水下氣田流動管理系統功能及應用*

中海油研究總院有限責任公司

隨著海洋石油工業的發展，水下生產系統的開發方式得到了更加廣泛的應用[1]，成為深水油氣田開發的一個發展趨勢，目前其最大應用水深接近3 000 m，最長回接距離近150 km。在國內，水下生產系統的開發已經在荔灣3-1氣田等10個油氣田成功實施[2]，并且在南海深水開發中還將扮演更加重要的角色。在全球石油行業數字化的背景下，如何對水下生產系統的生產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險。為實現更好的流動管理效果，基于多相流計算原理研發了水下氣田流動管理系統，在北海、亞太、墨西哥灣以及西非等多處水下油氣田生產中得到應用，并得到廣泛認可。

水下氣田流動管理系統主要根據氣田水下設施特性及參數建模，及時從監測對象（井筒、管線、段塞流捕集器等）處的傳感器及儀表獲取數據（壓力、溫度、閥門開度等），將采集到的輸入數據傳遞到系統內開展計算，從而計算出海底管道等水下設施相關流動參數，監測管道流動狀態，并在此基礎上判斷和預測流動安全風險，為生產作業人員提供操作建議。目前國際上比較著名的主要是OLGA ONLINE 和DIGITAL TWIN 等系統。以OLGA 為內核的OLGA ONLINE 解決方案已成為數字化油田的 重 要 選 項[3]，在Ormen Lange、Scarab/Saffron、Corrib、Goldeneye、Canyon Express、Sn?hvit 和Shtokman 等油氣田的開發過程中，由OLGA ONLINE輔助的遠程作業提供了重要的支持[4]，在我國荔灣3-1 氣田也正在使用。DIGITAL TWIN 數字孿生系統采用Leda Flow+K-Spice 模式，其特點是利用Leda Flow實現水下管道的流動模擬，K-Spice實現平臺上部工藝的模擬，并實現連接，模擬整個生產系統的工況[5]。此外，FLOW MANAGER，VIRTUOSO 等流動管理系統也有較多的應用[6]。2013年，在流花19-5 氣田首次實現了水下虛擬計量技術的國內應用[5]，并于2019年在文昌10-3氣田安裝了初步的流動管理系統，實現了海管監測和水合物風險監測等功能。

1 常見操作模式

水下氣田流動管理系統采用多相流動態模擬技術手段，從采集數據中通過模擬計算獲得無法直接采集的生產運行信息，實時監控診斷油氣生產運行狀態，能夠預測工況和規劃操作。同時基于采集數據和模擬結果進行綜合分析，智能應用以及可視化展示。運用動態仿真技術建立實時在線氣田流動管理系統，實現油氣生產從地層到井筒再到地面工藝一體化運行管理，防范并預警油氣生產運行過程中面臨的安全風險。

水下氣田流動管理系統通常會提供多種操作模式，用于滿足實時監測、未來工況預測、培訓等多種需求[7]。水下氣田流動管理系統常見的四種操作模式見表1。

表1 水下氣田流動管理系統常見的四種操作模式Tab.1 Four typical operation modes of subsea gas field flow management system

2 主要功能

2.1 流動安全的監測和分析功能

2.1.1 水下設施的實施生產參數實時顯示

典型的水下氣田流動管理系統通常可以提供氣田水下設施的實施生產參數實時顯示功能。顯示的對象通常包括系統總覽、各單井、各水下管匯、海管管道沿程、段塞流捕集器等。顯示的主要參數一般包括溫度、壓力、流量、閥門開度、化學藥劑量等。對于海管參數還可以包括沿程路由、流型、持液率、管內滯液量等。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狀況。

2.1.2 水下虛擬計量

在油氣生產中，單井產量數據是進行油氣藏動態預測與生產管理的關鍵信息，對于水下生產系統，以前通常需要為每口生產井單獨安裝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。氣田流動管理系統的水下虛擬計量功能是一種基于氣田現有儀表和計算機技術的流量計算系統[8]。該系統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，在水下油氣田開發工程中具有較廣闊的應用前景。

水下虛擬計量功能的主要優點包括以下幾方面：①便捷性。僅僅通過現有的儀表及設施獲取參數，無需在水下增加任何儀表或設施；可以獨立于平臺系統運行，不會引起干擾。②可靠性。設備簡單，不需要復雜的操作和維護，不會輕易失效。③量程大且測量范圍廣。通過調整所采用的多相流模型，可以適應不同管道路由、不同流型和不同組分的流量計算，調試后可以使計算效果更佳。④環保和安全。沒有輻射及其他安全風險。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]。

氣田流動管理系統主要通過三種方式模擬實現水下計量功能：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據，使用井筒模型計算井筒內的總流量。③油嘴模型：通過油嘴前后的溫度和壓力傳感器的數據，使用油嘴模型計算總流量。此外還可以通過海管的溫壓數據進行反算。在氣田生產工況發生變化時，可以通過模型的調整來實現虛擬計量效果的優化。從目前各大氣田應用的效果來看，氣田虛擬計量系統在校準后通常可以達到單井氣相流量誤差控制在5%以內的計量精度（圖1），能夠滿足現場生產的一般要求。

圖1 某氣田虛擬計量系統氣相產量計算值與實測值相對誤差Fig.1 Relative error of gas-phase production between real production and calculated value from the virtual metering system of a subsea gas field

2.1.3 水合物風險監測及分析

水合物風險監測主要用于監測海底管道日常生產時的水合物生成風險、井口和跨接管在氣田啟動工況時的水合物生成風險。水下氣田主要通過注入化學藥劑來防止水合物在井口至管匯至平臺之間的水下生產系統中生成[10]。在正常生產情況下通過連續注入MEG 貧液來防止水合物生成，而在啟動、關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，不同的濃度下對應的水合物生成曲線也有所不同，從而優化水合物抑制劑的注入量，實現降本增效。

圖2 某水下氣田海底管道流體溫度與水合物生成曲線對比Fig.2 Comparison of subsea pipeline fluid temperature with hydrate formation curves in a subsea gas field

氣田流動管理系統可以實現水合物抑制劑的統計和監測功能。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，并進行注入量的統計。

2.1.4 段塞監測及控制

在海底地形起伏和管道低氣量時，容易導致嚴重段塞流的發生，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，對生產造成危害[11]。因此，需要掌握管道內段塞的生成，消除其不利影響。段塞監測用于顯示水下生產系統的海管沿線內的積液情況，包括總液量、凝析液量和水相含量的數據，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，為后續的段塞控制提供依據。通過對管道內的液體量的監測管理，可以有效避免下游出現段塞無法及時處理的工況，保障生產的安全[12]。段塞控制可以采用立管頂部節流閥智能調節的方法，基于PID控制機理，根據海底管道入口壓力進行調節控制，閥門開度為被調節參數，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間，以便更快地穩定壓力波動，并使壓力更接近設定點，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信息。當清管器發出時，平臺控制系統會發出清管的相關信號。清管循環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、預測的清管器到達時間、標定的泄漏比等參數，為平臺上部的操作提供依據，保障清管的順利實施。

2.1.6 砂監測

砂監測功能主要包括高流速下的砂沖蝕風險監測和低流速下的砂沉積風險監測。在沖蝕監測方面，氣田流動管理系統可以對所有生產節流閥、管道入口、出口和立管頂部等關鍵點設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險。防砂關注的主要信息是井底的磨損速率和生產系統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控，以判斷井的出砂情況。該數據可以在界面中查看，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。在砂沉積監測方面，主要是監測局部的最低流速，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險。砂監測的功能可以結合水下砂監測裝置的讀數來開發。

2.1.7 腐蝕監測

腐蝕監測頁面顯示的信息包括剪切應力、持液率、流型圖、不同判據計算的腐蝕速率、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等。腐蝕監測的功能可以通過采用流體-管壁的剪切應力來判斷，用戶定義剪切應力的極限值，如果高于此值，將進行報警；或者采用內嵌的相關式來判斷；此外還可以結合水下生產系統中安裝的腐蝕探測裝置讀取數值，并在流動管理系統中進行顯示。

2.1.8 泄漏監測和堵塞監測

泄漏監測用于提醒操作者海底管道中是否有泄漏的現象，監測系統還可以提示在管道何位置發生泄漏。泄漏監測的主要信息包括泄漏發生的時間、泄漏率、累計泄漏量等。

堵塞監測用于提醒操作者海底管道中是否有堵塞的現象，監測系統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生堵塞。

2.2 流動安全工況的模擬預測功能

除了對水下生產系統的流動安全情況進行在線監測和分析外，氣田流動管理系統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測。以當前生產工況、某個歷史工況乃至假定工況為模擬基礎，進行特殊流動安全工況的模擬，實現對該工況的分析，為未來的生產狀況做出預測，為操作者的決策提供參考依據。氣田流動管理系統對流動安全操作工況的模擬和預測主要包括泄放工況、增輸和減輸工況、啟動和關停工況、氣體循環工況、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險。

圖3 不同泄放工況下氣田管道溫度的變化曲線Fig.3 Gas field pipeline temperature variation curve under different discharge working condition

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增加流量，通過計算分析管道內滯液量的變化，并根據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減小流量，通過計算分析管道內沒有液相和水相流出的時間（圖4），并根據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險。

2.2.3 啟動和關停工況

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。對于關停工況，主要是通過對關停時甲醇注入量和管道的溫降情況進行分析，并判斷關停后管道的水合物生成風險，分析氣田關停方案合理性，并提出操作建議。

圖4 某水下氣田管道輸量從500×104 m3/d降低到250×104 m3/d后出口液流量和水流量變化Fig.4 Outlet liquid&water flowrate variation after the throught decreases from 500×104 m3/d to 250×104 m3/d for a subsea gas field pipeline

2.2.4 氣體循環工況

對于荔灣3-1、陵水17-2等采用雙海管的水下氣田來說，部分生產工況下可能需要采用氣體循環的操作來實現生產的優化，采用氣體循環，可以有效減小單管所需的背壓，提高產量。氣體循環的模擬用于優化啟動和終止氣體循環的操作，可以設置注氣閥門開度的邏輯控制，井流量也可以根據氣體循環的效果進行調節控制。氣體循環模擬時可以展示氣體循環的流量、壓力、閥門開度等，以及井口、段塞流捕集器、節流閥的壓力和流量等信息。此外，操作者也可以根據自己的需求，自定義生產工況進行模擬。

2.3 其他常見的系統功能

水下氣田流動管理系統常見的系統功能還包括數據的存儲、導入、導出、統計、報警等。氣田流動管理系統使用的各種計算數據數量繁多，同時還要長時間存儲大量計算結果，因此需要采用成熟的數據庫軟件來管理數據。數據庫軟件包括實時數據庫、歷史數據庫和關系數據庫。數據庫應設置訪問權限，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、導入/導出、備份/還原、統計和報表打印的功能，以便氣田操作者掌握氣田生產的各類數據。此外，用戶還可以設置某些參數和工況的報警按鈕，提醒操作者及時注意并處理，達到更好的監測效果[15]。

3 結束語

流動管理系統在水下氣田的生產管理中發揮了重要的作用，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，從而減少設備的初始投資；可以實時監測生產并建立動態數據庫，便于氣田管理；提供流動安全管理，全面監測管理水合物、段塞流、腐蝕、沖蝕等各類風險，避免出現危險的流動安全工況，有效保障氣田生產；還可以預測未來生產狀況，輔助生產者決策和制定計劃，實現更加科學和合理的生產；對于在建氣田，操作者采用流動管理系統提前進行生產工況的調試模擬，甚至可以縮短一周乃至更多的調試時間，實現早日投產，節約成本。隨著建設數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還需要繼續深化研究，在全面實現國產化方面做出更多的努力，取得更大的突破。