王聚團(tuán)

中海石油(中國)有限公司深圳分公司, 廣東 深圳 518067

0 前言

設(shè)備設(shè)施完整性管理是一個完善的、系統(tǒng)的管理過程,是用整體優(yōu)化的方式確保設(shè)備設(shè)施在整個生命周期,達(dá)到可靠性、安全性、環(huán)保性以及經(jīng)濟(jì)性的要求[1-2]。設(shè)備設(shè)施完整性管理主要從設(shè)計(jì)建造、檢驗(yàn)維修和工藝安全三方面進(jìn)行。在設(shè)計(jì)建造方面,主要是確保設(shè)計(jì)建造符合國內(nèi)、國際的法律法規(guī)以及相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范;在檢驗(yàn)維修方面,主要是制定和執(zhí)行基于風(fēng)險、狀態(tài)和時間的檢驗(yàn)維修計(jì)劃[3-4];在工藝安全方面,主要是將影響設(shè)備完整性的工藝操作參數(shù)控制在合理范圍內(nèi)。

海上油氣田尤其是深水油氣田,在實(shí)際的設(shè)備設(shè)施完整性管理中面臨環(huán)境工況惡劣、設(shè)備設(shè)施種類繁雜、風(fēng)險管控要求高、維修難度大且成本高等問題[5]。經(jīng)過近幾十年的技術(shù)發(fā)展,中國海上油氣田的設(shè)備設(shè)施管理,尤其是在設(shè)計(jì)建造和檢驗(yàn)維修方面,已經(jīng)形成了一套相對完整的管理體系[6-7]。但在工藝安全方面,目前仍然依賴于有經(jīng)驗(yàn)的生產(chǎn)操作員在基于離散控制系統(tǒng)(Distributed Control System,DCS)中進(jìn)行日常管理,尚未形成一套行之有效的工藝安全管理系統(tǒng)。隨著危害和可操作性(Hazard and Operability，HAZOP)以及基于風(fēng)險的檢驗(yàn)(Risk Based Inspection，RBI)等工藝安全管理技術(shù)的引進(jìn)和普及[8-9],針對海上油氣設(shè)備和管道失效的工藝因素進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)測和分析,對可能存在的工藝安全風(fēng)險進(jìn)行評估并制定應(yīng)對措施,應(yīng)該受到重視。

完整性操作窗口(Integrity Operating Window,IOW)是美國石油協(xié)會(American Petroleum Institute,API)從工藝安全角度查找并消除設(shè)備失效的因素、降低設(shè)備的腐蝕風(fēng)險,專門制定的針對工藝操作參數(shù)控制的一套推薦做法(API RP 584《完整性操作窗口》，以下簡稱API RP 584)[10]。IOW是設(shè)備設(shè)施完整性管理在工藝運(yùn)行操作層面的重要組成部分,當(dāng)前僅在國內(nèi)外的一小部分陸地?zé)捇髽I(yè)有初步應(yīng)用,但隨著其在南海某深水氣田的首次應(yīng)用,將會在海上油氣田逐步得到推廣。

1 IOW類型與建立流程

IOW是一套被定義的工藝操作參數(shù)界限,通過建立、設(shè)定和監(jiān)控這些操作界限(如高報(bào)警、高高報(bào)警、低報(bào)警、低低報(bào)警),一旦超出這個界限,IOW將會反饋一個警報(bào),提示操作參數(shù)已經(jīng)超限,并需要采取已經(jīng)制定的響應(yīng)措施,將操作參數(shù)重新控制在正常范圍內(nèi),從而預(yù)防設(shè)備的失效或工藝安全事故的發(fā)生,確保設(shè)備設(shè)施的安全運(yùn)行。

1.1 IOW類型

根據(jù)影響設(shè)備完整性和可靠性的不同工藝參數(shù),可以將IOW分為兩種類型,即物理型IOW和化學(xué)型IOW。物理型IOW主要是指在設(shè)計(jì)變量范圍內(nèi)維持控制的關(guān)鍵工藝流程參數(shù),如設(shè)計(jì)壓力、操作壓力、氣體分壓、壓差、操作溫度、露點(diǎn)、流量和藥劑注入量等?；瘜W(xué)型IOW主要是與工藝中的化學(xué)反應(yīng)和流體的含量有關(guān),如pH值、水含量、硫含量、鹽含量、氧含量、氨含量和總酸值等。

根據(jù)不同的工藝參數(shù)超限運(yùn)行對設(shè)備完整性和可靠性造成的結(jié)果,可以將IOW分為安全操作區(qū)間及關(guān)鍵界限和標(biāo)準(zhǔn)界限,見圖1。關(guān)鍵界限是指如果某項(xiàng)工藝參數(shù)超出關(guān)鍵界限值并持續(xù)一定的時間,就可能迅速導(dǎo)致設(shè)備失效。標(biāo)準(zhǔn)界限是指如果某工藝參數(shù)超出標(biāo)準(zhǔn)界限值并維持一定的時間,就可能在一定的時間內(nèi)導(dǎo)致設(shè)備失效。

1.2 IOW建立流程

API RP 584明確規(guī)定了IOW建立的流程,見圖2。IOW建立流程主要分為五個步驟:定義設(shè)計(jì)和操作條件、定義設(shè)備失效機(jī)理、羅列導(dǎo)致設(shè)備失效的工藝參數(shù)、設(shè)定工藝參數(shù)界限、制定超限后的響應(yīng)措施。

2 IOW在南海某深水氣田的首次建立

南海某深水氣田主要設(shè)施包括1套包含18口井的水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)、2條558.8 mm的海底天然氣管道、中心平臺主工藝分離及壓縮系統(tǒng)、1套乙二醇回收裝置以及若干化學(xué)藥劑注入系統(tǒng),其水下生產(chǎn)工藝見圖3，平臺生產(chǎn)工藝見圖4。由于此次IOW建立只考慮了液相工藝流程,因此圖4不包含氣相工藝流程。

圖3 南海某深水氣田水下生產(chǎn)工藝簡圖Fig.3 Simplified subsea production process of deepwatergas field located in South China Sea

圖4 南海某深水氣田平臺生產(chǎn)工藝簡圖Fig.4 Simplified platform production process of deepwater gas field located in South China Sea

根據(jù)API RP 584首次在某南海深水氣田建立的IOW系統(tǒng),共選取了143個關(guān)鍵工藝參數(shù)作為基礎(chǔ),為簡單起見,以下僅以選取的部分IOW參數(shù)為例,介紹該深水氣田IOW系統(tǒng)的建立過程。

2.1 定義工藝操作條件

該深水氣田的定義工藝操作條件見表1,日產(chǎn)氣量1 557×104m3左右,單管運(yùn)行氣量在708×104～991×104m3之間,單口井乙二醇的注入量不低于5.65 L/h/104m3,LH29-1管匯溫度不低于20 ℃,乙二醇處理裝置正常入口流量45 m3/h,阻垢劑泵出口壓力維持12.6 MPa。

表1 定義的工藝操作條件表

2.2 建立IOW清單

針對該深水氣田的定義工藝操作條件,通過分析可能造成相關(guān)設(shè)備失效的機(jī)理及風(fēng)險,發(fā)現(xiàn)單管運(yùn)行氣量過低會造成海管積液嚴(yán)重、過高則會造成海管沖蝕,井口乙二醇注入量過低會造成井口管線形成水合物并凍堵,乙二醇處理裝置入口流量波動會造成管線沖蝕加劇,乙二醇再生塔塔底溫度過低會造成乙二醇產(chǎn)品含水量超標(biāo)、過高會造成乙二醇蒸發(fā)損失,阻垢劑泵出口壓力過高會造成管線超壓。在明確存在的風(fēng)險后,對不同工藝參數(shù)設(shè)定具體操作界限以及超限后的響應(yīng)措施,并形成IOW清單，見表2。IOW清單包括工藝參數(shù)的基本信息、IOW類型、操作界限、超限后的風(fēng)險，以及超限后的響應(yīng)措施。

表2 IOW清單表

2.3 建立IOW在線管理系統(tǒng)

IOW清單的制定是建立IOW在線管理系統(tǒng)的前提。IOW清單中與工藝參數(shù)相對應(yīng)的調(diào)整與優(yōu)化通常都在DCS系統(tǒng)上完成,而DCS系統(tǒng)則由中控操作員輪流進(jìn)行操作。中控操作員的職責(zé)是在IOW超限發(fā)生后及時采取調(diào)整措施,使其重新回歸正常工況。為統(tǒng)計(jì)并分析IOW超限的根本原因,同時減少中控操作員的工作負(fù)荷,并避免不同中控操作員的不連續(xù)性和操作差異性,該深水氣田在建立IOW在線管理系統(tǒng)時,并未直接在DCS系統(tǒng)上進(jìn)行創(chuàng)建,而是采用陸地遠(yuǎn)程連接DCS系統(tǒng)的方式進(jìn)行創(chuàng)建,并指定專門的工程師對整個IOW在線管理系統(tǒng)進(jìn)行操作和維護(hù)。

考慮到IOW大量實(shí)時數(shù)據(jù)的計(jì)算與分析,IOW在線管理系統(tǒng)的建立采用了Spotfire數(shù)據(jù)處理軟件。Spotfire數(shù)據(jù)處理軟件是美國TIBCO公司研發(fā)的以可視化功能為中心的數(shù)據(jù)分析工具，它能連接多種類型的數(shù)據(jù)源文件,通過簡單操作,即可以利用其優(yōu)秀的即席分析能力和豐富的可視化圖表,得到數(shù)據(jù)的可視化結(jié)果。

南海某深水氣田的IOW在線管理系統(tǒng)架構(gòu)見圖5。在該系統(tǒng)中,海上DCS系統(tǒng)中的IOW數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星鏈接傳到陸地的生產(chǎn)管理系統(tǒng)(Production Management System,PMS)中,通過PMS中專門數(shù)據(jù)接口連接到Spotfire數(shù)據(jù)處理軟件,由Spotfire數(shù)據(jù)處理軟件對接收到的IOW數(shù)據(jù),根據(jù)設(shè)定的界限進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和處理,對超限的IOW進(jìn)行匯總和計(jì)算,并形成每日IOW超限記錄和每月IOW超限報(bào)告,由專門的工程師對超限情況進(jìn)行分析,并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

圖5 IOW在線管理系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.5 Structure of IOW online management system

2.4 建立IOW超限報(bào)告體系

2.4.1 IOW每日的超限記錄

2021年7月14日的IOW超限記錄界面見圖6,該記錄詳細(xì)展示了不同生產(chǎn)單元中不同工藝參數(shù)的IOW超限情況,以超限記錄中的LH29-1管匯溫度為例。如圖6所示,LH29-1管匯溫度一直在標(biāo)準(zhǔn)界限的下限值20 ℃左右波動,并伴有短暫的超限發(fā)生。

圖6 IOW每日超限記錄界面圖(2021年7月14日)Fig.6 Daily IOW excursion log(14thJuly 2021)

工程師分析圖6 IOW超限記錄時,首先要了解在超限發(fā)生后,中控操作員是否按照IOW清單執(zhí)行對應(yīng)的響應(yīng)措施,然后查找發(fā)生超限的根本原因,并制定相應(yīng)的改進(jìn)措施,以避免超限的再次發(fā)生。鑒于LH29-1管匯溫度一直在標(biāo)準(zhǔn)界限下限附近波動,專門工程師在確認(rèn)中控操作員執(zhí)行了響應(yīng)措施后,進(jìn)一步分析在該溫度條件下形成水合物的必備條件。LH29-1管匯形成水合物的臨界條件是壓力達(dá)到23 MPa且溫度達(dá)到5.6 ℃,因此在當(dāng)前操作條件下(壓力10.2 MPa,溫度21 ℃)沒有形成水合物風(fēng)險,并建議重新設(shè)定LH29-1管匯溫度標(biāo)準(zhǔn)界限和關(guān)鍵界限的下限值,以符合實(shí)際操作工況。

2.4.2 IOW每月的超限報(bào)告

圖7為2021年7月的IOW超限報(bào)告,該報(bào)告詳細(xì)展示了在不同生產(chǎn)單元中不同工藝參數(shù)當(dāng)月所有的IOW超限情況,并分別記錄了各個生產(chǎn)單元平均每日的超限次數(shù)、月度累計(jì)超限次數(shù)及超限趨勢。

圖7 IOW每月的超限報(bào)告圖(2021年7月)Fig.7 Monthly report of IOW excursion(July 2021)

圖8為乙二醇處理裝置月度的IOW超限報(bào)告,該報(bào)告詳細(xì)記錄了乙二醇處理裝置中每個IOW參數(shù)每日累計(jì)超限時間和每月累計(jì)超限時間,并用不同的顏色區(qū)分,白色表示每日超限時間在30 min以內(nèi),黃色表示每日超限時間在30 min～24 h,灰色表示每日超限時間為24 h(灰色主要用來表示該參數(shù)對應(yīng)的設(shè)備處于離線狀態(tài))。

圖8 乙二醇處理裝置月度的IOW超限報(bào)告圖(2021年7月)Fig.8 Monthly IOW excursion report of MEG recovery unit(July 2021)

IOW每月超限報(bào)告由生產(chǎn)部門和工藝安全部門定期進(jìn)行聯(lián)合分析,在每日記錄的分析基礎(chǔ)上,針對頻繁發(fā)生的超限情況或者累計(jì)超限時間長的工藝參數(shù)制定相應(yīng)的整改措施,針對性地改進(jìn)或優(yōu)化。

2.5 IOW在線管理系統(tǒng)的持續(xù)改進(jìn)

南海某深水氣田IOW在線管理系統(tǒng)雖然已經(jīng)建立并且開始實(shí)際應(yīng)用,但仍然存在改進(jìn)之處。

在建立IOW清單時,盡管API RP 584沒有要求在IOW清單上顯示IOW超限后的風(fēng)險評估結(jié)果,但如果能夠在IOW清單及IOW在線管理系統(tǒng)中明確顯示超限后的風(fēng)險評估結(jié)果[11],會從根本上強(qiáng)化IOW管理人員的風(fēng)險防控意識,嚴(yán)格控制中高風(fēng)險超限的發(fā)生。

IOW在線管理系統(tǒng)建立之初,為有效推進(jìn)系統(tǒng)測試,只包含了143項(xiàng)關(guān)鍵工藝參數(shù),而該深水氣田實(shí)際的關(guān)鍵工藝參數(shù)如氣井環(huán)空壓力等[12-13]至少有300多項(xiàng),應(yīng)該對IOW在線管理系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容，增加更多的IOW關(guān)鍵工藝參數(shù)。

目前，IOW在線管理系統(tǒng)的關(guān)鍵工藝參數(shù)大多為物理型IOW,對于化學(xué)型IOW如pH值、含水量、H2S含量、氯離子含量、防腐劑余量等則鮮有錄入。針對化學(xué)型IOW應(yīng)該盡快納入到該系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理。

IOW在線管理系統(tǒng)目前受限于衛(wèi)星鏈路的寬帶速率和工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的安全要求,尚不能發(fā)送即時的超限警報(bào)到專門工程師或更高級別的IOW管理人員。研究并建立專用的超限警報(bào)發(fā)送通道,及時對超限情況進(jìn)行處理,應(yīng)引起重視。

3 IOW的實(shí)際應(yīng)用意義

目前，盡管IOW在國內(nèi)外并未大范圍推廣和應(yīng)用,但其在南海某深水氣田的首次成功應(yīng)用,對中國海上油氣田的管理,尤其是在設(shè)備設(shè)施完整性管理、工藝安全管理方面具有重要的指導(dǎo)意義,對當(dāng)下數(shù)字化、智能化油氣田建設(shè)也有借鑒作用。

3.1 提升油氣田完整性管理水平

IOW從工藝安全的角度,通過結(jié)合關(guān)鍵工藝參數(shù)的超限和超限可能帶來的風(fēng)險,可以準(zhǔn)確識別可能導(dǎo)致設(shè)備失效的工藝原因,并針對具體的工藝參數(shù)進(jìn)行合理的調(diào)整及優(yōu)化,制定出超限后的響應(yīng)措施,便于日常的風(fēng)險分級管理,既控制了設(shè)備的失效風(fēng)險,又達(dá)到生產(chǎn)效益的最大化。

IOW的管理,不僅可以通過物理和化學(xué)控制,控制承壓設(shè)備的使用壽命及可靠性,還可以與RBI進(jìn)行深度融合[14-15]。RBI的主要功能是識別風(fēng)險、調(diào)整檢驗(yàn)周期、提供設(shè)備與管道優(yōu)化的檢驗(yàn)策略,通過IOW與RBI的深度融合,及時進(jìn)行腐蝕回路的參數(shù)更新和優(yōu)化,對腐蝕回路的腐蝕風(fēng)險進(jìn)行精確調(diào)整和控制,并更新腐蝕回路的檢驗(yàn)頻次和方法,從而降低腐蝕回路失效的風(fēng)險。

3.2 提升油氣田的工藝安全管理

IOW的本質(zhì)是通過建立新的工藝操作規(guī)則,控制關(guān)鍵工藝參數(shù)在正常的運(yùn)行區(qū)間,確保設(shè)備的完整性及使用可靠性,減少工藝安全事故的發(fā)生。

通過IOW建立,可以持續(xù)監(jiān)測工藝操作參數(shù)的界限,確保工藝生產(chǎn)安全和工藝產(chǎn)品質(zhì)量;持續(xù)訓(xùn)練中控操作人員的操作方法并加深對工藝流程風(fēng)險的認(rèn)識;持續(xù)提升生產(chǎn)管理人員的工藝分析水平并改進(jìn)工藝技術(shù);根據(jù)IOW的分析結(jié)果進(jìn)行工藝變更,更有針對性地進(jìn)行相應(yīng)的變更管理和風(fēng)險管控。

除此之外,通過IOW建立可以維持工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定,還可以減少控制系統(tǒng)警報(bào)次數(shù)。根據(jù)ANSI的標(biāo)準(zhǔn)[16],每個中控操作員在每小時能夠有效處理的最大警報(bào)數(shù)是6個,若超過則中控操作人員無精力專注處理警報(bào)。通過IOW可以有效控制并減少警報(bào)的發(fā)生,從而促使中控操作人員更加專注于警報(bào)的處理和工藝的操作,確保工藝安全。

3.3 融合數(shù)字化、智能化油氣田建設(shè)

當(dāng)前各大油氣公司都在向數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型[17],轉(zhuǎn)型的核心在于智能設(shè)備和儀表的廣泛應(yīng)用,而智能設(shè)備和儀表應(yīng)用的根本目的就是實(shí)現(xiàn)對工藝參數(shù)的監(jiān)測和控制。IOW在線管理所建立的工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫可以作為智能化儀表選型、完整性管理數(shù)據(jù)平臺建設(shè)和生產(chǎn)工藝流程優(yōu)化的基礎(chǔ),經(jīng)由專門的電儀工程師、工藝工程師和腐蝕工程師進(jìn)行數(shù)據(jù)管理與分析,建立不同的風(fēng)險模型,用來推進(jìn)數(shù)字化、智能化油氣田的建設(shè)。數(shù)字化、智能化油氣田的控制系統(tǒng)比普通油氣田的控制系統(tǒng)更為集中和豐富,中控操作人員的響應(yīng)速度也會因智能化的建設(shè)而提升,因此IOW在線管理可以直接在這種控制系統(tǒng)中建立,并由中控操作員進(jìn)行IOW的日常管理和維護(hù),但I(xiàn)OW超限記錄和報(bào)告仍應(yīng)交給專門的工程師進(jìn)行統(tǒng)一的分析。

4 結(jié)論

IOW的內(nèi)容非常豐富,但它提供的操作窗口概念卻簡單明了,建立IOW在線管理的過程也非常簡單且可操作性極強(qiáng)。IOW清單的建立、IOW在線管理系統(tǒng)的建立與IOW超限報(bào)告體系的建立,可以作為IOW管理的一個基本流程。目前盡管IOW在國內(nèi)外的應(yīng)用較少,但它在提高工藝設(shè)備的安全性和可靠性方面有著其他技術(shù)無可比擬的優(yōu)越性。IOW在某南海深水氣田的首次成功應(yīng)用表明,IOW可以進(jìn)一步推廣至海上油氣田使用,不僅可以提高海上油氣田的設(shè)備設(shè)施完整性的管理水平,也可以提升工藝安全管理水平、減少工藝安全事故的發(fā)生,同時也能深度融合到數(shù)字化、智能化油氣田的建設(shè)中。