水下气田虚拟计量装置原理及应用研究

2021-03-26李清平姚海元朱军龙

石油矿场机械 2021年2期

程兵，李清平，姚海元，朱军龙

(中海油研究总院有限责任公司，北京 100028)

随着水下生产系统在海洋石油开发中得到越来越广泛的应用，水下虚拟计量技术也得到了发展[1]。应用于水下气田的虚拟计量系统是一种基于气田现有仪表和计算机技术的流量计算系统。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[2]。

目前，虚拟计量技术应用在北海、亚太、墨西哥湾以及西非等多处水下油气田生产中。该项技术整体性能稳定可靠，得到国外石油公司的广泛认可[3]。世界各大水下生产系统厂家、油公司以及设计公司均研制了水下虚拟计量系统。著名的Schlumberger公司旗下的OLGA Online软件包含的虚拟计量模块，可进行在线实时监测，为使用者提供流动安全方面的顾问支持，是作业者进行重大决策的可靠保证[4]。中海油的崖城13-4气田安装了虚拟计量系统OLGA ONLINE，并于2012-07在气田投产，是国内首次应用的水下虚拟计量系统[5]。2006年，GE公司的虚拟计量系统从油嘴智能管理软件发展成虚拟计量系统，并在北海油田应用[6]。多相流量计的生产厂家ROXAR公司开发的虚拟计量系统，测量误差约5%。 FMC 的虚拟计量系统是油田管理系统Flow Manager 的一个模块，该系统于1995年首次安装在北海的Troll B油气田，在北海、加拿大及非洲等地的海上油气田共安装30多台，服务于500多口井。国内对水下虚拟计量装置的国产化也取得了突破，2014年，中海油的流花19-5气田实现了虚拟计量国产化[7]，2019-01，具备一定流动管理功能的虚拟计量装置在南海文昌气田成功实施。具有虚拟计量功能的产品及公司如表1。

表1 具有虚拟计量功能的产品及其公司

1 水下气田虚拟计量装置

1.1 构架及原理

典型的水下气田虚拟计量系统由软件系统和硬件系统2部分构成,如图1。

图1 水下气田虚拟计量装置系统构架

硬件系统主要承担与现场的DCS的数据通信，并作为该系统的运行平台；软件部分主要包括组态软件、数据库软件及核心计算软件[8]。数据库软件用于管理该系统工作所需的各种参数，包括气藏、井筒、油嘴、海管、组分、计算参数等。同时，数据库也保存了所有的流量计算结果，以便用于数据的分析和维护；组态软件提供了OPC服务器和人机界面功能，使整个软件系统成为一个整体运行；工作于后台的核心计算软件则完成流量的计算及其他各种分析运算。水下气田虚拟计量系统的核心计算软件包括所有流量算法及数据处理环节，采用多线程的程序开发，能满足同时计量多口生产井的要求。其核心计算模块采用多模型同时计算的方式，即使个别井的井底或井口喷嘴前、后压力和温度传感器失效，系统依然能够正常工作。

1.2 输入及输出数据

为了计算实时井口流量及海管流动，需要水下生产系统的基础参数和实时生产数据。水下生产系统基础参数主要指井流的组分数据、气藏特性、井筒的轨迹和结构、地层温度分布、油嘴特性、海底管道参数等。实时生产数据来自于仪表的测量值，包括井筒底部的压力及温度、井口压力及温度、油嘴后压力及温度、油嘴的开度、阀门状态、段塞流捕集器的仪表数据等。通过虚拟计量系统的分析计算，可以获得的输出数据包括单井的总质量流量，气、油、水三相的体积流量(标况)及气田生产井的总流量。另外，结合海管的多相流计算，还可提供海管沿程的压力、温度分布等数据。

1.3 计算模型

按照水下气田生产系统的开发流程，从井底至采油平台的流动存在4种流动形式：油藏中的渗流、井筒中的垂直管流、过油嘴的流动及海管中的多相流动。虚拟计量系统利用这4种流动的特点及形式，建立相应的模型及算法，实现虚拟计量及海底管道的在线模拟，这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。油藏中的渗流可以通过IPR曲线来进行估算，或者由油气田作业方提供相关的试井或生产数据，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。通过采集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。井筒的计算模型有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。不同的厂家提供的油嘴类型可能会不同，其流动特性也不同，需要根据实际的生产情况进行比选确定[12]。油嘴模型包括Sachdeva模型[11]、Perkins模型、Sachdeva改进模型等。

4) 海管多相流模型。根据管道的路由特点、倾角、尺寸以及所输送的物流的特点来进行选取，可以选用的模型包括Beggs-Bril模型、Oliemans 模型、Xiao-Brill模型等。

此外，为了准确获得井流在不同工况下的物性，并计算分相流量，需要获得准确的井流物的组分数据，并根据相平衡计算获得相应的物性参数。一般相态计算常用方法有BWRS、SRK、PR等，可以采用自编软件或者相态计算的商业软件来计算。如果要设置水合物风险分析功能，还需要增加水合物的计算模型。

典型的水下气田虚拟计量装置计算程序如图2。

2 现场应用

2012年，水下气田虚拟计量装置首次应用在我国南海崖城13-4气田，并在流花19-5气田实现了国产化应用，虚拟计量装置在我国水下气田的开发中得到了认可。从南海已投产的项目情况看，水下气田虚拟计量装置能有效服务水下气田生产，具有以下特点和应用效果。

2.1 高灵活性和可靠性

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，通常需要为每口生产井单独安装1台多相流量计。水下多相流量计大多为国外产品、价格昂贵，且多相流量计的测试、校准及安装维护都存在一定难度。采用水下虚拟计量装置，可以有效地补充水下流量计的一些不足之处，在边际气田甚至可以替代水下流量计使用[13]。水下虚拟计量装置的灵活性和可靠性保证了其可以作为现有气田的新增设施接入系统中，可以作为边际气田节省开发成本的利器，还可以作为多井口的大型气田的“产量管家”。可作为水下流量计的补充或者替代水下流量计。

水下虚拟计量装置与水下流量计的特点对比如表2。

图2 典型的水下气田虚拟计量装置计算程序

表2 水下虚拟计量装置与水下流量计的特点对比

2.2 较好的计量精度

已经投用的水下气田虚拟流量装置在计量精度方面实现了较好的应用效果。对于可获得各测点压力和温度的油气井，虚拟计量系统的气相测量误差一般在2%～5%[14]。当个别油气井的井筒或水下采油树油嘴前、后压力和温度传感器失效时，虚拟计量系统也能通过对整个生产系统运行参数的分析，通过水下生产系统总流量减去其他各井量的方式，计算出该油气井的产量。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在5%以内的计量精度。

图3a为南海某气井水下虚拟计量装置气相产量计算值与流量计测量值的对比，水下虚拟计量装置的计算结果与实际测量值吻合较好，测试期间的各种产量调整过程所产生的产量波动都基本可以很好地体现，期间的几次关停井造成的短时间停产过程也没有影响水下虚拟计量装置的工作。

图3b为气相计算值与测量值的相对误差分布，相对误差小于±5%的计算结果占92%左右。水下虚拟计量装置的液相计量测量误差一般可以达到10%左右。整体来看，这样的计量效果可以满足气田生产的需求。

a 气相产量计算值与流量计测量值的对比

2.3 可实现管道的流动监测

水下虚拟计量装置不仅可以实现单井各相计量的需求，且其计算的流量数据可以用来计算和校核海底管道运行数据，为管道提供流动监测的功能。在南海某气田2019年投产的水下虚拟计量装置中，采用其提供的入口数据和段塞流捕集器的温度压力参数进行计算，对海底管道的温度和压力分布进行了对比。图4为测试期间该系统所计算的压降，及海底管道出口温度。将其同实测压降及段塞流捕集器温度比较，几乎所有数据落在误差10%的范围内，其中压降的预测结果绝大多数偏大，误差在0%～8%，而温度误差绝大多数为5%～9%。

根据温度和压力的分布还可以评估水合物生成风险，整条管道不会生成水合物，处于安全运行的状态。采用水下虚拟计量装置的这一拓展功能，可以实现海底管道沿线的温度、压力等参数的显示、仪表读数的展示，并可以体现水合物生成风险、段塞流风险等，从而实现更好的生产管理。

a 海管沿程压力分布

2.4 可实现生产的动态管理

水下虚拟计量装置提供的系统功能包括数据的存储、导入、导出、统计、报警等。日常气藏管理的主要工作是动态监测和诊断，除了油、气、水的产量之外，还需要关注气藏各个生产节点的压力、注入的化学药剂量、油气比、水气比的变化[15]。水下虚拟计量装置采用成熟的数据库软件来管理数据，从而实现生产的管理功能。数据库软件包括实时数据库、历史数据库和关系数据库。数据库会设置访问权限，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。此外，用户还可以设置某些参数和工况的报警按钮，从而达到更好的生产管理效果。虚拟计量提供的产量统计可以便于操作者对气藏生产做出更加合理的规划和安排，其提供的参数报警等功能可以便于操作者及时发现生产中的问题，对生产实现更好的动态管理。