如何更加智能和安全地使老油田焕发青春

发布时间：2013-02-24 作者：Katrine Hilmen, Espen Storkaas

        上游石油和天然气生产（石油勘探、开采、工程建设和运输等）正面临着挑战。一篇最近的报道称，在近十年间，全球的石油和天然气产量提升了12%，但是与生产和开采相关的成本却是以前的四倍。由于老油田的产量下降，而作业成本上升，所以老油田的生产已经触及到了临界点。新油田通常总是位于很遥远的极端环境，例如北极区域或者深海之下。基于如下原因，业界急需扭转现状：
        ■ 经济：作业成本降低，油层采收率提高，产量能增加；
        ■  地理：在极端环境和偏远位置的作业成本；
        ■ 安全和环境：暴露于危险环境、过程完整性以及排放控制。
        通过不断提升技术能力，先进的技术也正在改变着现状。
        挑战不断，加上技术的进步，石油和天然气开采的新方法呼之欲出。例子包括卫星油田和海底输油管道、智能油井、轻型修井船以及对于远程监控、集成资产管理系统的作业模型和采用世界级的维护准则等方面的更多关注。

        集成操作（Integrated operations）是这些挑战的共性要求，通过在智能油田、数字油田和智能能源等多领域的努力，这个概念已经获得了长足的发展。集成操作概念可以从早期的油田开采介入，贯彻始终。
        集成操作的组成部分
        集成操作程序通常包含从井口到出油全过程中用于优化生产、设施运作以及维护的技术和服务的总和。主要组成部分包括：
        ■  ICT（信息和通讯技术）基础设施和安保措施；
        ■ 数据采集和存取，包括软件应用程序对于远程操作的支持；
        ■  生产和作业的智能化和优化；
        ■  状态监控、诊断和报告。
        用于石油、天然气和石化工业的解决方案十分复杂，覆盖如下领域：
        ■  生产和过程的优化和控制；
        ■  安全完整性和报警管理；
        ■  用于实现远程控制及作业的集成系统；
        ■  IT安全性和通讯网络架构；
        ■  状态监控系统和服务；
        ■  排放监控和能效改进；
        ■  多相流动确认和优化；
        ■  海底智能；
        ■  协同作业环境下的数据采集和存储；
        ■  过程控制性能的全生命周期服务；
        ■  无线传感器系统。

采用合理的资产基础设施和设备设计确保支持远程作业和I/O。需要指出，仪表、自动化、信息和通讯技术与作业和维护管理系统的整合是关键。

        集成操作的优势
        当大型策略程序中采用了这些策略组件，如果它能带来重大经济性影响，那么必定能够带来最大的益处。额外的固定资产成本会在作业过程中以多种形式得到回报，包括：
        ■  产量提高，通常是3%-5%；
        ■  通过降低风险和改善作业环境提升作业安全性；
        ■  降低生产损耗或者增加石油采收率，幅度通常为20%到40%；
        ■  作业和维护成本降低15%-30%；
        ■  对后勤和运输的帮助；
        ■  减少排放、更高能效、更好的环境监视以及海上作业监控。
        ICT和系统拓扑结构
        海上项目中用来实现集成操作概念的主要组件需符合ISA95 Level 5等级标准：
        ■  高效的历史数据和数据集成架构，采用连通和接口解决方案实现和所有相关数据的收集和分发；
        ■  高效且安全的IT和通讯网络架构，实现远程存取、监控和协同作业；
        ■  全面的资产管理系统对所有关键系统和加工单元进行维护和性能测量；
        ■  日常作业和应用优化；
        ■  通用用户界面；
        ■  协同工作室和工作站。
        除了这些技术组件、相关的工作流程、作业方法以及由能够接纳集成操作概念的思维模式和文化所构成的组织机构都是实现集成操作不可或缺的组成部分。跨学科决策过程以及组织内部不同部门间的合作，甚至自营公司、供应商和服务提供商之间的合作都是必要的组成部分。
        让我们在一个典型应用中了解生产优化、资产管理和安全工作上的改进是如何实现的。
        生产优化
        海底开采在深水开采领域以及将小油田与现有设施连接方面变得更加重要。作为一个例子，集成操作概念能够帮助解决海底油田生产优化所面临的挑战，因为海底油田开采的油层采收率通常比海上采油平台的油层采收率要低10%-15%。
        集成操作策略的一个必备组件是流动安全保障和优化系统（FAOS）。程序组件包括：
        ■  流动控制和稳定：对油井和输油管路采取主动控制和调稳，确保生产的连续和不间断进行。
        ■  生产监控：油井和输油管路监控能够防止由水合物导致的管路堵塞。
        在集成操作系统中，FAOS的作用更多，它能确保系统内各个组件协调工作。监控系统的虚拟测量功能可以作为备用控制参数使用。而且，这种集成能够确保统一的用户界面，可以对关键信息进行快速浏览，专家还可以进行详细分析。内嵌于集成操作架构内的FAOS和所有信息可以通过客户的企业网络进行存取。

 IT组网拓扑结构需要遵循ISA95中所列的集成层级来实施。

        一套有效的整合平台必须具备一套完整的安全策略，对机密性、可用性和本地资产信息和自动化系统网络的完整性实施保护。技术方案和开发的程序性解决方案必须严格遵守企业标准、国家标准和国际标准。大型系统供应商应该能够提供安全性解决方案，针对工厂自动化系统的风险识别建立基本措施体系。
        资产管理和生命周期服务
        预测性维护是实现高效维护的关键。这种方法的原理是依据对于设备磨损和损耗程度的可靠预测来实施维护作业管理。预测性维护能够确保设备的可靠性和完整性。对于运输成本高昂的离岸安装项目和偏远地区项目这种方法颇为有效。由于能够减少非预期停机时间，预测性维护对成本降低也有所帮助，令生产作业与预期计划的符合性更高，所制定的维护计划也更有针对性。这种基于现场状况的预测性维护的关键是实时监控和报告技术。
        有效的集成操作系统能够为来自于多个独立系统的集成维护数据提供统一的架构，所有主要的电气、仪表和控制部件以及电气系统组件都能具有智能监控和诊断功能。这些监控功能能够提供出重要的设备状态、任务计划信息以及性能改进的提示。第三方系统也能够集成。
        资产管理系统应该允许对这些功能模块，支持监看和诊断功能、统筹计划以及企业级ERP连通性操作。主要的优势就是此系统能够在统一的用户界面显示所有的相关维护数据，决策过程可以很便利地使用交叉监控功能进行比对。
        安全性
        集成操作系统如果没有成套的生命周期解决方案以及在安全和报警管理方面提供的服务支撑，那么就算不上完备。应该包括培训和性能基准定义，改进项目和服务、报表程序、系统维护以及安装集成安全和控制系统。
        集成安全系统通常在系统紧急关断、火灾、气体泄漏和其他关键程序动作时起作用，例如防浪涌、高完整性管线保护系统（HIPPS）和锅炉燃烧器管理系统（BMS）。利用控制系统基础设施，所有的集成安全系统数据都能够发送给资产管理系统和操作员平台，实现更优的决策制定和问题根源分析。
        重要的“软指标”
        从多个集成操作项目中积累的经验显示，组织机构的变更和个人的思维模式，特别是他们对新知识和技能的接纳能力，对于企业能否获得成功起着关键作用。实际上，这些内容所起的作用超过80%。
        集成操作理念的一个早期的实践者发现北海油田采用此方法后成本显著降低了。主要的贡献就是“软集成操作”。虽然这种组织机构的变动带来了阵痛，但是当操作人员和相关员工意识到设备的寿命得以延长时，这种阵痛便也不值一提了。在整个的变更项目中，ABB是参与者之一，除了安装相关技术支持远程作业之外，它还负责前期调研以及变更的具体实施工作。自从那时，这个重要的客户就建立了标准的工作流程、原则和责任划分，并且依据这次前瞻性尝试的经验引入了全新的海上油气开采作业模型。
        近期，一个来自ABB 公司Integrated Operations部门的过程和生产优化专业团队在壳牌Ormen Lange天然气田的项目中，在过程控制性能服务、仿真和调整、调试和启动支持等方面给出了令人满意的答卷。生产时间得以延长，产量波动更小，能效更高，排放更低。每年的开机时间增加了4到5天，这一点从带来的经济上的效益只要作如下的简单计算就可以一目了然，在正常生产时期，Ormen Lange每年的天然气产量是两百亿立方米，几乎相当于挪威的整个能源用量。
        有效的集成操作系统应该能够提升产量，创建更加安全的作业环境，减少能源用度，通过合理使用相关信息达到降低作业成本的目的，例如实时过程数据和资产状态监控数据。集成操作系统能够为老油田开采提供巨大的机会，在经济方面它已经证明了自己的作用，随着工业的发展，在石油和天然气开采领域集成操作系统将会继续大放异彩。