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基于Ditigal Twin数字双胞胎技术的油气生产管理系统解决方案

2017/12/13    来源:互联网        
关键字:Ditigal Twin  

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    引言

    数字油田的概念在本世纪初就进入了油气生产商的视线,但直到现在,这一仍然只停留在设想阶段,没有实际进展,建立数字油田更是显得遥遥无期。数字油田能够最大化油藏采收率、提高油田的效益,这在低油价时期显得更加诱人。随着油气行业在软件、IT和工程等领域不断取得突破,数字油田已经不再遥不可及,只是目前还没有进行大规模的实际尝试和应用。

    数字化油气田是油气生产发展的趋势。目前油气生产信息化主要关注数据采集,综合分析以及可视化,而忽略了生产工艺与生产管理本身,缺乏油气生产整个工艺流程的模拟预测。例如井口数据采集只是获得井口压力温度流量数据,并没有给出气井是否即将积液或油井是否存在举升问题;例如采集管道末端数据也只是获得该处压力温度流量数据,并没有判断该管道是否发生段塞积液,水合物,结蜡,腐蚀,泄漏等流动保障问题。这些信息不是能够直接采集的数据,是需要模拟计算才能获得的。基于数字双胞胎技术的实时在线生产管理PMS系统,通过动态模拟技术手段,关注于油气生产工艺链的流程模拟,从采集数据中通过模拟计算获得无法直接采集的生产运行信息,从而可以实时监控诊断油气生产运行状态,能够预测工况和规划操作。同时基于采集数据和模拟结果进行综合分析,智能应用以及可视化展示。运用动态仿真技术建立实时在线PMS系统,实现油气生产从地层到井筒到地面工艺一体化运行管理,扩大生产视窗边界,科学指导提产增产,防范并预警油气生产运行过程中面临的安全风险。

    Digital Twin数字双胞胎技术

    数字双胞胎(Digital Twin)是指可用于各种物理资产的计算机化“伴侣”,借助安装在物理对象上的传感器数据来映射产品实时状态、工作条件或位置。换句话说,数字双胞胎意味着物理对象的属性及状态的最新和准确的镜像,包括形状、位置、状态和运动。此外,数字双胞胎也可用于监测、诊断和预测,借助数据挖掘建立模型,通过物理资产使用中不断产生的和归档的历史信息,在模拟计算与现场测量之间进行追踪比较,以帮助改善预测的结果。

    因此,复杂的预测和智能维护系统平台可以利用数字双胞胎寻找运行中问题的根本原因,使人们可以管理和优化个别资产或整个网络,从嵌入物理对象中的传感器获取数据,建立其运行的数字模型,在损坏或发生故障以前加以修复,大大减少因停机所造成的损失。

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    图1  连接现实和虚拟世界

    在工业界,虚拟与现实一旦建立连接,将散发无穷的魅力,基于模型的虚拟工艺和基于自动化技术的现实工艺——被形象地称之为“数字化双胞胎”(Digital Twins),包括“产品数字化双胞胎”、“生产工艺流程数字化双胞胎”和“设备数字化双胞胎”,完整真实再现整个厂站工艺流程,从而帮助企业在实际投入生产之前即能在虚拟环境中优化、仿真和测试,而在生产过程中也可同步优化整个企业流程,实现安全高效生产,最终打造高效的柔性生产、实现快速创新,锻造企业持久竞争力。

    Kongsberg公司数字油田部门副总裁Andreas Jagtoyen 表示:“我们了解整个产业链,并长期向开发商的钻井、生产平台提供自动化设备。我们的动态模拟器能准确模拟油气井、加工储运设备中产物的流动状态,将以上这些元素结合,我们能够带来一个与现在的开采系统完全相同的数字油田系统,我们称之为—数字双胞胎。”

    “新型数字系统非常有应用价值,也非常有趣,它能自动判断一组数据究竟是由传感器故障所引起的错误数据,还是之前从未出现过的全新真实数据。将数字系统与实际开采系统作对比,即可确定数字模拟的准确性以及开采系统的稳定性。当然,通过一些数字模拟参数的变化,我们也能预测未来一段时间内可能会发生的问题。”

    基于数字双胞胎技术的油气生产管理系统解决方案

    数字双胞胎技术应用于油气开发领域,首先需要解决的是要建立与真实油气生产工艺对应的虚拟数字工艺。通常用动态模拟仿真技术来建立这种虚拟数字工艺。动态模拟仿真技术能够模拟实际生产工艺,设备状态,运行工况等与时间有关的动态变化,充分掌握其变化过程。考虑变量随时间变化的关系,能够分析变量变化的峰值以及变化趋势。动态模拟能够复制真实的场景,能够验证设计,效验计划操作可能出现的意外工况。

    基于数字双胞胎技术的油气生产管理系统解决方案,内核是动态模拟仿真技术。基于数字双胞胎的生产管理系统解决方案是在线实时生产管理与运营系统,其内核是来自Kongsberg的K-Spice和LedaFlow动态模拟技术,通过采集现场关键数据进行实时模拟计算反映系统运行状态,实现实时监控,工况预测和离线规划。K-Spice是动态工艺流程模拟器,LedaFlow是先进的瞬态多相流模拟器,能够多相流模拟油气水在管道、油气井以及设备中流动状态,是基于流体动力学机理模型的瞬态模拟工具,应用范围涵盖了流动保障领域的诸多问题,例如段塞、水合物、结蜡、腐蚀等,其准确性已得到业界广泛认可。与动态工艺模拟软件K-Spice无缝连接,搭建从油气开采、集输处理至下游生产的一体化模型。

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    图2  油气生产集输一体化模拟

    高精度的动态模拟器与工艺流程实时同步运行。通过OPC协议采集测量数据,保持模型与工艺同步,接受和对比测量数据与模型计算数据,自动或者定期手动校正模型,保持模型与实际工艺一致。

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    图3  虚拟数字系统建模

    “全局洞察,局部透视”。时刻掌握工艺系统各点的实时的动态,并预测与计划未来。降本增效,安全生产。

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    图4  K-Spice和LedaFlow一体化模拟案例

    多种智能化应用,监控展示模拟计算结果。包括压力温度计算,积液计算,水合物监控,蜡监控,清管器追踪,虚拟仪表,腐蚀冲蚀监控,自然冷却时间预估,抑制剂追踪。动态仿真系统与实时数据采集系统结合,实现了系统实时采集,实时分析,实时报警,工况预测,计划规划。

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    图5  K-Spice和LedaFlow动态模拟技术多功能应用

    系统运行框架

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    图6  应用系统架构

    基于动态模拟的生产管理系统的三种运行模式

    ·实时模式

    数据回归与模型校准

    监测数据与控制系统

    ·预测模式

    基于模型的工况预测

    ·计划模式

    排产计划

    What-if 研究

    工况预演分析

    特定工况用于培训

    实时模拟器扮演着设备模型的“虚拟工厂”角色。与真实工厂平行同步运行的实时模拟仿真器可以提供广泛的无法在现场测量信息,如管道内部的压力、流量和持液量曲线等。实时模拟器为用户提供大量的模拟数据,这些数据信息基于高精度动态过程模型的计算。计算结果通过标准的K-Spice实时HMI,以动态趋势图形向用户展示。另外,关键的参数(测量值与计算值)将存入Kongsberg的PI历史数据,这些数据也可以通过web服务在WebHMI上向用户显示。

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    图7  实时HMI

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    图8   WEBHMI

责任编辑:张纯子
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