水下氣田虛擬計量裝置原理及應用研究

程 兵，李清平，姚海元，朱軍龍

(中海油研究總院有限責任公司，北京 100028)

隨著水下生產系統在海洋石油開發中得到越來越廣泛的應用，水下虛擬計量技術也得到了發展[1]。應用于水下氣田的虛擬計量系統是一種基于氣田現有儀表和計算機技術的流量計算系統。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[2]。

目前，虛擬計量技術應用在北海、亞太、墨西哥灣以及西非等多處水下油氣田生產中。該項技術整體性能穩定可靠，得到國外石油公司的廣泛認可[3]。世界各大水下生產系統廠家、油公司以及設計公司均研制了水下虛擬計量系統。著名的Schlumberger公司旗下的OLGA Online軟件包含的虛擬計量模塊，可進行在線實時監測，為使用者提供流動安全方面的顧問支持，是作業者進行重大決策的可靠保證[4]。中海油的崖城13-4氣田安裝了虛擬計量系統OLGA ONLINE，并于2012-07在氣田投產，是國內首次應用的水下虛擬計量系統[5]。2006年，GE公司的虛擬計量系統從油嘴智能管理軟件發展成虛擬計量系統，并在北海油田應用[6]。多相流量計的生產廠家ROXAR公司開發的虛擬計量系統，測量誤差約5%。 FMC 的虛擬計量系統是油田管理系統Flow Manager 的一個模塊，該系統于1995年首次安裝在北海的Troll B油氣田，在北海、加拿大及非洲等地的海上油氣田共安裝30多臺，服務于500多口井。國內對水下虛擬計量裝置的國產化也取得了突破，2014年，中海油的流花19-5氣田實現了虛擬計量國產化[7]，2019-01，具備一定流動管理功能的虛擬計量裝置在南海文昌氣田成功實施。具有虛擬計量功能的產品及公司如表1。

表1 具有虛擬計量功能的產品及其公司

1 水下氣田虛擬計量裝置

1.1 構架及原理

典型的水下氣田虛擬計量系統由軟件系統和硬件系統2部分構成,如圖1。

圖1 水下氣田虛擬計量裝置系統構架

硬件系統主要承擔與現場的DCS的數據通信，并作為該系統的運行平臺；軟件部分主要包括組態軟件、數據庫軟件及核心計算軟件[8]。數據庫軟件用于管理該系統工作所需的各種參數，包括氣藏、井筒、油嘴、海管、組分、計算參數等。同時，數據庫也保存了所有的流量計算結果，以便用于數據的分析和維護；組態軟件提供了OPC服務器和人機界面功能，使整個軟件系統成為一個整體運行；工作于后臺的核心計算軟件則完成流量的計算及其他各種分析運算。水下氣田虛擬計量系統的核心計算軟件包括所有流量算法及數據處理環節，采用多線程的程序開發，能滿足同時計量多口生產井的要求。其核心計算模塊采用多模型同時計算的方式，即使個別井的井底或井口噴嘴前、后壓力和溫度傳感器失效，系統依然能夠正常工作。

1.2 輸入及輸出數據

為了計算實時井口流量及海管流動，需要水下生產系統的基礎參數和實時生產數據。水下生產系統基礎參數主要指井流的組分數據、氣藏特性、井筒的軌跡和結構、地層溫度分布、油嘴特性、海底管道參數等。實時生產數據來自于儀表的測量值，包括井筒底部的壓力及溫度、井口壓力及溫度、油嘴后壓力及溫度、油嘴的開度、閥門狀態、段塞流捕集器的儀表數據等。通過虛擬計量系統的分析計算，可以獲得的輸出數據包括單井的總質量流量，氣、油、水三相的體積流量(標況)及氣田生產井的總流量。另外，結合海管的多相流計算，還可提供海管沿程的壓力、溫度分布等數據。

1.3 計算模型

按照水下氣田生產系統的開發流程，從井底至采油平臺的流動存在4種流動形式：油藏中的滲流、井筒中的垂直管流、過油嘴的流動及海管中的多相流動。虛擬計量系統利用這4種流動的特點及形式，建立相應的模型及算法，實現虛擬計量及海底管道的在線模擬，這些算法包括油藏模型、井筒模型、油嘴模型、海管多相流模型等。

1) 油藏模型。油藏中的滲流可以通過IPR曲線來進行估算，或者由油氣田作業方提供相關的試井或生產數據，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。通過采集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。井筒的計算模型有Beggs-Brill模型[9]、Mukherjee-Brill模型[10]、Duns-Ros模型、Gray模型等。

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。不同的廠家提供的油嘴類型可能會不同，其流動特性也不同，需要根據實際的生產情況進行比選確定[12]。油嘴模型包括Sachdeva模型[11]、Perkins模型、Sachdeva改進模型等。

4) 海管多相流模型。根據管道的路由特點、傾角、尺寸以及所輸送的物流的特點來進行選取，可以選用的模型包括Beggs-Bril模型、Oliemans 模型、Xiao-Brill模型等。

此外，為了準確獲得井流在不同工況下的物性，并計算分相流量，需要獲得準確的井流物的組分數據，并根據相平衡計算獲得相應的物性參數。一般相態計算常用方法有BWRS、SRK、PR等，可以采用自編軟件或者相態計算的商業軟件來計算。如果要設置水合物風險分析功能，還需要增加水合物的計算模型。

典型的水下氣田虛擬計量裝置計算程序如圖2。

2 現場應用

2012年，水下氣田虛擬計量裝置首次應用在我國南海崖城13-4氣田，并在流花19-5氣田實現了國產化應用，虛擬計量裝置在我國水下氣田的開發中得到了認可。從南海已投產的項目情況看，水下氣田虛擬計量裝置能有效服務水下氣田生產，具有以下特點和應用效果。

2.1 高靈活性和可靠性

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，通常需要為每口生產井單獨安裝1臺多相流量計。水下多相流量計大多為國外產品、價格昂貴，且多相流量計的測試、校準及安裝維護都存在一定難度。采用水下虛擬計量裝置，可以有效地補充水下流量計的一些不足之處，在邊際氣田甚至可以替代水下流量計使用[13]。水下虛擬計量裝置的靈活性和可靠性保證了其可以作為現有氣田的新增設施接入系統中，可以作為邊際氣田節省開發成本的利器，還可以作為多井口的大型氣田的“產量管家”。可作為水下流量計的補充或者替代水下流量計。

水下虛擬計量裝置與水下流量計的特點對比如表2。

圖2 典型的水下氣田虛擬計量裝置計算程序

表2 水下虛擬計量裝置與水下流量計的特點對比

2.2 較好的計量精度

已經投用的水下氣田虛擬流量裝置在計量精度方面實現了較好的應用效果。對于可獲得各測點壓力和溫度的油氣井，虛擬計量系統的氣相測量誤差一般在2%～5%[14]。當個別油氣井的井筒或水下采油樹油嘴前、后壓力和溫度傳感器失效時，虛擬計量系統也能通過對整個生產系統運行參數的分析，通過水下生產系統總流量減去其他各井量的方式，計算出該油氣井的產量。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在5%以內的計量精度。

圖3a為南海某氣井水下虛擬計量裝置氣相產量計算值與流量計測量值的對比，水下虛擬計量裝置的計算結果與實際測量值吻合較好，測試期間的各種產量調整過程所產生的產量波動都基本可以很好地體現，期間的幾次關停井造成的短時間停產過程也沒有影響水下虛擬計量裝置的工作。

圖3b為氣相計算值與測量值的相對誤差分布，相對誤差小于±5%的計算結果占92%左右。水下虛擬計量裝置的液相計量測量誤差一般可以達到10%左右。整體來看，這樣的計量效果可以滿足氣田生產的需求。

a 氣相產量計算值與流量計測量值的對比

2.3 可實現管道的流動監測

水下虛擬計量裝置不僅可以實現單井各相計量的需求，且其計算的流量數據可以用來計算和校核海底管道運行數據，為管道提供流動監測的功能。在南海某氣田2019年投產的水下虛擬計量裝置中，采用其提供的入口數據和段塞流捕集器的溫度壓力參數進行計算，對海底管道的溫度和壓力分布進行了對比。圖4為測試期間該系統所計算的壓降，及海底管道出口溫度。將其同實測壓降及段塞流捕集器溫度比較，幾乎所有數據落在誤差10%的范圍內，其中壓降的預測結果絕大多數偏大，誤差在0%～8%，而溫度誤差絕大多數為5%～9%。

根據溫度和壓力的分布還可以評估水合物生成風險，整條管道不會生成水合物，處于安全運行的狀態。采用水下虛擬計量裝置的這一拓展功能，可以實現海底管道沿線的溫度、壓力等參數的顯示、儀表讀數的展示，并可以體現水合物生成風險、段塞流風險等，從而實現更好的生產管理。

a 海管沿程壓力分布

2.4 可實現生產的動態管理

水下虛擬計量裝置提供的系統功能包括數據的存儲、導入、導出、統計、報警等。日常氣藏管理的主要工作是動態監測和診斷，除了油、氣、水的產量之外，還需要關注氣藏各個生產節點的壓力、注入的化學藥劑量、油氣比、水氣比的變化[15]。水下虛擬計量裝置采用成熟的數據庫軟件來管理數據，從而實現生產的管理功能。數據庫軟件包括實時數據庫、歷史數據庫和關系數據庫。數據庫會設置訪問權限，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。此外，用戶還可以設置某些參數和工況的報警按鈕，從而達到更好的生產管理效果。虛擬計量提供的產量統計可以便于操作者對氣藏生產做出更加合理的規劃和安排，其提供的參數報警等功能可以便于操作者及時發現生產中的問題，對生產實現更好的動態管理。

3 結語

水下虛擬計量技術以其良好的經濟性、可靠性、準確性和靈活度，正在越來越多的海上油氣田中得到應用。其在南海水下邊際氣田的成功應用，為未來海上邊際氣田開發及水下單井計量方式選擇起到了良好的示范作用,為實現氣田智能流動管理奠定基礎，同時也為保護海上油氣田的信息安全提供保障。

虛擬計量技術是流動管理系統功能模塊之一。在海上天然氣田開發過程中，通過對虛擬計量技術的應用，可進一步探索水合物動態管理和生產安全管理等智能氣田創新技術。隨著建設數字化油田和海上智能化油田的開展，水下虛擬計量裝置還需要繼續深入研究。