海底輸氣管道調試投產(chǎn)方案研究及應用

郎一鳴 賈宏偉 許文兵

中海石油(中國)有限公司上海分公司， 上海 200030

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海底輸氣管道調試投產(chǎn)方案研究及應用

郎一鳴 賈宏偉 許文兵

中海石油(中國)有限公司上海分公司， 上海 200030

根據(jù)某項目投產(chǎn)天然氣組分模擬研究海底輸氣管道在實際投產(chǎn)運行時天然氣水合物生成條件，從而優(yōu)化原設計要求的海底輸氣管道的調試投產(chǎn)方案，并創(chuàng)造性地應用一種基于實際環(huán)境和配產(chǎn)數(shù)據(jù)的快速直接投產(chǎn)方案，縮短工期10d，為海上類似項目的建設投產(chǎn)提供相關技術參考。

水合物；配產(chǎn)數(shù)據(jù)；海底輸氣管道；調試；投產(chǎn)方案

0 前言

考慮到海上工作環(huán)境惡劣，海管調試期往往和井口平臺及鉆機模塊調試同時進行，但給原本有限的井口平臺空間造成壓力，為此本文根據(jù)中國海洋石油某項目投產(chǎn)天然氣組分模擬研究海管在實際投產(chǎn)運行時天然氣水合物生成條件，從而優(yōu)化原設計的調試投產(chǎn)方案。

1 海管投產(chǎn)運行工況模擬

根據(jù)實際天然氣的配產(chǎn)數(shù)據(jù)及溫度，對WHPA至CEP海管投產(chǎn)后的運行工況進行模擬。由于投產(chǎn)初期天然氣輸量有可能小于設計輸量，因此分別計算設計輸量和1/2設計輸量下的海管參數(shù)。不同輸量的海管參數(shù)和積液量見圖1～4，投產(chǎn)工況模擬結果匯總見表1。

從圖1～4及表1可知，海管投產(chǎn)天然氣輸量從設計128×104m3/d降至64×104m3/d，出口壓力不變，海管入口壓力從5.56MPa下降到5.25MPa；海管入口溫度不變，出口溫度從19 ℃下降至18 ℃；積液量從215m3上升到303m3。

2 天然氣水合物特性及抑制措施

天然氣水合物生成條件：天然氣中存在游離水，天然氣的溫度必須等于或低于天然氣中水蒸氣的露點溫度；在一定的壓力和天然氣組分條件下，天然氣溫度低于水合物生成溫度；操作壓力高，使水合物生成溫度上升至操作溫度。根據(jù)天然氣水合物的生成條件，選擇合適的投產(chǎn)時間，提高環(huán)境溫度，降低投產(chǎn)時的壓力從而抑制水合物的生成[7]。

根據(jù)表1模擬不同工況下海管投產(chǎn)水合物生成曲線，見圖5～6。

圖1 輸量128×104 m3時海管運行參數(shù)

圖2 輸量64.3×104 m3時海管運行參數(shù)

圖3 輸量128×104 m3時的海管積液量

圖4 輸量64.3×104 m3時海管積液量

表1 投產(chǎn)工況模擬結果匯總

圖5 工況1水合物生成曲線

圖6 工況2水合物生成曲線

通過計算分析WHPA至CEP的兩種模擬工況的海管入口組分水合物生成曲線，發(fā)現(xiàn)海管運行溫度壓力范圍均不在水合物生成區(qū)域，為確保在海管最高運行壓力下，水合物形成溫度比環(huán)境溫度低10 ℃，比原不加抑制劑的水合物生成溫度降6 ℃，向海管中加入抑制劑。

天然氣水合物堵塞管道或設備，會影響正常生產(chǎn)。因此，必須采取措施防止水合物形成，主要方法有：脫除天然氣中水分，使天然氣水露點降低到操作溫度以下；添加水合物抑制劑，阻止水合物的生成或促使流體不滿足水合物的生成條件。目前海洋平臺上應用較多的是無毒無害的熱力學抑制劑乙二醇[7]。兩種工況下不同濃度乙二醇水合物生成曲線見圖7～8，海管WHPA至CEP水合物抑制劑模擬結果見表2。

圖7 工況1不同濃度乙二醇水合物生成曲線

圖8 工況2不同濃度乙二醇水合物生成曲線

表2 海管WHPA至CEP水合物抑制劑模擬結果匯總

3 腐蝕特性預測

采用腐蝕預測的三種主要模型：

模型一，NORSOKM506經(jīng)驗模型。NORSOKM506是基于低溫實驗室數(shù)據(jù)和高溫現(xiàn)場數(shù)據(jù)而建立的最著名經(jīng)驗模型。數(shù)據(jù)源于低鐵離子的液相實驗，實驗溫度5～150 ℃。在100～150 ℃其預測結果比DeWaard模型更接近實際腐蝕速率。

模型二，IFE頂部腐蝕(top-of-line)模型。IFE是通過實驗提出的一個經(jīng)驗公式，其預測速率與水的冷凝速率、碳酸鐵的溶解度和過飽和系數(shù)成正比。經(jīng)驗公式包括水冷凝速率、鐵離子溶解度和溫度三個參數(shù)。

模型三，DeWaard95(DW95)半經(jīng)驗模型。半經(jīng)驗模型與經(jīng)驗模型的區(qū)別在于，它研究了CO2腐蝕過程的化學、電化學反應以及介質的傳輸。DeWaard模型由SHELL公司開發(fā)，是目前應用最廣泛的半經(jīng)驗模型，最新版本是DW95。

圖9 同一輸量下不同模型海管腐蝕預測

圖10 模型一不同輸量海管腐蝕預測

三種模型海管腐蝕預測結果見圖9。三種模型腐蝕預測速率沿管線呈逐漸減小趨勢。預測速率:模型一4.8～8mm/a,模型二0.000 5～0.006mm/a,模型三4～6mm/a。由圖10可知模型一在三種輸量下的腐蝕速率曲線變化趨勢基本一致，均隨里程的增加逐漸下降，在里程約7km之前下降速度比較明顯，7km后變化逐漸平緩，原因可能是隨著氣體沿著海管的運動，沿程溫度、總壓與酸性氣體分壓逐漸降低，使腐蝕介質傳遞速度下降，酸性氣體溶解性降低、液體酸度減小，降低了腐蝕反應的速度。

隨著天然氣輸量的增加，同一管段處的腐蝕速率逐漸增大，由于隨著氣量的增大，管道內氣體流速變大，氣體的攜液能力和對管道壁面的沖刷剪切能力增大，壁面剪切力對管道的腐蝕速率影響最大，成為腐蝕速率的控制因素之一。為此，建議采取內防腐措施，向海管內加入一定計量的緩蝕劑[9-10]。

4 海管投產(chǎn)技術方案

根據(jù)原設計要求，由于考慮海管投產(chǎn)時設計壓力7.9MPa和環(huán)境極端低溫，海管試壓完必須做排水、干燥和惰化，而通過上述實際投產(chǎn)的壓力、配產(chǎn)數(shù)據(jù)以及環(huán)境溫度分析，海管投產(chǎn)時不會產(chǎn)生水合物，保守起見，在投產(chǎn)時考慮向管內加注乙二醇133L/d，使水合物生成溫度降至9.3 ℃。為此，項目投產(chǎn)精簡了排水、干燥和惰化過程，設計出利用干燥氮氣隔離，外輸天然氣作為動力推動清管器，排水、投產(chǎn)一次性完成的方案，見圖11。

圖11 排水、投產(chǎn)一次性完成方案

清管器從WHPA平臺發(fā)球筒向CEP平臺收球裝置發(fā)送，CEP平臺收球裝置接收清管器。清管器采用6個密封面的直板型清管器，由1個壓縮氮氣車廂推動，動力源為WHPA井口平臺天然氣，控制氣體速度和壓力，使清管列車速度維持在0.5～1.0m/s，平臺收球速度不超過0.5m/s。該投產(chǎn)方案精簡了排水、干燥和惰化過程，縮短工期10d，緩解了平臺調試期間空間占用問題。

5 結論

1)通過水合物模擬計算可知，海管運行溫度壓力范圍均不在水合物形成區(qū)域，為降低風險，可選擇甲醇或乙二醇作為水合物抑制劑，確保水合物形成溫度比環(huán)境溫度低10 ℃。

3)海管投產(chǎn)后由于流體中含有水和一定量的CO2，海管運行過程中會發(fā)生腐蝕。海管預測腐蝕速率沿管道里程增加而逐漸降低；海管輸量增加時，腐蝕速率一般會相應增大，投產(chǎn)時建議添加防腐劑。

4)根據(jù)實際投產(chǎn)工況下的水合物生成條件分析，提出利用干燥氮氣隔離，外輸天然氣作為動力推動清管器，排水、投產(chǎn)一次性完成的方案，大大緩解了平臺空間矛盾，節(jié)省工期10d。

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2015-05-27

中國海洋石油重點工程項目資助(RFP-2014-HYPS-0058-HY1)

郎一鳴(1982-)，男，浙江臨安人，高級工程師，碩士，主要從事海底管道技術及項目管理工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.06.004