基于K-Spice的海上油田井口超壓和泵回流研究

馬晨波，郝蘊，靜玉曉，楊葳，劉云，崔月紅

(1.中海油研究總院有限責任公司，北京 100028； 2.中國石油天然氣股份有限公司北京油氣調控中心，北京 100010)

目前油氣田工藝設計的智能化成果主要體現(xiàn)在穩(wěn)態(tài)工況，穩(wěn)態(tài)工況模擬能夠在最短的時間內(nèi)為設計人員提供必需的工藝參數(shù)。根據(jù)穩(wěn)態(tài)模擬的結果，設計人員可對生產(chǎn)系統(tǒng)的運行進行簡單預測，并對系統(tǒng)面臨的多種復雜工況產(chǎn)生初步認識。但是基于穩(wěn)態(tài)工況獲取的信息多停留在定性層面，獲得的信息通常存在片面化、經(jīng)驗化的問題，致使分析結果通常偏保守或較為理想。在實際生產(chǎn)運行中，工藝參數(shù)的波動、應急工況引發(fā)的影響不能僅依靠變化的最終結果去簡化分析，而需要得知系統(tǒng)變化的整個過程[1-2]。因此，有必要在油氣田工藝設計中進一步深化動態(tài)模擬技術。通過系統(tǒng)分析不同工況下工藝參數(shù)變化的過程及其對工藝設備的影響，提出行之有效的應對方案。

相對于陸上生產(chǎn)系統(tǒng)，海上油田的水下生產(chǎn)系統(tǒng)具有不易受外界條件影響、對水深要求不高和適用范圍廣等特點[3]。含水下生產(chǎn)系統(tǒng)的海上油氣田的典型流程為：油氣藏產(chǎn)流體經(jīng)由各水下井口和采油樹，到達管匯處匯集后通過水下增壓泵增壓送至下游海管或平臺[3]。在實際生產(chǎn)過程中，水下井口壓力迅速升高或短時間停產(chǎn)會對下游工藝設施和操作方案產(chǎn)生影響。出于安全考慮，水下生產(chǎn)系統(tǒng)的主工藝管線和設備的最大承壓通常按照關井壓力設計，同時井口下游設有雙隔離閥(production isolation valve，PIV)進行超壓關斷保護；當油田面臨短時間停產(chǎn)工況時，為了減少停泵、起泵的頻繁操作，可使水下增壓泵進入回流工況。為了確保油田安全、高效地運行，對生產(chǎn)過程中可能遇到的應急工況進行動態(tài)模擬分析十分重要。

隨著油氣工藝技術的不斷提升，已有部分研究涉獵動態(tài)分析，如油氣管道瞬態(tài)工況分析[4-6]、段塞流分析[7]、壓縮機特性分析[8-9]、 安全閥尺寸分析[10]、 安全閥泄放[11-13]等。與SPS、HYSYS等軟件相比，K-Spice作為近年興起的一款動態(tài)仿真模擬軟件，具有計算精度高、功能更全面(能夠預測控制、在線監(jiān)控)等優(yōu)勢，在國外油氣田、LNG液化廠等已具備一定的應用規(guī)模[14-16]。然而，該軟件在國內(nèi)的應用仍處于起步階段，目前尚無工程設計或生產(chǎn)項目的應用實例。鑒于此，筆者以某海上油田為對象，使用K-Spice動態(tài)模擬軟件，借助軟件自身MCL語言編寫控制邏輯，系統(tǒng)分析了該油田水下單井超壓和油田短時間停產(chǎn)增壓泵回流2種工況對生產(chǎn)系統(tǒng)和工藝設施的影響，以期對油田的后續(xù)運行維護和油氣田的智能化發(fā)展提供技術支持。

1 基礎數(shù)據(jù)

標準狀態(tài)下(101.325 kPa、15.56 ℃)，油田的原油組分如表1所示。油田產(chǎn)原油的析蠟點為62 ℃，凝點為43 ℃，60 ℃原油的黏度為42.03 mPa·s。油田各井(共4口單井，A1～A4井)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)如表2所示，水下單井連接至管匯的跨接軟管尺寸如表3所示。油田水下生產(chǎn)系統(tǒng)的環(huán)境溫度為15 ℃。

表1 油田原油組分

注：C10+組分分子質量為248，相對密度為850.4 kg/m3。

表2 油田單井生產(chǎn)數(shù)據(jù)

表3 油田水下生產(chǎn)系統(tǒng)跨接軟管尺寸

2 建立動態(tài)模型

2.1 水下生產(chǎn)系統(tǒng)工藝流程簡介

油田水下生產(chǎn)系統(tǒng)的工藝流程如圖1所示。油田具有4個水下井口(A1～A4井)，每個井口下游設有油嘴、雙PIV(PIV 1和PIV 2)和壓力傳感器，分別用于調節(jié)井口壓力、超壓隔離保護和監(jiān)測流體壓力。在正常生產(chǎn)運行中，A1～A4井的雙PIV全開，各井的井流物通過跨接軟管輸送至管匯后，統(tǒng)一經(jīng)過水下增壓泵提升壓力后進入單管(圖1中管段①)，隨后送至海底管道入口；水下生產(chǎn)系統(tǒng)管段②一側閥門處于常關狀態(tài)，僅在水下生產(chǎn)系統(tǒng)需要置換時打開。該水下生產(chǎn)系統(tǒng)采用全壓設計(即設計壓力均為10 MPa)。

2.2 K-Spice動態(tài)模型的建立

K-Spice作為一款新的動態(tài)模擬軟件，具有強大的計算功能，可以對設計和生產(chǎn)中的多種工況進行模擬，如設備性能分析、壓力泄放模擬和清管過程模擬等。K-Spice軟件主要包含模型控制(Model Control)和模型建立(Model Building)2種模式。模型控制模式主要用于監(jiān)測整個模擬過程中各設備或節(jié)點的參數(shù)，通過faceplate面板可監(jiān)控到各參數(shù)的數(shù)值及其變化歷史(Trends)。K-Spice中Tools菜單中的MCL Manager為用戶提供編寫控制邏輯的功能，通過編寫MCL語言可以實現(xiàn)閥門開度調節(jié)、系統(tǒng)進出口壓力改變和設備液位監(jiān)測報警等功能。K-Spice建模是開展動態(tài)模擬計算的基礎，整個建模過程可分為物流文件生成、動態(tài)模型建立和動態(tài)模型調試3部分，如圖2所示。

2.2.1 物流文件生成

在開始搭建K-Spice模型之前，需要準備生產(chǎn)系統(tǒng)的物流文件。不同于大多數(shù)模擬軟件，K-Spice軟件不能直接在建模項目中輸入流體信息，需要通過軟件自帶的Multiflash組件閃蒸計算后，再在K-Spice軟件中導入流體信息。首先，在Multiflash中輸入流體的物性，所用流體組分如表1所示。然后，選擇閃蒸計算的模型和條件，采用PRA模型，在標準狀況(15.56 ℃、101.325 kPa)下進行PT Flash，生成.mfl文件。隨后打開K-Spice軟件將Multiflash的閃蒸計算結果(.mfl文件)導入物性表(Table builder)中，輸入整個生產(chǎn)系統(tǒng)的溫度范圍(Interpolate temperatures)和壓力范圍(Interpolate pressures)，計算生成物流文件(.ttb)。最后，物流文件通過K-Spice熱力學模塊(Thermodynamics)導入。

2.2.2 動態(tài)模型的建立

在完成物流文件準備的基礎上，新建1個項目(Project)，在Navigator菜單欄下Timelines文件序列中選擇Engineering激活Project。在模型建立模式(Model Building)下，新建視圖(New Graphic)后，根據(jù)具體工藝流程開始建模。與HYSYS、SPS等軟件類似，K-Spice中也有大量的模塊化組件，在Symbols菜單欄中選擇所需的物流、設備和管線等，放置在新建視圖中依次連接即可。需要注意的是，K-Spice中組件連接順序遵循實際物流走向，即需要根據(jù)實際物流的走向自上游向下游依次連接各設備和管線。由于K-Spice軟件采用壓力、流量交替計算的方法，因此在模型建立中需要將壓力元件(pipeflow、pump)與流量元件(feed、pipevolume)依次交替放置。以水下生產(chǎn)系統(tǒng)為例(如圖3所示)，首先建立4個井口物流(WELL_A1H 至WELL_ A4H)，在井口下游放置管線元件(pipeflow)作為跨接軟管，然后在此管線下游放置pipevolume，隨后再放置管線元件(pipeflow)作為管匯，以此類推按照物流走向連接設備和管線。其中，增壓泵作為壓力元件，其入口、出口處均需連接流量元件pipevolume后，再連接管線元件(pipeflow)。最后，參照生產(chǎn)系統(tǒng)的P&ID圖(Piping & Instrument Diagram)在相應的管線上放置閥門和儀表。

2.2.3 動態(tài)模型調試

K-Spice建模完成后，在開展工況模擬前需要調試模型。首先，輸入生產(chǎn)系統(tǒng)的入口邊界條件，在井口物流(WELL_A1H 至WELL_ A4H)的faceplate面板中輸入井口的壓力和溫度(如表2所示)。然后，在各個對應管線的Configuration菜單下輸入基本參數(shù)(如表3和圖3所示)，在泵的Configuration菜單下輸入特性參數(shù)(揚程、流量和效率)。所用增壓泵為多相泵，其特性曲線如圖4所示。隨后，在生產(chǎn)系統(tǒng)末端(海管入口)pipeflow元件的faceplate中輸入壓力初值，點擊初始化(Initialize timeline)準備調試。最后，開始運行模型，通過調節(jié)生產(chǎn)系統(tǒng)末端(海管入口)pipeflow元件的壓力，使得整個系統(tǒng)的流量與Multiflash中閃蒸所得物流流量一致，并將模型運行至穩(wěn)態(tài)，整個動態(tài)模型調試結束。

3 模擬結果分析

3.1 穩(wěn)態(tài)運行工況

根據(jù)油田正常生產(chǎn)(流量為982.8 m3/h)的運行參數(shù)(如表4所示)完成K-Spice模型的調試和穩(wěn)態(tài)模擬，所用的模型如圖3所示。

表4 油田正常運行參數(shù)

正常運行中A2井和A3井油嘴后的壓力均為1.70 MPa，A1和A4井的最后壓力分別為1.69 MPa和1.67 MPa。4口井的物流經(jīng)跨接管和水下管匯到達增壓泵入口，壓力和溫度分別為1.63 MPa和87.7 ℃。經(jīng)水下增壓泵提升壓力后，流體壓力增至5.91 MPa，且流體過泵后比入口處溫度升高0.5 ℃。

3.2 水下單井超壓工況

在正常生產(chǎn)中，水下井口雙PIV(PIV1和PIV2)處于全開狀態(tài)(如圖1所示)。當水下井口升高時，壓力傳感器監(jiān)測到壓力值超過關斷值PAHH，跨接軟管上的雙PIV開始關閉。與油嘴不同，PIV閥僅在超壓時使用，閥門開度通常為0或100%，不具備節(jié)流調節(jié)功能。在雙PIV關閉過程中，迅速升高的井口壓力可能傳遞至下游管匯和增壓泵，對工藝設施造成危害。以該油田A3井為對象，系統(tǒng)分析了該井的井口壓力由正常生產(chǎn)壓力驟增至關井壓力的過程對下游管匯和增壓泵帶來的影響。具體工況為：

在第0～60 s內(nèi)，水下生產(chǎn)系統(tǒng)正常運行，A3井油嘴后的壓力為1.70 MPa，整個系統(tǒng)的流量為982.8 m3/h；第60 s井口壓力開始升高，同時A3井的油嘴失效(不具備節(jié)流功能)；在第62 s時，A3井的井口壓力增至關井壓力10 MPa。A3井的壓力傳感器(距離井口5 m處)監(jiān)測了整個過程的井口壓力，當其測量值高于4.15 MPa(PAHH)時，井口下游PIV1(距離井口10 m)和PIV2(距離井口36 m)同時開始關閉，6 s后雙PIV完全關閉。在整個過程中，水下增壓泵出口壓力始終維持5.91 MPa。A3井的井口壓力和雙PIV的開度隨時間的變化情況如圖5所示。

由圖5可知，在開始的60 s內(nèi)生產(chǎn)系統(tǒng)正常運行，A3井的井口壓力為1.70 MPa；第60 s起A3井的井口壓力開始迅速升高；在第60～60.6 s之間，A3井的井口壓力低于4.15 MPa(PAHH)，雙PIV保持全開(開度100%)，水下系統(tǒng)正常運行；第60.6 s井口壓力達到4.15 MPa，雙PIV開始關閉。A3井的井口壓力繼續(xù)升高，直至第62 s達到關井壓力10 MPa，此時雙PIV的開度為75.6%。隨著時間的增長，雙PIV的開度進一步減小，在第66.6 s雙PIV完全關閉(開度為0)，A3井的流量為0 m3/h。

由此可見，A3井的井口壓力經(jīng)過2 s由正常運行壓力1.70 MPa增至關井壓力10 MPa。在雙PIV關閉的過程中(第60.3～66.6 s)，高壓將傳導至下游管匯和增壓泵，對增壓泵產(chǎn)生影響。水下增壓泵運行參數(shù)的模擬結果如圖6所示。

由圖6(a)可知，在第0～60 s內(nèi)，水下增壓泵的入口壓力為1.63 MPa；第60 s井口壓力開始升高，水下增壓泵入口壓力同時上升；第60.6 s時A3井的井口壓力達到4.15 MPa(PAHH)，跨接軟管上的雙PIV開始關閉。隨著井口壓力的繼續(xù)升高，A3井的井口壓力在第62 s增至最高壓力(關井壓力為10 MPa)，此時增壓泵入口壓力達到最大值9.42 MPa。第62 s起A3井的井口壓力維持10 MPa，隨著雙PIV開度的繼續(xù)減小，水下增壓泵的入口壓力降低；直至第66.6 s雙PIV完全關閉，泵入口壓力降至1.65 MPa(A1、A2和A4井生產(chǎn))，比4口井生產(chǎn)時升高了0.2 MPa。

由圖6(b)中可以看出，整個系統(tǒng)的流量變化趨勢與增壓泵入口壓力的變化趨勢類似，在第0～60 s內(nèi)，水下4口井(A1～A4井)正常生產(chǎn)，整個系統(tǒng)的流量為982.8 m3/h；第60 s開始，A3井的井口壓力迅速上升，泵流量迅速上升；第62 s流量達到瞬時最大值2 440.6 m3/h；隨著雙PIV開度的減小，系統(tǒng)的流量逐漸降低，直至66.6 s雙PIV完全關閉(A3井停產(chǎn))，水下生產(chǎn)系統(tǒng)(A1、A2和A4井生產(chǎn))恢復平穩(wěn)運行，整個系統(tǒng)的流量為741.6 m3/h。

由圖6(c)中可以看出，在0～60 s范圍內(nèi)，水下生產(chǎn)系統(tǒng)平穩(wěn)運行，增壓泵能耗為1 546.6 kW；第60 s起，增壓泵入口壓力迅速升高，泵出口、入口壓差減小，泵能耗迅速降低；第61.1 s時增壓泵入口壓力增至5.91 MPa，泵出口壓力與入口壓力相等，此時增壓泵能耗降低至0 kW；在61.1～65.6 s范圍內(nèi)，增壓泵入口壓力始終高于增壓泵的出口壓力(5.91 MPa)；第65.6 s起，增壓泵的入口壓力降至5.91 MPa以下，增壓泵重新為流體增壓，增壓泵能耗開始升高；在第66.6 s時，雙PIV完全關閉(A3井停產(chǎn))，增壓泵的能耗達到最高值1 842.9 kW后迅速降低；當時間增至67.8 s時，增壓泵能耗降低至1 431.4 kW；此后水下生產(chǎn)系統(tǒng)3口井(A1、A2和A4井)生產(chǎn)，水下增壓泵能耗維持在1 431.4 kW，比4口井正常生產(chǎn)時(第0～60 s)降低了115.2 kW。

綜上，A3井的井口壓力升高后，雙PIV關閉過程中井口的高壓傳遞至下游，導致正常工況下穩(wěn)定運行的增壓泵在短時間內(nèi)進入瞬態(tài)工況[17-19]，第67.8 s后泵重新恢復平穩(wěn)運行。在雙PIV閥的關閉過程中，泵入口的最高壓力為9.42 MPa。由此說明，在井口超壓的關閥過程中，下游管匯和泵的最高壓力遠高于PIV的關斷值(PAHH)，整個生產(chǎn)系統(tǒng)有必要根據(jù)關井壓力采用全壓設計(即設計壓力均為10 MPa)。

3.3 水下增壓泵回流工況

油田面臨短時間停產(chǎn)時，為了減少停泵、起泵操作，可使水下增壓泵進入回流工況。目前對水下增壓泵回流工況的認識，主要依靠已有的操作經(jīng)驗和穩(wěn)態(tài)的模擬結果，缺乏動態(tài)研究分析。為了避免增壓泵回流工況下流體溫度超過管道設計溫度，需要明確回流工況下流體溫度的變化情況。針對該油田水下生產(chǎn)系統(tǒng)分析了不同回流流量下流體溫度的變化情況。

水下增壓泵K-Spice模型如圖7所示。由圖7(a)可以看出，正常輸送工況下增壓泵入口閥、出口閥均為打開狀態(tài)，旁通管道的回流閥關閉；由圖7(b)可以看出，當增壓泵進入回流工況時，增壓泵入口閥、出口閥關閉，回流閥打開。其中，圖7中紅色箭頭代表流體的流動方向，管道的設計溫度為110 ℃。

具體模擬工況為：在第0～9 min，水下生產(chǎn)系統(tǒng)正常運行，增壓泵入口的流量為982.8 m3/h；第9 min時，增壓泵入口閥、出口閥同時關閉，并打開回流閥；第9.2 min增壓泵入口側、出口側閥門完全關閉，回流管道上的閥門全開(開度100%)，流體在封閉的環(huán)路中流動，如圖7(b)所示。整個過程增壓泵的進出口壓差和流體溫度隨時間的變化情況如圖8所示。

由圖8中可以看出，正常生產(chǎn)工況下(第0～9 min)，水下增壓泵出口與入口的壓差為4.28 MPa，此時泵出口處流體溫度為88.2 ℃。當增壓進入回流工況，按照最大流量982.8 m3/h回流時，增壓泵出口與入口的壓差迅速降低至0.35 MPa，流體溫度逐漸升高；在第17.8 min(即回流工況開始后的8.8 min)泵出口處流體溫度升高至110 ℃，達到管道設計溫度；隨著回流時間的進一步增長，流體溫度繼續(xù)上升，在第56.4 min后維持117 ℃，此時增壓泵供能與流體在管道中耗能相等。在整個升溫過程中，隨著流體溫度的升高，管內(nèi)流體溫度與管道周圍環(huán)境溫度差異越顯著，換熱行為加劇，表現(xiàn)出溫升速率隨時間增長而降低的現(xiàn)象。

在最大流量回流工況的基礎上，進一步分析了不同流量下管道中流體溫度隨時間的變化情況，結果如圖9所示。

當回流工況下流體在管道內(nèi)的流量為892.8 m3/h時，流體溫度與正常工況下泵出口流體溫度(88.2 ℃)相等。當管道內(nèi)流量高于892.8 m3/h時，回流工況下流體溫度高于正常輸送時的流體溫度，回流工況將導致流體出現(xiàn)溫升現(xiàn)象。當回流工況下流量為946.8 m3/h時，流體最高溫度為109.5 ℃，略低于管道設計溫度110 ℃。而當管道內(nèi)流量低于892.8 m3/h時，流體摩擦和過泵溫升產(chǎn)生熱量之和小于流體向周圍環(huán)境的散熱量，故回流工況下流體溫度反而低于正常輸送時的流體溫度。根據(jù)混輸管道溫降公式可知[20-21]，當管道內(nèi)流量升高時，摩擦熱的影響更為顯著，因此在較大流量下流體的溫升現(xiàn)象更明顯。

根據(jù)K-Spice軟件的模擬結果，水下生產(chǎn)系統(tǒng)以982.8 m3/h的流量開始回流，持續(xù)8.8 min后將超過管線設計溫度110 ℃；而回流流量低于892.8 m3/h時，流體溫度將低于正常輸送溫度(88.2 ℃)，導致能量浪費。因此該系統(tǒng)在泵回流工況下的流量宜控制在892.8～946.8 m3/h的范圍內(nèi)。

4 結論

以某海上油田的水下生產(chǎn)系統(tǒng)為對象，在國內(nèi)油田首次引入K-Spice動態(tài)模擬技術，據(jù)此系統(tǒng)分析了單井超壓對工藝系統(tǒng)和設施的影響，明確了泵回流工況的控制流量范圍。得到以下結論：

(1)K-Spice軟件具有強大的仿真計算功能，可動態(tài)模擬油田井口超壓和泵回流工況，為油田生產(chǎn)系統(tǒng)設計和應急工況分析提供數(shù)據(jù)基礎。

(2)油田生產(chǎn)系統(tǒng)出現(xiàn)井口超壓時，雙PIV關閉并不能防止高壓傳導到下游管道和設備，且下游管線和設備壓力遠高于雙PIV的關斷設定值，因此生產(chǎn)系統(tǒng)有必要采用全壓設計。

(3)在油田短時停產(chǎn)期間，回流流量過高可能導致流體溫度超過管線設計溫度，給生產(chǎn)系統(tǒng)帶來危害；回流流量過低則會使流體溫度降低，在恢復生產(chǎn)后需要重新加熱，造成能量浪費。根據(jù)動態(tài)模擬確定合適的控制流量區(qū)間有助于油田安全、高效生產(chǎn)。