Produksjonsoptimalisering og automatisk styring av brønner og rørledninger

1. Produksjonsoptimalisering og automatisk styring av brønner og rørledninger Forsknings- og dr.ing. program innen ny fagdisiplin: Petronics

2. Innhold • Deltakere og organisering • Finansiering • Bakgrunn • Automatisering innenfor oljeindustrien • ABBs forsknings- og produktprogram ”ABB Enhanced Oilfield Control” • Problemstillinger • Norsk Hydros utfordringer og visjoner • Mål

3. Deltakere • NTNU • Inst. for petroleumsteknologi (prof. Michael Golan) • Inst. for mekanikk, termo- og fluidmekanikk (prof. Tor Ytrehus) • Inst. for klima- og kuldeteknikk (prof. Ole Jørgen Nydal) • Inst. for teknisk kybernetikk (prof. Bjarne Foss) • Inst. for kjemisk prosessteknologi (prof. Sigurd Skogestad) • Norsk Hydro • ABB • ABB Industri • ABB Corporate Research

4. Organisering • Totalprosjektet vil bestå av tre selvstendige deler: • Et dr.ing.program med seks dr.ing.studenter som involverer fem NTNU institutter • ABBs forsknings- og produktprogram ”ABB Enhanced Oilfield Control” • Norsk Hydros prosjekt ”Produksjonskontroll & Optimalisering” • Dr.ing.programmet vil knyttes tett opp mot den omfattende interne satsingen i Norsk Hydro og ABB

5. Organisering (forts.)

6. Finansiering • ABB og Norsk Hydro fullfinansierer sine spesifikke deler av totalprosjektet • ABB vil i tillegg kjøpe inn FoU-tjenester fra blant annet NTNU og Universitet i Tulsa (jmf. prosjektplan) • Det søkes kun om NFR-støtte til deler av dr.ing.programmet: • 500.000 NOK pr. dr.ing.student pr. år. • ABB og Norsk Hydro finansierer selv sin egeninnsats (veiledning, ressursgrupper, datainnsamling etc.) i dr.ing.programmet

7. Automatisering i oljeindustrien • Økende interesse blant oljeselskapene for automatisert produksjon • Den store mengden tilgjengelig produksjonsdata kan brukes til on-line styring og optimalisering, men da må det utvikles nye metoder og ny teknologi • Basert på erfaringer fra landbasert prosessindustri, forventer man at høyere automatiseringsgrad gir: • Mer kostnadseffektiv produksjon • Sikrere produksjon • Mer miljøvennlig produksjon

8. PC P T P F FC P ABB Enhanced Oilfield Control • Tverrfaglig produkt- og forskningsprogram initiert av ABB Industri i 1997 • Utfordringer • Stabil og kostnadseffektiv flerfasetransport i brønner og rørledninger • Håndtering av komplekse produksjonssystemer • Produksjon rett til land • Samarbeidspartnere på forskningssiden: • ABB Corporate Research • NTNU • Universitetet i Tulsa, Oklahoma, USA

9. Gas Drying and Condition Gas Export and Injection Injection Recompression Flare Separation Export Pipeline Fokus på kritiske deler i produksjon og prosess Enhanced Oilfield Control Wellhead Platform

10. PC P T P F FC P ABB Enhanced Oilfield Control • Status: • Innovative produkter for on-line styring og optimalisering av oljeproduksjon • Nye metoder og verktøy for utvikling og design av styrings- og optimaliseringsalgoritmer for brønner og rørledninger • Viktig momenter: • Resultater har fremkommet gjennom utstrakt tverrfaglig samarbeid • Sterkt behov for mer tverrfaglig kompetanse på dette området - kopling petroleumsteknologi og systemteknologi (Petronics) ABB SW Production Optimization Production Allocation ABB SW Automatic Well Control Slug Control PT TT PT Pipeline h

11. Eksempel 1: Slugging på Hod-Valhall To flare Wellhead Platform (WP) Wells Wells Separator 1. Stage Separator 2. Stage Separator PT TT PT 70 m Production Platform (PP) 10-20 % of design capacity Pipeline 12” 13 km

12. Terrain induced slug flow. 130 130 120 120 Outlet pressure Inlet pressure 110 110 100 100 90 90 20 21 22 23 24 25 26 2 20 2 1.5 15 Oil flowrate [kg/s] Gas flowrate [kg/s] 10 1 5 0.5 0 0 20 20 21 21 22 22 23 23 24 24 25 25 26 26 Time [hour] Operasjonelle problemer som skyldes slugging • Store forstyrrelser inn til separatortoget • Dårlig separasjon (vann i olje) • Tap av produkt (olje i vann) • Brudd på miljørestriksjoner (olje i vann) • Sterkt varierende belastning på kompressorene • Ineffektiv operasjon av kompressortog • Mulige tripper som følge av hurtige endringer i belastning

13. Resultater for Hod-Valhall med ABBs SlugCon . 130 130 120 120 Hod pressure [PSI] Valhall pressure [PSI] 110 110 100 100 20 20 25 25 30 30 35 35 40 40 45 45 50 50 Controllerin manual 30 Controller starts 20 Valve opening [%] 10 0 20 25 30 35 40 45 50 1.5 15 1 10 Gas flowrate [kg/s] Oil flowrate [kg/s] 0.5 5 0 0 20 20 25 25 30 30 35 35 40 40 45 45 50 50 Time [hour] Slug flow Slug flow (build up) Stabilizing control

14. Eksempel 2: Ustabil gassløftet produksjon Gass PC L P P T P Olje F FC CC Separator Vann F P Kompressor T P

15. Problemer og ”løsninger” knyttet til gassløft-ustabilitet Hovedproblemer Vanlig fremgangsmåte • Separatoren(e) tripper • Hyppige nedstengninger • Produksjonsallokering blir vanskelig • Veldig ineffektiv operasjon • Gamle felt gir økte problemer • Kontinuerlig økning av gassløftrate • Bruker for mye gass!! • Kontinuerling choking • Høyt brønnhodetrykk!!

16. Total Oil Production Rate 50 40 Open-Loop Closed-Loop 30 kg/s 20 10 0 -10 0 2 4 6 8 10 12 time [hours] Casing Pressure 130 120 Open-Loop 110 Closed-Loop bar 100 90 80 70 0 2 4 6 8 10 12 time [hours] Resultater for gassløftet brønn med ABBs WellCon Mer olje med mindre bruk av gass!

17. Problemstillinger • Prosjektet vil ta utgangspunkt i prioriterte produksjonstekniske utfordringer slik Norsk Hydro ser dem, og dr.ing.oppgavenes innhold vil reflekteres av dette • Tre høyt prioriterte utfordringer er: • Lokal optimalisering • Optimalisering ned til brønnnivå ut fra lokal kapasitetsbegrensning (f.eks ved kompressorvask ) • Dynamisk stabilisering & optimalisering • Stabilisering & optimalisering av transiente eller vanskelige operasjonsbetingelser (slugging etc.) • Nærbrønnsmodellering • Forenklet modellering/implementering av innstrømning til brønn

18. Norsk Hydros visjoner & utfordringer

19. Metodikk • Tverrfaglige problemstillinger trenger tverrfaglige løsninger • Erfaringene fra ABBs eget forskningsprogram viser at det er et stort potensiale i å bringe sammen fagområdene petroleumsteknologi (produksjonsteknologi og strømningsteknologi) og systemteknologi (kybernetikk og kjemisk prosessteknologi) • Metodikken som vil bli brukt i prosjektet vil derfor hentes fra et nytt fagområde - Petronics - en kombinasjon av petroleumsteknologi og systemteknologi Petroleumsteknologi + Systemteknologi = PETRONICS PETRONICS

20. Mål • Utdanne seks dr.ing.kandidater, med start juni år 2000, koblet mot brukerstyrt industriforskning og produktutvikling i Norsk Hydro og ABB Industri: • Danne grunnlaget for en ny fagdisiplin i Norge - Petronics - som kombinerer petroleumsteknologi og systemteknologi • Utvikle teknologi, prosesser og produkter som bidrar til: • Stabil og kostnadseffektiv flerfasetransport i brønner og rørledninger • Optimal håndtering av komplekse produksjonssystemer • Produksjon rett til land