基于K-Spice的海上油田井口超压和泵回流研究

马晨波，郝蕴，静玉晓，杨葳，刘云，崔月红

(1.中海油研究总院有限责任公司，北京 100028； 2.中国石油天然气股份有限公司北京油气调控中心，北京 100010)

目前油气田工艺设计的智能化成果主要体现在稳态工况，稳态工况模拟能够在最短的时间内为设计人员提供必需的工艺参数。根据稳态模拟的结果，设计人员可对生产系统的运行进行简单预测，并对系统面临的多种复杂工况产生初步认识。但是基于稳态工况获取的信息多停留在定性层面，获得的信息通常存在片面化、经验化的问题，致使分析结果通常偏保守或较为理想。在实际生产运行中，工艺参数的波动、应急工况引发的影响不能仅依靠变化的最终结果去简化分析，而需要得知系统变化的整个过程[1-2]。因此，有必要在油气田工艺设计中进一步深化动态模拟技术。通过系统分析不同工况下工艺参数变化的过程及其对工艺设备的影响，提出行之有效的应对方案。

相对于陆上生产系统，海上油田的水下生产系统具有不易受外界条件影响、对水深要求不高和适用范围广等特点[3]。含水下生产系统的海上油气田的典型流程为：油气藏产流体经由各水下井口和采油树，到达管汇处汇集后通过水下增压泵增压送至下游海管或平台[3]。在实际生产过程中，水下井口压力迅速升高或短时间停产会对下游工艺设施和操作方案产生影响。出于安全考虑，水下生产系统的主工艺管线和设备的最大承压通常按照关井压力设计，同时井口下游设有双隔离阀(production isolation valve，PIV)进行超压关断保护；当油田面临短时间停产工况时，为了减少停泵、起泵的频繁操作，可使水下增压泵进入回流工况。为了确保油田安全、高效地运行，对生产过程中可能遇到的应急工况进行动态模拟分析十分重要。

随着油气工艺技术的不断提升，已有部分研究涉猎动态分析，如油气管道瞬态工况分析[4-6]、段塞流分析[7]、压缩机特性分析[8-9]、 安全阀尺寸分析[10]、 安全阀泄放[11-13]等。与SPS、HYSYS等软件相比，K-Spice作为近年兴起的一款动态仿真模拟软件，具有计算精度高、功能更全面(能够预测控制、在线监控)等优势，在国外油气田、LNG液化厂等已具备一定的应用规模[14-16]。然而，该软件在国内的应用仍处于起步阶段，目前尚无工程设计或生产项目的应用实例。鉴于此，笔者以某海上油田为对象，使用K-Spice动态模拟软件，借助软件自身MCL语言编写控制逻辑，系统分析了该油田水下单井超压和油田短时间停产增压泵回流2种工况对生产系统和工艺设施的影响，以期对油田的后续运行维护和油气田的智能化发展提供技术支持。

1 基础数据

标准状态下(101.325 kPa、15.56 ℃)，油田的原油组分如表1所示。油田产原油的析蜡点为62 ℃，凝点为43 ℃，60 ℃原油的黏度为42.03 mPa·s。油田各井(共4口单井，A1～A4井)的生产数据如表2所示，水下单井连接至管汇的跨接软管尺寸如表3所示。油田水下生产系统的环境温度为15 ℃。

表1 油田原油组分

注：C10+组分分子质量为248，相对密度为850.4 kg/m3。

表2 油田单井生产数据

表3 油田水下生产系统跨接软管尺寸

2 建立动态模型

2.1 水下生产系统工艺流程简介

油田水下生产系统的工艺流程如图1所示。油田具有4个水下井口(A1～A4井)，每个井口下游设有油嘴、双PIV(PIV 1和PIV 2)和压力传感器，分别用于调节井口压力、超压隔离保护和监测流体压力。在正常生产运行中，A1～A4井的双PIV全开，各井的井流物通过跨接软管输送至管汇后，统一经过水下增压泵提升压力后进入单管(图1中管段①)，随后送至海底管道入口；水下生产系统管段②一侧阀门处于常关状态，仅在水下生产系统需要置换时打开。该水下生产系统采用全压设计(即设计压力均为10 MPa)。

2.2 K-Spice动态模型的建立

K-Spice作为一款新的动态模拟软件，具有强大的计算功能，可以对设计和生产中的多种工况进行模拟，如设备性能分析、压力泄放模拟和清管过程模拟等。K-Spice软件主要包含模型控制(Model Control)和模型建立(Model Building)2种模式。模型控制模式主要用于监测整个模拟过程中各设备或节点的参数，通过faceplate面板可监控到各参数的数值及其变化历史(Trends)。K-Spice中Tools菜单中的MCL Manager为用户提供编写控制逻辑的功能，通过编写MCL语言可以实现阀门开度调节、系统进出口压力改变和设备液位监测报警等功能。K-Spice建模是开展动态模拟计算的基础，整个建模过程可分为物流文件生成、动态模型建立和动态模型调试3部分，如图2所示。

2.2.1 物流文件生成

在开始搭建K-Spice模型之前，需要准备生产系统的物流文件。不同于大多数模拟软件，K-Spice软件不能直接在建模项目中输入流体信息，需要通过软件自带的Multiflash组件闪蒸计算后，再在K-Spice软件中导入流体信息。首先，在Multiflash中输入流体的物性，所用流体组分如表1所示。然后，选择闪蒸计算的模型和条件，采用PRA模型，在标准状况(15.56 ℃、101.325 kPa)下进行PT Flash，生成.mfl文件。随后打开K-Spice软件将Multiflash的闪蒸计算结果(.mfl文件)导入物性表(Table builder)中，输入整个生产系统的温度范围(Interpolate temperatures)和压力范围(Interpolate pressures)，计算生成物流文件(.ttb)。最后，物流文件通过K-Spice热力学模块(Thermodynamics)导入。

2.2.2 动态模型的建立

在完成物流文件准备的基础上，新建1个项目(Project)，在Navigator菜单栏下Timelines文件序列中选择Engineering激活Project。在模型建立模式(Model Building)下，新建视图(New Graphic)后，根据具体工艺流程开始建模。与HYSYS、SPS等软件类似，K-Spice中也有大量的模块化组件，在Symbols菜单栏中选择所需的物流、设备和管线等，放置在新建视图中依次连接即可。需要注意的是，K-Spice中组件连接顺序遵循实际物流走向，即需要根据实际物流的走向自上游向下游依次连接各设备和管线。由于K-Spice软件采用压力、流量交替计算的方法，因此在模型建立中需要将压力元件(pipeflow、pump)与流量元件(feed、pipevolume)依次交替放置。以水下生产系统为例(如图3所示)，首先建立4个井口物流(WELL_A1H 至WELL_ A4H)，在井口下游放置管线元件(pipeflow)作为跨接软管，然后在此管线下游放置pipevolume，随后再放置管线元件(pipeflow)作为管汇，以此类推按照物流走向连接设备和管线。其中，增压泵作为压力元件，其入口、出口处均需连接流量元件pipevolume后，再连接管线元件(pipeflow)。最后，参照生产系统的P&ID图(Piping & Instrument Diagram)在相应的管线上放置阀门和仪表。

2.2.3 动态模型调试

K-Spice建模完成后，在开展工况模拟前需要调试模型。首先，输入生产系统的入口边界条件，在井口物流(WELL_A1H 至WELL_ A4H)的faceplate面板中输入井口的压力和温度(如表2所示)。然后，在各个对应管线的Configuration菜单下输入基本参数(如表3和图3所示)，在泵的Configuration菜单下输入特性参数(扬程、流量和效率)。所用增压泵为多相泵，其特性曲线如图4所示。随后，在生产系统末端(海管入口)pipeflow元件的faceplate中输入压力初值，点击初始化(Initialize timeline)准备调试。最后，开始运行模型，通过调节生产系统末端(海管入口)pipeflow元件的压力，使得整个系统的流量与Multiflash中闪蒸所得物流流量一致，并将模型运行至稳态，整个动态模型调试结束。

3 模拟结果分析

3.1 稳态运行工况

根据油田正常生产(流量为982.8 m3/h)的运行参数(如表4所示)完成K-Spice模型的调试和稳态模拟，所用的模型如图3所示。

表4 油田正常运行参数

正常运行中A2井和A3井油嘴后的压力均为1.70 MPa，A1和A4井的最后压力分别为1.69 MPa和1.67 MPa。4口井的物流经跨接管和水下管汇到达增压泵入口，压力和温度分别为1.63 MPa和87.7 ℃。经水下增压泵提升压力后，流体压力增至5.91 MPa，且流体过泵后比入口处温度升高0.5 ℃。

3.2 水下单井超压工况

在正常生产中，水下井口双PIV(PIV1和PIV2)处于全开状态(如图1所示)。当水下井口升高时，压力传感器监测到压力值超过关断值PAHH，跨接软管上的双PIV开始关闭。与油嘴不同，PIV阀仅在超压时使用，阀门开度通常为0或100%，不具备节流调节功能。在双PIV关闭过程中，迅速升高的井口压力可能传递至下游管汇和增压泵，对工艺设施造成危害。以该油田A3井为对象，系统分析了该井的井口压力由正常生产压力骤增至关井压力的过程对下游管汇和增压泵带来的影响。具体工况为：

在第0～60 s内，水下生产系统正常运行，A3井油嘴后的压力为1.70 MPa，整个系统的流量为982.8 m3/h；第60 s井口压力开始升高，同时A3井的油嘴失效(不具备节流功能)；在第62 s时，A3井的井口压力增至关井压力10 MPa。A3井的压力传感器(距离井口5 m处)监测了整个过程的井口压力，当其测量值高于4.15 MPa(PAHH)时，井口下游PIV1(距离井口10 m)和PIV2(距离井口36 m)同时开始关闭，6 s后双PIV完全关闭。在整个过程中，水下增压泵出口压力始终维持5.91 MPa。A3井的井口压力和双PIV的开度随时间的变化情况如图5所示。

由图5可知，在开始的60 s内生产系统正常运行，A3井的井口压力为1.70 MPa；第60 s起A3井的井口压力开始迅速升高；在第60～60.6 s之间，A3井的井口压力低于4.15 MPa(PAHH)，双PIV保持全开(开度100%)，水下系统正常运行；第60.6 s井口压力达到4.15 MPa，双PIV开始关闭。A3井的井口压力继续升高，直至第62 s达到关井压力10 MPa，此时双PIV的开度为75.6%。随着时间的增长，双PIV的开度进一步减小，在第66.6 s双PIV完全关闭(开度为0)，A3井的流量为0 m3/h。

由此可见，A3井的井口压力经过2 s由正常运行压力1.70 MPa增至关井压力10 MPa。在双PIV关闭的过程中(第60.3～66.6 s)，高压将传导至下游管汇和增压泵，对增压泵产生影响。水下增压泵运行参数的模拟结果如图6所示。

由图6(a)可知，在第0～60 s内，水下增压泵的入口压力为1.63 MPa；第60 s井口压力开始升高，水下增压泵入口压力同时上升；第60.6 s时A3井的井口压力达到4.15 MPa(PAHH)，跨接软管上的双PIV开始关闭。随着井口压力的继续升高，A3井的井口压力在第62 s增至最高压力(关井压力为10 MPa)，此时增压泵入口压力达到最大值9.42 MPa。第62 s起A3井的井口压力维持10 MPa，随着双PIV开度的继续减小，水下增压泵的入口压力降低；直至第66.6 s双PIV完全关闭，泵入口压力降至1.65 MPa(A1、A2和A4井生产)，比4口井生产时升高了0.2 MPa。

由图6(b)中可以看出，整个系统的流量变化趋势与增压泵入口压力的变化趋势类似，在第0～60 s内，水下4口井(A1～A4井)正常生产，整个系统的流量为982.8 m3/h；第60 s开始，A3井的井口压力迅速上升，泵流量迅速上升；第62 s流量达到瞬时最大值2 440.6 m3/h；随着双PIV开度的减小，系统的流量逐渐降低，直至66.6 s双PIV完全关闭(A3井停产)，水下生产系统(A1、A2和A4井生产)恢复平稳运行，整个系统的流量为741.6 m3/h。

由图6(c)中可以看出，在0～60 s范围内，水下生产系统平稳运行，增压泵能耗为1 546.6 kW；第60 s起，增压泵入口压力迅速升高，泵出口、入口压差减小，泵能耗迅速降低；第61.1 s时增压泵入口压力增至5.91 MPa，泵出口压力与入口压力相等，此时增压泵能耗降低至0 kW；在61.1～65.6 s范围内，增压泵入口压力始终高于增压泵的出口压力(5.91 MPa)；第65.6 s起，增压泵的入口压力降至5.91 MPa以下，增压泵重新为流体增压，增压泵能耗开始升高；在第66.6 s时，双PIV完全关闭(A3井停产)，增压泵的能耗达到最高值1 842.9 kW后迅速降低；当时间增至67.8 s时，增压泵能耗降低至1 431.4 kW；此后水下生产系统3口井(A1、A2和A4井)生产，水下增压泵能耗维持在1 431.4 kW，比4口井正常生产时(第0～60 s)降低了115.2 kW。

综上，A3井的井口压力升高后，双PIV关闭过程中井口的高压传递至下游，导致正常工况下稳定运行的增压泵在短时间内进入瞬态工况[17-19]，第67.8 s后泵重新恢复平稳运行。在双PIV阀的关闭过程中，泵入口的最高压力为9.42 MPa。由此说明，在井口超压的关阀过程中，下游管汇和泵的最高压力远高于PIV的关断值(PAHH)，整个生产系统有必要根据关井压力采用全压设计(即设计压力均为10 MPa)。

3.3 水下增压泵回流工况

油田面临短时间停产时，为了减少停泵、起泵操作，可使水下增压泵进入回流工况。目前对水下增压泵回流工况的认识，主要依靠已有的操作经验和稳态的模拟结果，缺乏动态研究分析。为了避免增压泵回流工况下流体温度超过管道设计温度，需要明确回流工况下流体温度的变化情况。针对该油田水下生产系统分析了不同回流流量下流体温度的变化情况。

水下增压泵K-Spice模型如图7所示。由图7(a)可以看出，正常输送工况下增压泵入口阀、出口阀均为打开状态，旁通管道的回流阀关闭；由图7(b)可以看出，当增压泵进入回流工况时，增压泵入口阀、出口阀关闭，回流阀打开。其中，图7中红色箭头代表流体的流动方向，管道的设计温度为110 ℃。

具体模拟工况为：在第0～9 min，水下生产系统正常运行，增压泵入口的流量为982.8 m3/h；第9 min时，增压泵入口阀、出口阀同时关闭，并打开回流阀；第9.2 min增压泵入口侧、出口侧阀门完全关闭，回流管道上的阀门全开(开度100%)，流体在封闭的环路中流动，如图7(b)所示。整个过程增压泵的进出口压差和流体温度随时间的变化情况如图8所示。

由图8中可以看出，正常生产工况下(第0～9 min)，水下增压泵出口与入口的压差为4.28 MPa，此时泵出口处流体温度为88.2 ℃。当增压进入回流工况，按照最大流量982.8 m3/h回流时，增压泵出口与入口的压差迅速降低至0.35 MPa，流体温度逐渐升高；在第17.8 min(即回流工况开始后的8.8 min)泵出口处流体温度升高至110 ℃，达到管道设计温度；随着回流时间的进一步增长，流体温度继续上升，在第56.4 min后维持117 ℃，此时增压泵供能与流体在管道中耗能相等。在整个升温过程中，随着流体温度的升高，管内流体温度与管道周围环境温度差异越显著，换热行为加剧，表现出温升速率随时间增长而降低的现象。

在最大流量回流工况的基础上，进一步分析了不同流量下管道中流体温度随时间的变化情况，结果如图9所示。

当回流工况下流体在管道内的流量为892.8 m3/h时，流体温度与正常工况下泵出口流体温度(88.2 ℃)相等。当管道内流量高于892.8 m3/h时，回流工况下流体温度高于正常输送时的流体温度，回流工况将导致流体出现温升现象。当回流工况下流量为946.8 m3/h时，流体最高温度为109.5 ℃，略低于管道设计温度110 ℃。而当管道内流量低于892.8 m3/h时，流体摩擦和过泵温升产生热量之和小于流体向周围环境的散热量，故回流工况下流体温度反而低于正常输送时的流体温度。根据混输管道温降公式可知[20-21]，当管道内流量升高时，摩擦热的影响更为显著，因此在较大流量下流体的温升现象更明显。

根据K-Spice软件的模拟结果，水下生产系统以982.8 m3/h的流量开始回流，持续8.8 min后将超过管线设计温度110 ℃；而回流流量低于892.8 m3/h时，流体温度将低于正常输送温度(88.2 ℃)，导致能量浪费。因此该系统在泵回流工况下的流量宜控制在892.8～946.8 m3/h的范围内。

4 结论

以某海上油田的水下生产系统为对象，在国内油田首次引入K-Spice动态模拟技术，据此系统分析了单井超压对工艺系统和设施的影响，明确了泵回流工况的控制流量范围。得到以下结论：

(1)K-Spice软件具有强大的仿真计算功能，可动态模拟油田井口超压和泵回流工况，为油田生产系统设计和应急工况分析提供数据基础。

(2)油田生产系统出现井口超压时，双PIV关闭并不能防止高压传导到下游管道和设备，且下游管线和设备压力远高于双PIV的关断设定值，因此生产系统有必要采用全压设计。

(3)在油田短时停产期间，回流流量过高可能导致流体温度超过管线设计温度，给生产系统带来危害；回流流量过低则会使流体温度降低，在恢复生产后需要重新加热，造成能量浪费。根据动态模拟确定合适的控制流量区间有助于油田安全、高效生产。