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在穩態工況，穩態工況模擬能夠在最短的時間內為設計人員提供必需的工藝參數。根據穩態模擬的結果，設計人員可對生產系統的運行進行簡單預測，并對系統面臨的多種復雜工況產生初步認識。但是基于穩態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。在實際生產運行中，工藝參數的波動、應急工況引發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模擬技術。通過系統分析不同工況下工藝參數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。

相對于陸上生產系統，海上油田的水下生產系統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]。含水下生產系統的海上油氣田的典型流程為：油氣藏產流體經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]。在實際生產過程中，水下井口壓力迅速升高或短時間停產會對下游工藝設施和操作方案產生影響。出于安全考慮，水下生產系統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，對生產過程中可能遇到的應急工況進行動態模擬分析十分重要。

隨著油氣工藝技術的不斷提升，已有部分研究涉獵動態分析，如油氣管道瞬態工況分析[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、在線監控)等優勢，在國外油氣田、LNG液化廠等已具備一定的應用規模[14-16]。然而，該軟件在國內的應用仍處于起步階段，目前尚無工程設計或生產項目的應用實例。鑒于此，筆者以某海上油田為對象，使用K-Spice動態模擬軟件，借助軟件自身MCL語言編寫控制邏輯，系統分析了該油田水下單井超壓和油田短時間停產增壓泵回流2種工況對生產系統和工藝設施的影響，以期對油田的后續運行維護和油氣田的智能化發展提供技術支持。

1 基礎數據

標準狀態下(101.325 kPa、15.56 ℃)，油田的原油組分如表1所示。油田產原油的析蠟點為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)的生產數據如表2所示，水下單井連接至管匯的跨接軟管尺寸如表3所示。油田水下生產系統的環境溫度為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 油田單井生產數據

表3 油田水下生產系統跨接軟管尺寸

2 建立動態模型

2.1 水下生產系統工藝流程簡介

油田水下生產系統的工藝流程如圖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，分別用于調節井口壓力、超壓隔離保護和監測流體壓力。在正常生產運行中，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，統一經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；水下生產系統管段②一側閥門處于常關狀態，僅在水下生產系統需要置換時打開。該水下生產系統采用全壓設計(即設計壓力均為10 MPa)。

2.2 K-Spice動態模型的建立

K-Spice作為一款新的動態模擬軟件，具有強大的計算功能，可以對設計和生產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測整個模擬過程中各設備或節點的參數，通過faceplate面板可監控到各參數的數值及其變化歷史(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語言可以實現閥門開度調節、系統進出口壓力改變和設備液位監測報警等功能。K-Spice建模是開展動態模擬計算的基礎，整個建模過程可分為物流文件生成、動態模型建立和動態模型調試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，需要準備生產系統的物流文件。不同于大多數模擬軟件，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，輸入整個生產系統的溫度范圍(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。以水下生產系統為例(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，參照生產系統的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，輸入生產系統的入口邊界條件，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(如表3和圖3所示)，在泵的Configuration菜單下輸入特性參數(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，在生產系統末端(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，通過調節生產系統末端(海管入口)pipeflow元件的壓力，使得整個系統的流量與Multiflash中閃蒸所得物流流量一致，并將模型運行至穩態，整個動態模型調試結束。

3 模擬結果分析

3.1 穩態運行工況

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

表4 油田正常運行參數

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

在正常生產中，水下井口雙PIV(PIV1和PIV2)處于全開狀態(如圖1所示)。當水下井口升高時，壓力傳感器監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%，不具備節流調節功能。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，系統分析了該井的井口壓力由正常生產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，水下生產系統正常運行，A3井油嘴后的壓力為1.70 MPa，整個系統的流量為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內生產系統正常運行，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，對增壓泵產生影響。水下增壓泵運行參數的模擬結果如圖6所示。

由圖6(a)可知，在第0～60 s內，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)，比4口井生產時升高了0.2 MPa。

由圖6(b)中可以看出，整個系統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，水下4口井(A1～A4井)正常生產，整個系統的流量為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，系統的流量逐漸降低，直至66.6 s雙PIV完全關閉(A3井停產)，水下生產系統(A1、A2和A4井生產)恢復平穩運行，整個系統的流量為741.6 m3/h。

由圖6(c)中可以看出，在0～60 s范圍內，水下生產系統平穩運行，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，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)，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；此后水下生產系統3口井(A1、A2和A4井)生產，水下增壓泵能耗維持在1 431.4 kW，比4口井正常生產時(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，導致正常工況下穩定運行的增壓泵在短時間內進入瞬態工況[17-19]，第67.8 s后泵重新恢復平穩運行。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)，整個生產系統有必要根據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驗和穩態的模擬結果，缺乏動態研究分析。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系統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，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，水下生產系統正常運行，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，管內流體溫度與管道周圍環境溫度差異越顯著，換熱行為加劇，表現出溫升速率隨時間增長而降低的現象。

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溫升現象。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 ℃。而當管道內流量低于892.8 m3/h時，流體摩擦和過泵溫升產生熱量之和小于流體向周圍環境的散熱量，故回流工況下流體溫度反而低于正常輸送時的流體溫度。根據混輸管道溫降公式可知[20-21]，當管道內流量升高時，摩擦熱的影響更為顯著，因此在較大流量下流體的溫升現象更明顯。

根據K-Spice軟件的模擬結果，水下生產系統以982.8 m3/h的流量開始回流，持續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。因此該系統在泵回流工況下的流量宜控制在892.8～946.8 m3/h的范圍內。

4 結論

以某海上油田的水下生產系統為對象，在國內油田首次引入K-Spice動態模擬技術，據此系統分析了單井超壓對工藝系統和設施的影響，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，可動態模擬油田井口超壓和泵回流工況，為油田生產系統設計和應急工況分析提供數據基礎。

(2)油田生產系統出現井口超壓時，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，因此生產系統有必要采用全壓設計。

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