自动化技术提升深海钻探油气生产效率

发布时间：2015-02-05 作者：www.cechina.cn

　　在越来越偏远地区生产能源的需求，不断推动人们利用和开发更先进的勘探、钻井和生产技术。由于新技术的发展，越来越多的原油和天然气正在源源不断的产出，这些在以前被认为是非常规的技术包括：焦油砂提炼、水力压裂、深海钻探。由于石油、天然气生产的价值在不断提升，而这些提炼方法的成本却在不断下降，因此经济可采矿层的范围也在不断扩大，在深海油气领域这一现象尤其明显。
　　水下钻探开采石油的历史同生产商业石油的历史一样悠久。从最初的利用防洪堤坝进行钻井到现在非常复杂的浮动钻井平台，技术逐年进步。随着新钻探方法的应用，对水和岩石的钻探深度也在屡破新低，从而可以到达更深的矿层。来自美国海洋能源管理局的数据显示，在前所未有的深水区域，将有更多的钻井平台。尽管大多数活跃平台都在相对较浅的水域，但是统计数据显示，最大数量的租赁平台以及经批准待钻探项目所在区域的深度都超过1000米（见表1）。

　　深海钻探最极端的例子之一是位于巴西海岸桑托斯盆地的海底。即使油层位于水面以下2000米，盐、砂子和岩石以下5000米，但是在卢拉区已经开始生产石油了。估计该区域的可采储量为75亿桶。实现成功采油并不容易，因为人们之前一直认为这种深海油气资源是无法开采的。
　　直到上个世纪，这些挑战还被认为是不能克服的；但是经验教训以及自动化技术的发展，已经使得过去认为不可能实现的事情具有可行性：在保证对人和环境的风险较低的情况下，从海底生产出化石能源。在过去几个世纪，技术已经发生巨大变化，但是业内关注的焦点仍然没有变化：安全和可靠性是重中之重。

　　图1 Troll C 平台位于挪威沿海。该区域的水深一般在300到350米。 图片来源：挪威国家石油公司。

　　应对特殊挑战
　　对于深海钻探的资产部署、成功运行以及维护等方面，存在以下几个方面的挑战：
　　■ 海底和海上设施的经济性，尤其是仪表和接线，由于控制和通讯变得前所未有的关键，因此需要精确的工程实施和现场协调工作。
　　■ 由于不断增加的人员和海上平台的重量，以及不同的、相互分离的海底和水面生产系统，运行方面的挑战和风险被放大了。为了降低海上平台的体积和重量，越来越多的设备被转移到海底，但这使得接触这些设备变得异常复杂。
　　■ 安全系数高度依赖于适当的维护原则，包括设备状态、性能、阀门特性、周期测试等。这些任务可能费用比较高，但是发生故障的成本要远远高于这些投入。只要想想BP石油公司的深海地平线的灾难，就明白了。考虑到安装在海底、平台以及陆上设备的复杂性，运行和维护信息的可见性是一个主要的挑战。可以肯定的是，会有多个OEM厂商的系统要协同工作，这可能会造成数据的采集、整合以及可用信息的收集出现问题。
　　■ 在整个运行周期内对海底和海上设备进行维护，同时要保持最优的盈利水平、最低的风险、系统可复用性以及使用寿命到期后按时退役，这些都需要对几十年内大量的海底现场设备数据进行管理。这包括阀门动作、钻井性能和人员活动等等。这个问题同钻井深度突破新的记录一样重要，因为数据管理已经成为实现更深钻井工程需要解决的重要问题重要。
　　■ 对异常工况或者关键安全报警的响应，如果将关闭或海底维修活动包含进去的话，从运行成本和生产损失的角度来讲，成本非常巨大，而对环境也有潜在的巨大影响。正因为如此，海底预测、报告和响应必须要高于传统陆基运行环境下的一般工业要求。说的更明白一些，在海底钻井的一个事件所引起的单次停机、生产损失、维修以及对环境的影响，所有与之相关的费用，可能会超过所有控制和功能安全预防措施工程所花费的费用。这就将大量责任压在海上作业人员的肩膀上，促使其能够确保所有的过程设备和自动化与安全系统能够完美无瑕地运行。
　　降低风险
　　随着转移到海底设备的不断增加，考虑到在海底进行哪怕是最简单的一个维护操作所产生的巨大费用，生产商不得不进一步降低风险。一般的举措包括：
　　■ 在整个项目内，从费用和运行错误的角度降低工程风险；
　　■ 缩短设计、工程、部署和调试整个项目的时间，无论是海底还是海上平台的周转时间；
　　■ 降低与运行有关的人员安全和环境风险；
　　■ 创建易于管理和重复使用的工程设计，这样钻井和其它生产资产就可以重复利用，提高复用性；
　　■ 将相互分离的海底和海上系统集成起来，呈现于统一的操作和工程接口，而且，最重要的是，需要一个统一的数据管理系统；
　　■ 获取和组织从所有设备、系统和在整个生命周期内资产系统的活动所产生的自动化数据，以改善运行效率、系统稳定性、运行安全、降低环境风险和提高股东的盈利。

　　图2 所有自动化资产，尤其是布置在海底的资产，必须使用适当的资产管理平台对其进行管理。 图片来源：横河电机。

　　应用自动化技术
　　在这个高要求的领域内竞争的供应商，所提供的产品和方案，必须涵盖从初始设计、实施和运行的各个阶段，一直到包括钻井平台延长使用期在内的整个项目周期，这包括很多元素：
　　■ 设计、工程实施和调试方案应满足标准化、项目进度缩减和风险管理的需求；
　　■ 用于控制和安全的可靠核心平台；
　　■ 完整的海底和海上集成系统，能够将平台和来自不同供应商的各种设备无缝的集成到一个平台上完成运行、安全、工程和信息获取功能；
　　■ 全面集成海底MCS（主控制站系统）和TPU（海上处理单元），用于控制、工程、资产维护和信息获取功能；
　　■ 通过现场硬件和过程仿真来支持工程阶段的验证、测试和调试。
　　当考虑来自不同供应商的系统时，精确确定所有这些设备如何连接起来是非常困难的，尤其是考虑组态、设备选型以及生产商之间可能的变化组合时更是如此。选择的标准可能依赖于先前关于某个公司的经验或是它们在业内的声誉，但是将各种分散的部件集成为一个运行整体的能力被认为是最关键的元素。
　　集成和全生命周期管理
　　使所有部件像一个单元一样协同工作，是实现高效和安全地日常运行的关键。必须利用核心控制平台所提供的、先进的集成操作员设计，完成海底和海上控制接口的无缝连接。创建统一的HMI对于安全和停机系统非常关键，因为在面对异常工况下，操作人员没有精力对各种情况进行选择和排序。
　　例如，对于各个不同的系统，关闭阀门或关断泵的操作应该是一样的。这就要求在整个过程中对高性能图形显示系统实行统一的标准。基于ISA106的设计，可以作为标准化运行流程和最优实践的基础，以实现可预测和盈利的活动。无论是海上、海底还是陆上系统的报警和异常事件管理，都应基于ISA 18.2 和 EEMUA191导则，可以自动导出和上报KPI。
　　在正常运行和试验期间，应当基于LOAP（保护分析层级）和HAZOP（危险运行）分析以及安全需求来确定ESD（紧急停车系统）的安全功能监视系统。
　　所有自动化资产，尤其是布置在海底的资产，必须使用适当的资产管理平台对其进行管理。这包括诸如阀门、变送器以及控制器和软件等现场设备。随着时间的发展，追踪设备性能和退化情况的能力，对于预测维护需求，降低远程和不可达设备的费用来讲，绝对是十分关键的。
　　在工业应用领域，讨论严酷应用环境的情况比较常见，但是一个普通冶炼厂的环境，很少能够与海底的环境相提并论。海底钻探需要具有复原能力的仪表和其它能够耐受持续压力的设备，这就意味着传统的过程仪表根本就不适用。类似的，比如海底光纤线缆，以及卫星通讯系统和具有高度可靠性的通讯协议，都需要面对与海底集成和生产相关的巨大环境障碍。

　　图3 与平台上单个仪表和控制器的无缝通讯，对于系统的安全运行至关重要。

　　关键结构元素
　　用于海上应用的控制系统和传统基于陆地的控制系统有很多相似的地方，但是，需要一些其它设备来支持更复杂的安装环境。
　　海底MCS系统直接与平台的TPU接口。考虑到平台系统的复杂性，可能牵涉到不止一套控制系统，以及多个供应商和通讯协议。MCS必须能够直接与这些系统通讯，这样才可以快速而高效的，它需要具备：
　　■ 执行阀门指令和联锁、自动关断、阻风门控制等；
　　■ 接收和监视海底仪表的过程和诊断数据；
　　■ 监控制海底控制模块；
　　■ 为控制、报警处理和趋势提供HMI功能。
　　硬件和软件应用程序的设计风格，应最大程度的满足标准化和复用性要求。配置了经过测试、验证控制层的、可用于现场的标准I/O和控制单元应该可以作为安装模块，用于需要高可靠性和高扩展性的生产活动。
　　智能化I/O也可以提供标准化的设计，可以减少由于项目延迟以及由于在项目后期所产生的变更以及新增功能所造成的费用方面的风险。使用某些智能或可组态I/O的能力可以减少或消除由于接线柜或控制器负荷等因素所造成的返工。
　　考虑到不可避免的要集成多个供应商的系统以及第三方系统，因此MCS不仅需要基本的集成功能，也需要复杂的集成能力：
　　■ 在海上和海底系统中，保持HMI及报警的一致性；
　　■ 远程系统的接入；
　　■ 相较于单个油井的工程实施，模块化的方法还可以通过拖曳的方式，对其它油井进行配置（海底单元、海上单元、控制和安全、I/O定义、第三方子系统功能，等等）；
　　■ 通用应用编程和测试；
　　■ 一次完成设计修改和功能添加，适用于所有其它的工程；
　　■ 对设备和控制应用进行高保真的过程仿真验证。
　　当所有这些元素集成到一起，并且正常工作的时候，由于设计、实施和测试阶段工作的减少，就会收获费用和时间成本的节约。一旦系统搭建、调试完成，检修工作就好办得多了——仅仅需要一些简单的变更管理。当开采新的油井的时候，只需要将系统复制，就可以实现可靠地运行。
　　深海自动化的前景
　　自动化技术并不是一成不变的。随着技术的进步，引入新的功能，也就带来了进一步扩展的机会：
　　■ 自动工程，自动文档系统；
　　■ 在生产、控制室、和业务层面更广泛的信息标准和协议；
　　■ 物联网 （IoT）将为生产和自动化提供新的功能，使得现场设备更容易与海底和海上系统通讯，以及实现彼此之间的通讯；
　　■ 将更多的精力集中在所部署系统的稳定性和可复用性上。
　　不管这些进步带来哪些变化，有些元素依然会保持不变：可靠性和安全性作为关键的设计和运行因素将不会改变。