稠油蒸汽吞吐數(shù)字孿生解決方案

0203系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)功能規(guī)劃01項目需求背景04項目預(yù)期收益項目需求背景稠油吞吐注汽數(shù)字孿生解決方案的重要性狀態(tài)性能安全效率壽命穩(wěn)定設(shè)計優(yōu)化提升質(zhì)量運行監(jiān)測123風(fēng)城油田作業(yè)區(qū)常規(guī)稠油井3647口，累計產(chǎn)油780萬噸，年配汽量1343萬噸，注汽成本12億左右，配汽優(yōu)化挖潛潛力巨大。稠油蒸汽吞吐是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程。需要利用注氣鍋爐產(chǎn)生蒸汽，通過蒸汽管線將蒸汽注入到稠油井中。其中，注汽鍋爐的運行管理與節(jié)能優(yōu)化、待轉(zhuǎn)輪井的選擇與組合優(yōu)化以及稠油井配汽優(yōu)化等都將影響到注氣成本的優(yōu)化。節(jié)能降耗4節(jié)能降耗綠色合格一致優(yōu)化項目需求背景鳳城稠油蒸汽吞吐注汽管理現(xiàn)狀分析由于稠油蒸汽吞吐注汽流程和物理現(xiàn)象的復(fù)雜性，目前基本通過人工方式或者根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行流程的管理，缺乏有效的數(shù)據(jù)分析和機(jī)理模型來對全流程進(jìn)行仿真分析，對流程和設(shè)備的參數(shù)和性能缺乏系統(tǒng)化分析管理，更缺乏結(jié)合數(shù)據(jù)和模型來優(yōu)化流程和設(shè)備的管理方案，無法有效的提高設(shè)備和流程的效率。管理粗放缺乏基于數(shù)據(jù)和模型進(jìn)行決策的能力。調(diào)控主要憑經(jīng)驗。熱損失大缺乏根據(jù)數(shù)據(jù)和模型對鍋爐的運行進(jìn)行評估和監(jiān)測。沒有提高鍋爐運行效率的手段，沒有鍋爐流動和傳熱模型對鍋爐進(jìn)行優(yōu)化。注汽成本高缺乏通過數(shù)據(jù)和機(jī)理模型進(jìn)行待轉(zhuǎn)輪井的選擇與組合優(yōu)化。缺乏系統(tǒng)解決方案對稠油井配汽進(jìn)行優(yōu)化。項目需求背景稠油蒸汽吞吐注汽數(shù)字孿生系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)提高熱采率優(yōu)化代轉(zhuǎn)輪井選擇和組合降低蒸汽生產(chǎn)成本15%提高傳熱效率20%提高產(chǎn)量15%降低注汽成本30%蒸汽吞吐注汽管理數(shù)據(jù)定量分析與優(yōu)化鍋爐節(jié)能降低注汽成本提高采收率0203系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)功能規(guī)劃01項目需求背景04項目價值收益系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計蒸汽吞吐注汽數(shù)字孿生系統(tǒng)需求理解業(yè)務(wù)期望：從鍋爐運行效率最大化方面，希望鍋爐能夠在注氣周期內(nèi)（7-10天），持續(xù)地產(chǎn)生過熱溫度為3-15度的過熱蒸汽，即保持鍋爐更長時間過熱運行。鍋爐給水給水泵給水預(yù)熱器對流段輻射段汽水分離器過熱段摻混器注汽凈化污水飽和蒸汽飽和水稠油吞吐配汽業(yè)務(wù)流程選擇待轉(zhuǎn)輪井注汽井組合生產(chǎn)配汽計劃轉(zhuǎn)輪業(yè)務(wù)規(guī)則選井組合業(yè)務(wù)規(guī)則配汽業(yè)務(wù)規(guī)則注汽業(yè)務(wù)期望：從降低注汽成本方面，準(zhǔn)確地選擇待轉(zhuǎn)輪井和注汽井的組合，并優(yōu)化配汽計劃，減少注汽量，縮短注汽周期。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計蒸汽吞吐注汽數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)

轉(zhuǎn)輪井和配汽優(yōu)化

鍋爐能耗和蒸汽質(zhì)量優(yōu)化鍋爐控制待轉(zhuǎn)輪井篩選優(yōu)選接替井配汽量優(yōu)化

轉(zhuǎn)輪井和配汽參數(shù)

鍋爐能耗和蒸汽質(zhì)量參數(shù)分析數(shù)據(jù)清理模型與算法

數(shù)據(jù)模型模型蒸汽數(shù)字孿生系統(tǒng)蒸汽吞吐注汽數(shù)字孿生系統(tǒng)：數(shù)字模型+機(jī)理模型+設(shè)計優(yōu)化設(shè)計優(yōu)化到節(jié)能增效鍋爐參數(shù)管道參數(shù)孿生機(jī)理模型油井參數(shù)注汽參數(shù)配汽參數(shù)油藏參數(shù)蒸汽參數(shù)任意組合，計劃，數(shù)據(jù)點的數(shù)據(jù)完整數(shù)字模型所需數(shù)據(jù)鍋爐，井組，配汽分析參數(shù)優(yōu)化數(shù)據(jù)分析與歸類機(jī)理模型數(shù)據(jù)分類數(shù)據(jù)顯示計算流體力學(xué)計算傳熱學(xué)油藏模擬注汽耦合模擬轉(zhuǎn)輪井參數(shù)注汽選井參數(shù)配汽參數(shù)主要敏感參數(shù)單井轉(zhuǎn)輪計劃配汽計劃壓力溫度能耗蒸汽質(zhì)量水垢控制配方正注鍋爐水量鍋爐火量傳熱效率方案過熱運行時長蒸汽干度鍋爐數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)模型管道數(shù)據(jù)油井?dāng)?shù)據(jù)注汽數(shù)據(jù)配汽數(shù)據(jù)油藏數(shù)據(jù)蒸汽數(shù)據(jù)0203系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)功能規(guī)劃01項目需求背景04項目預(yù)期收益系統(tǒng)功能規(guī)劃

機(jī)理模型：計算流體力學(xué)/傳熱仿真模塊流動/傳熱仿真模型架構(gòu)：流動仿真模型：支持動態(tài)多相流動模擬，可精確的計算鍋爐內(nèi)部和管網(wǎng)的流場。傳熱仿真模型：支持熱傳導(dǎo)，熱對流和熱輻射的傳熱模擬?？删_的模擬鍋爐內(nèi)部的溫度場以及在管網(wǎng)里的蒸汽的溫度變化。流體傳熱耦合仿真模型：支持模擬流動和溫度場相互作用的多物理場問題。CAD溫度水管中心線溫度濕蒸汽仿真模型架構(gòu)：高精度蒸汽多相模型：建立蒸汽的多相歐拉模型，支持模擬蒸汽質(zhì)量的變化（蒸汽質(zhì)量超過80%）。蒸汽表多相模型：支持任意蒸汽質(zhì)量變化的應(yīng)用場景，計算速度為高精度模型的10倍。系統(tǒng)功能規(guī)劃

機(jī)理模型：濕蒸汽仿真模塊CAD參數(shù)分布耦合熱仿真模型架構(gòu)：CFD井筒應(yīng)用模型：建立蒸汽在井筒內(nèi)的流動和傳熱仿真模型，支持高精度的井內(nèi)熱模擬。油藏?zé)岱抡婺Ｐ停航⒄羝⑷胗筒氐臒岱抡婺Ｐ?，支持模擬蒸汽吞吐和注汽流程。CFD-Reservoir耦合模型：支持模擬蒸汽注入全流程模擬，井筒和油藏數(shù)據(jù)交換發(fā)生在井筒壁面。系統(tǒng)功能規(guī)劃

機(jī)理模型：耦合井筒-油藏?zé)岱抡婺K耦合模型示意圖溫度變化系統(tǒng)功能規(guī)劃

數(shù)字孿生模型數(shù)據(jù)分析算法模型架構(gòu)：擬合歷史數(shù)據(jù)：支持快速擬合歷史數(shù)據(jù)和以及生產(chǎn)預(yù)測，數(shù)據(jù)孿生模型可用于定量優(yōu)化任何未來績效指標(biāo)，如短期現(xiàn)金流量，NPV或最終采收率。閉環(huán)模型：如右圖所示，由于數(shù)字孿生模型的求解速度快，閉環(huán)優(yōu)化成為可能。機(jī)理模型數(shù)字孿生模型系統(tǒng)功能規(guī)劃

數(shù)字孿生模型庫（部分）系統(tǒng)功能規(guī)劃

數(shù)字孿生解決方案能力數(shù)據(jù)解決方案：方案指標(biāo)：依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，可提供基于數(shù)字孿生技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計與仿真、生產(chǎn)過程建模與控制、產(chǎn)品質(zhì)量管理、協(xié)同工藝規(guī)劃、設(shè)備故障診斷與遠(yuǎn)程運維、能效優(yōu)化分析等解決方案。產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)過程建模能效優(yōu)化分析0203系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)功能規(guī)劃01項目需求背景04項目預(yù)期收益項目預(yù)期收益降本增效提高注汽效率降低注汽成本30%鍋爐效率提高鍋爐熱效率減少結(jié)垢過熱蒸汽蒸汽質(zhì)量監(jiān)測延長過熱蒸汽時長蒸汽吞吐注汽數(shù)字孿生系統(tǒng)分析能夠提高鍋爐蒸汽生產(chǎn)效率，提高待轉(zhuǎn)輪井的選擇與組合優(yōu)化以及稠油井配汽優(yōu)化，帶來降本增效的價值收益。蒸汽數(shù)字孿生系統(tǒng)機(jī)理模型收益

鍋爐熱效率提高場景分析：流化催化裂化（FCC）中產(chǎn)生的煙氣含有一定比例的一氧化碳并含有豐富的可回收熱能，一氧化碳鍋爐回收的熱能為其它過程產(chǎn)生蒸汽，大幅度減少了石油煉制成本。基于CFD模型對一氧化碳鍋爐的特性和傳熱進(jìn)行了分析，提出的鍋爐檢查墻優(yōu)化方案提高了鍋爐的熱效率。商業(yè)影響：精確計算出爐內(nèi)的溫度和熱傳遞差異，確認(rèn)了影響傳熱效率的過熱區(qū)域。檢查墻的優(yōu)化方案減少了50%的溫度差異。每年降低蒸汽生產(chǎn)的成本為700萬美元左右。實現(xiàn)方法：建立包含燃燒，流動和傳熱的耦合模型，對一氧化碳鍋爐內(nèi)的壓力，溫度，傳熱系數(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析。CAD溫度原始設(shè)計優(yōu)化設(shè)計機(jī)理模型收益蒸汽注入閥的效率提高場景分析：過熱蒸汽注入閥是稠油熱采的關(guān)鍵性設(shè)備。通過蒸汽對稠油藏的加熱可大幅度降低原油的粘性，從而提高原油的產(chǎn)量。由于產(chǎn)生過熱蒸汽需要消耗大量的能量，因此如何通過蒸汽注入閥控制蒸汽的流量和質(zhì)量是降本的核心問題之一。通過建立蒸汽在閥內(nèi)的流動模型同時對蒸汽在閥后的質(zhì)量進(jìn)行分析，可得出注入蒸汽所需的壓力和最大可注入的蒸汽流量，從而提高熱采率以及降低蒸汽的使用量。商業(yè)影響：精確計算出注入蒸汽所需的壓力和流量，以及閥后的蒸汽質(zhì)量，確保了所需的最小蒸汽量。每年節(jié)約蒸汽的成本高達(dá)1700萬美元。實現(xiàn)方法：建立多相濕蒸汽計算流體力學(xué)模型，對蒸汽在注入閥內(nèi)的壓力，溫度，和質(zhì)量進(jìn)行詳細(xì)分析。Pressure(psi)Flowrate(BSPDCWE)5092100123150139-147Pressure(psi)Flowrate(BSPDCWE)50547557-60wellborecasingsupporttubesheathMgocoreformation機(jī)理模型收益井下電熱采設(shè)備的損害評估場景分析：約旦油砂藏采用電加熱器的熱采方法。高溫電加熱器要持續(xù)運行超過一年，且運行溫度達(dá)到1200華氏度，最大的潛在危害是電加熱器由于過度加熱而導(dǎo)致?lián)p壞。通過對電加熱器加熱油藏的流程進(jìn)行流體和傳熱的模擬仿真，確認(rèn)設(shè)備損害的可能性。商業(yè)影響：項目的可行性得到了挑戰(zhàn)，最終項目未能進(jìn)入最后投資階段，節(jié)省了項目費用高達(dá)9000萬美元。實現(xiàn)方法：建立大尺度的傳熱與流動耦合模型，對電加熱器的溫度進(jìn)行了預(yù)測。機(jī)理模型收益電加熱+注汽熱采的可行性分析耦合模型示意圖溫度分布場景分析：北美某稠油田采用電加熱器的熱采方法。高溫電加熱器要持續(xù)運行超過一年，且運行溫度達(dá)到1200華氏度，導(dǎo)致電加熱器損壞。采用電加熱+注汽雙重?zé)岵傻姆椒A(yù)計可以降低電加熱器的溫度，而且電加熱持續(xù)加熱蒸汽可確保蒸汽的質(zhì)量。同時由于蒸汽在油藏內(nèi)的流動，可有效的提高油藏內(nèi)的熱傳遞。商業(yè)影響：項目的可行性得到了分析，大幅度降低了項目在該階段的投入，節(jié)省了項目費用高達(dá)8000萬美元。實現(xiàn)方法：建立CFD+油藏耦合模型，對電加熱器溫度，蒸汽溫度和油藏溫度進(jìn)行了分析預(yù)測。機(jī)理模型收益電加熱+注汽熱采的可行性分析（接上頁）軸向溫度分布油藏離井6尺縱向溫度分布時間動態(tài)溫度@不同電能動態(tài)溫度：注入與不注入蒸汽對比數(shù)字孿生模型收益Bakersfield蒸汽吞吐增產(chǎn)場景分析：Bakerfield項目的目標(biāo)是通過優(yōu)化單井蒸汽注入量和轉(zhuǎn)輪井的順序和組合來獲得蒸汽吞吐的最大ROI。通過建立數(shù)字孿生模型來分析和優(yōu)化在油田同時使用蒸汽驅(qū)和蒸汽吞吐時的增產(chǎn)表現(xiàn)。商業(yè)影響：通過蒸汽吞吐流程的優(yōu)化，石油產(chǎn)量增加至少30％，每年帶來的經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到900萬美元(@50美元/桶）。實現(xiàn)方法：建立數(shù)字孿生模型，結(jié)合了數(shù)據(jù)模型和物理模型對蒸汽吞吐流程進(jìn)行了分析和優(yōu)化。采用數(shù)字孿生優(yōu)化優(yōu)化后與未優(yōu)化預(yù)測產(chǎn)量比較數(shù)字孿生模型收益Bakersfield蒸