技術融入日常生產[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.