海底管道深水流動(dòng)安全保障技術(shù)研究

晏 妮 王曉東 胡紅梅

中國(guó)石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院， 北京 102200

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海底管道深水流動(dòng)安全保障技術(shù)研究

晏 妮 王曉東 胡紅梅

中國(guó)石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院， 北京 102200

當(dāng)前海上油田的開發(fā)逐步向深水區(qū)擴(kuò)展，對(duì)位于高壓低溫深水環(huán)境中的混輸海底管道提出了更高的要求。介紹了幾種類別的海底混輸管道現(xiàn)狀，針對(duì)各種復(fù)雜流型提出了相適應(yīng)的壓降求解方法；闡述了段塞流產(chǎn)生的危害及其預(yù)測(cè)和預(yù)防方法；多相流計(jì)量的精度因?yàn)槠洳痪鶆蛐远艿搅擞绊?，因此虛擬計(jì)量成為了主流發(fā)展對(duì)象。同時(shí)，低溫環(huán)境可能導(dǎo)致生成天然氣水合物而堵塞管道，針對(duì)該問題提出相應(yīng)的解決方法，從而保證深水中設(shè)備和海底管道的流動(dòng)安全。

深水流動(dòng)安全保障；多相流技術(shù)；天然氣水合物；海底管道

0 前言

隨著油氣資源需求的日益增大，陸地油田的開采陸續(xù)枯竭，海上油田的開采范圍也逐漸由淺水區(qū)向深水區(qū)發(fā)展，但由于深水區(qū)開采環(huán)境與陸地相比更惡劣，因此，極大地增加了深水開采的難度，使油田開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益受到了很大的影響。針對(duì)該問題，深水流動(dòng)安全保障這一名詞被提出。其中，多相流、深水環(huán)境中水合物生成的控制、相關(guān)流動(dòng)安全技術(shù)等問題都需要重點(diǎn)探討，從而實(shí)現(xiàn)深水油田的安全、經(jīng)濟(jì)開發(fā)。

1 深水流動(dòng)安全保障的概念

在海洋開發(fā)中，常以水深300m為界線，低于300m的海洋開發(fā)區(qū)域?yàn)闇\海開發(fā)，高于300m的海洋開發(fā)區(qū)域?yàn)樯詈ｉ_發(fā)。由于深水是一個(gè)高壓低溫的環(huán)境，高壓會(huì)使油氣產(chǎn)品在運(yùn)送過程中存在較大的阻力，低溫容易造成蠟沉積物和生成天然氣水合物堵塞海底管道，并且高靜水壓力的存在會(huì)產(chǎn)生焦耳湯姆遜效應(yīng)[1]，使深水的環(huán)境溫度進(jìn)一步降低。由此可見，深水中的環(huán)境是十分惡劣和復(fù)雜的，高壓低溫的環(huán)境給井筒、設(shè)備、海底管道的流動(dòng)安全增加了一定的難度。

深水流動(dòng)安全保障主要涉及解決油氣在流動(dòng)過程中因水合物的產(chǎn)生、石蠟和瀝青質(zhì)的沉積、腐蝕等造成的海底管道堵塞及滲漏，它主要集中處理因油氣的不穩(wěn)定流動(dòng)導(dǎo)致油品在整個(gè)生產(chǎn)、處理、運(yùn)輸過程中出現(xiàn)的不經(jīng)濟(jì)、不安全的運(yùn)行工況。深水流動(dòng)安全保障的目標(biāo)[2]是防止水合物的產(chǎn)生、石蠟和瀝青質(zhì)的沉積影響各個(gè)部件的正常工作，并將油氣的流動(dòng)控制在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，降低油氣輸送費(fèi)用成本，實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)輸送的目的。

2 多相流技術(shù)

2.1 混輸海底管道類別及其技術(shù)進(jìn)展

由于油品產(chǎn)出后所得的流體中，除原油外，還有伴生氣、水及部分雜質(zhì)的存在，從而構(gòu)成了多相流[3]體。根據(jù)管道內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)是否一致，將管道劃分為單相、兩相和多相流管道。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外已建成的混輸海底管道類別主要包括：氣液兩相流、液液兩相流和油氣水的氣液多相流管道等。

多相流體具有變化多，傳質(zhì)及流動(dòng)不穩(wěn)定[4]等特點(diǎn)。因此，要根據(jù)流型的劃分來選取計(jì)算公式計(jì)算流動(dòng)介質(zhì)的能量交換及能量損失。多相流體劃分的兩種方法[5]：

1)根據(jù)流體外觀形狀可分為：氣團(tuán)流、段塞流、氣泡流、霧狀流、分層光滑流、分層波浪流、環(huán)狀流。

2)根據(jù)相分布特點(diǎn)可分為：間歇流(氣團(tuán)流和段塞流)、分散流(氣泡流和霧狀流)、分離流(分層光滑流、分層波浪流和環(huán)狀流)。

目前，國(guó)內(nèi)外已建成的多相流管道多為凝析氣液[6]管道，它是一種高壓力、大氣油比的管道，屬于氣液兩相流的類別。由于相態(tài)模型的引入不僅可以實(shí)現(xiàn)油氣流動(dòng)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)模擬，而且還可以獲得大量的數(shù)據(jù)，因此通過對(duì)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)模擬的理論分析，基于水動(dòng)力學(xué)原理和各類不同流型的特點(diǎn)，提出了一系列的原理方程并開發(fā)了用于混輸管道模擬的軟件。

屬液液兩相流類別的油水兩相流管道[7]的研究源于稠油的減阻輸送，其研究進(jìn)展相對(duì)落后，對(duì)油水分層的兩相流動(dòng)可以通過簡(jiǎn)化過的模型計(jì)算其壓降，但相對(duì)復(fù)雜的流型壓降求解及其流型的轉(zhuǎn)換規(guī)律還處于研究中。

對(duì)于油氣水的氣液多相流管道的研究也只是在水平管道的流型和壓降計(jì)算取得了成果，尚無三相流壓降計(jì)算的方法，用漂移模型[8]處理了油氣水多相流的持液率，但尚未得到認(rèn)可。

當(dāng)前混輸海底管道模擬軟件的開發(fā)基于雙流體模型[9]和漂移模型，其中穩(wěn)態(tài)計(jì)算軟件：pipephase、pipesim[10]、pipeflow，瞬態(tài)計(jì)算軟件：OLGA[11]、PLAC、TACIT、traflow。它們都為混輸管道的模擬實(shí)驗(yàn)及設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

2.2 混輸海底管道嚴(yán)重段塞流研究

段塞流經(jīng)常發(fā)生在混輸海底管道的立管部分，是由于液體不能到達(dá)立管頂部，造成液體在立管底部積累，隨著液體的積累造成壓力不斷上升帶動(dòng)液體向立管的頂部流動(dòng)，其中的氣泡也隨著液體向立管頂部流動(dòng)。但當(dāng)氣泡到達(dá)立管頂部時(shí)，管內(nèi)的壓力降低，液體回落到立管底部，并具有一定的周期性[12]。如此循環(huán)下去不利于管內(nèi)流體的輸送，使管道發(fā)生堵塞，造成能量的大量浪費(fèi)，同時(shí)也影響設(shè)備的使用壽命，因此對(duì)混輸管道中段塞流的處理和研究是十分必要的。

段塞流的表現(xiàn)一般是氣體和液體交替流動(dòng)，導(dǎo)致了流動(dòng)流體各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)發(fā)生波動(dòng)。為了避免段塞流產(chǎn)生的不良影響，通常在管道的末站或增壓站安放段塞流捕集器，它起到儲(chǔ)存部分液體的作用，實(shí)現(xiàn)良好的氣液分離，避免由于流動(dòng)指標(biāo)的波動(dòng)對(duì)工作設(shè)備造成的不良影響，一般分為容器式和管式兩種[13]。容器式段塞流捕集器的構(gòu)造與油氣分離器相同，常用在空間受限的工作平臺(tái)，處理易凝高黏油品和帶有泡沫的油品，目前使用較廣泛；管式段塞流捕集器較之容器式段塞流捕集器處理的液體要多，適用于大管徑及需要清管的凝析氣液管道，其操作簡(jiǎn)單，占地面積大，但由于流體在管中的分配和流速等問題都會(huì)造成液體的夾帶，因此使用較少。使用管式段塞流捕集器也存在氣液夾帶、三維流動(dòng)未能解釋、不能處理帶有氣阻的流體等問題。

控制嚴(yán)重段塞流的其他方法：

1)節(jié)流法有末端節(jié)流和PID控制節(jié)流兩種方式。末端節(jié)流是在立管的頂端安放節(jié)流閥，通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥[14]來改變管中的流型；PID控制節(jié)流是在分離器入口設(shè)置節(jié)流閥，通過反饋，實(shí)現(xiàn)對(duì)段塞流的控制。由各項(xiàng)實(shí)例可以看出，節(jié)流法可以減少管路中流體的波動(dòng)，保護(hù)了工作設(shè)備，節(jié)約了能源。目前，節(jié)流法是用于消除段塞流最常用的方法。

2)氣舉法[15]包括上升管底部注氣法和下傾管末安裝壓縮機(jī)法。上升管底部注氣法是在立管底部注入大量氣體，使液體不積聚在立管底部，液體可以從立管頂部流出；下傾管末安裝壓縮機(jī)法是通過壓縮機(jī)增加注入氣體流量達(dá)到充分消除段塞流的目的，但一定要有充足的氣源才能采用，該方法容易產(chǎn)生焦耳湯姆遜效應(yīng)，通常要在注入氣前將氣體加熱，避免天然氣水合物的大量形成。改進(jìn)的立管底多相流舉升法是將周圍的多相流管段中的氣流集中引入到立管部，不僅節(jié)約能源而且可以避免傳統(tǒng)氣舉法的缺點(diǎn)，但該方法需要引入的多相流管段中的氣流流動(dòng)必須是穩(wěn)定的。

3)節(jié)流和氣舉結(jié)合法是應(yīng)用節(jié)流可使立管頂部產(chǎn)生穩(wěn)定流動(dòng)，并產(chǎn)生可以用于消除段塞流的回壓，而氣舉法可通過注氣來消除段塞流，將二者結(jié)合可實(shí)現(xiàn)小注氣量與節(jié)流法結(jié)合達(dá)到消除段塞流的效果，但該方法尚未被采用。

4)泵控制法中泵的安裝位置有立管頂部安裝和立管底部安裝[16]兩種方式。頂部裝泵的方式操作方便，底部裝泵所需泵的級(jí)數(shù)相對(duì)小并且消除段塞流的效果較好。

5)海底分離法[17]是將混輸海底管道中的流體進(jìn)行氣液分離，通過各自的管道輸送到作業(yè)平臺(tái)，該方法可以很好地消除段塞流，但需要額外鋪設(shè)管線，投資較大。

當(dāng)前，段塞流的理論研究尚處初步階段，需要通過各項(xiàng)實(shí)踐來不斷完善，對(duì)于段塞流的預(yù)測(cè)及預(yù)防方法還需與現(xiàn)場(chǎng)操作結(jié)合，優(yōu)選最佳方法。目前已有用于研究立管段塞流的室內(nèi)混輸立管實(shí)驗(yàn)環(huán)路[18]，完成了立管段塞流形成的研究，并在數(shù)值模擬方向也有新的突破[19]。

3 天然氣水合物和石蠟的處理

由于深水區(qū)的高壓低溫環(huán)境，海底管道內(nèi)的流體溫度多低于混輸油品的析蠟點(diǎn)，因此會(huì)有部分石蠟從油品中析出并附著在海底管道內(nèi)壁上，若不進(jìn)行清管處理，隨著石蠟沉積的增多，流體在管內(nèi)流通的面積就會(huì)減小，就會(huì)導(dǎo)致流體在管道內(nèi)所受的阻力不斷變大，造成能量的浪費(fèi)。同時(shí)流體中的天然氣會(huì)因溫度較低極易與管道中的水分共同生成天然氣水合物而堵塞管道，尤其當(dāng)輸送管道中存在某些雜質(zhì)時(shí)，這些雜質(zhì)極易形成晶核，加速天然氣水合物的形成[20]。雖然天然氣水合物的產(chǎn)生在管道運(yùn)輸中有一定危害，但當(dāng)前它已作為一種儲(chǔ)量客觀、有較好開發(fā)前景的資源，因此對(duì)待天然氣水合物應(yīng)進(jìn)行積極的應(yīng)用與防治。

3.1 天然氣水合物的儲(chǔ)存與運(yùn)輸

天然氣水合物作為新型能源具有良好的開發(fā)前景，它是一種籠型結(jié)構(gòu)的晶體，具有比液化天然氣和壓縮天然氣更大的壓縮比，可儲(chǔ)運(yùn)大量的天然氣用于調(diào)峰和作為固體燃料使用。實(shí)驗(yàn)證明，在-5～15 ℃的絕熱條件下的天然氣水合物，狀態(tài)穩(wěn)定。天然氣水合物在初步分解時(shí)，會(huì)在表面生成保護(hù)層防止其進(jìn)一步分解，因此天然氣水合物易于保存。通常在分解時(shí)天然氣水合物的儲(chǔ)存總體原則是保證其不從外界吸熱，因此通常采取的保存措施是通過使用保溫材料與外界隔離或是采用冷劑制冷，以保持較低的溫度。

天然氣水合物通常采用與原油混合后管輸或是采用固態(tài)冷凍輸送的方法，還有新提出的水合物球[21]的儲(chǔ)運(yùn)方法。為了保證天然氣水合物在儲(chǔ)運(yùn)過程中的安全，需要對(duì)氣體參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，如果接近爆炸極限范圍，需要立刻采取緊急防護(hù)措施，在其裝卸過程中也應(yīng)盡量避免天然氣水合物和外界長(zhǎng)時(shí)間的接觸，但天然氣水合物和氣態(tài)、液態(tài)狀態(tài)下的天然氣相比相對(duì)安全。在資金投入上，天然氣水合物的基礎(chǔ)建設(shè)投入小于管道運(yùn)輸?shù)耐度耄\(yùn)行費(fèi)用很高，目前只適用于短距離的輸送。

目前天然氣水合物技術(shù)尚未成熟，尤其在儲(chǔ)運(yùn)過程中的低溫技術(shù)還是一個(gè)挑戰(zhàn)，研究天然氣水合物儲(chǔ)存與運(yùn)輸?shù)耐黄泣c(diǎn)在于研究其是否分解。由于天然氣水合物的儲(chǔ)量十分可觀，因此大力發(fā)展天然氣水合物技術(shù)可以緩解我國(guó)對(duì)能源需求的現(xiàn)狀。

3.2 海底管道堵塞的應(yīng)對(duì)措施

處于深水區(qū)域的海底輸送管道，由于高壓低溫形成天然氣水合物造成管道堵塞，導(dǎo)致管內(nèi)形成高壓，影響流體的輸送安全，因此采取一定的措施來避免天然氣水合物的危害十分必要。

保溫技術(shù)[22]是通過在管道外覆蓋具有保溫效果的材料，并采用管道內(nèi)包熱源和熱感應(yīng)法的輔助措施來減少生成天然氣水合物。但傳統(tǒng)的保溫層不僅在堵塞時(shí)難以確定其位置，并且也會(huì)對(duì)流體的流動(dòng)產(chǎn)生一定的阻礙?，F(xiàn)在采用在管道內(nèi)壁設(shè)置一種新型陶瓷材料的涂層來保持管道的蓄熱量，實(shí)踐證明，其保溫效果不僅好于傳統(tǒng)的保溫層，而且在發(fā)生堵塞時(shí)也不會(huì)阻礙流體的流動(dòng)。通過電纜與管道連接可以實(shí)現(xiàn)管道的加熱，但隨輸送距離的加大費(fèi)用也增多，因此多用在短距離輸送。

添加化學(xué)試劑[23]的主要目的是抑制天然氣水合物的形成，并最好能引起放熱反應(yīng)以提高管道溫度。注入化學(xué)試劑前應(yīng)該對(duì)流體的組成及其特性有一定的了解，再?zèng)Q定化學(xué)試劑的用量，達(dá)到在避免堵塞的情況下實(shí)現(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)效益的目的。在混輸管道中，加入熱力學(xué)天然氣水合物抑制劑形成水合物的時(shí)間與未加入相比基本改變不大，而動(dòng)力學(xué)天然氣水合物抑制劑能夠明顯延長(zhǎng)天然氣水合物形成的時(shí)間，并且動(dòng)力學(xué)天然氣水合物抑制劑在較低的過冷度下使用仍有良好的效果。根據(jù)化學(xué)試劑使用成本比較(見表1)可以得出：?jiǎn)为?dú)使用動(dòng)力學(xué)天然氣水合物抑制劑和動(dòng)力學(xué)天然氣水合物抑制劑與熱力學(xué)天然氣水合物抑制劑聯(lián)合使用與單獨(dú)使用熱力學(xué)天然氣水合物抑制劑相比成本投入較小，其經(jīng)濟(jì)效益較好。

表1 天然氣水合物抑制劑成本比較

為了避免天然氣水合物和石蠟堵塞管道，需要對(duì)海底管道進(jìn)行定期清管，但常規(guī)的清管方式不適用于海底管道，因此，出現(xiàn)了一些用于海底管道的新型清管技術(shù)，如凝膠技術(shù)、海底清管器發(fā)送技術(shù)、智能清管技術(shù)和海底清管跟蹤技術(shù)等。其中，凝膠技術(shù)是對(duì)管壁上的沉積層進(jìn)行化學(xué)處理，并由清管器推動(dòng)凝膠，使凝膠旋轉(zhuǎn)發(fā)生形變，這樣在凝膠的中部出現(xiàn)空間，沉積物進(jìn)入此空間從而達(dá)到輸送的目的。

除此之外，還有利用生產(chǎn)N2產(chǎn)生的熱量來融化管壁上的石蠟的清蠟方法。在采取必要技術(shù)措施的同時(shí)，還應(yīng)通過自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)水露點(diǎn)等各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，便于采用應(yīng)對(duì)措施。對(duì)已經(jīng)發(fā)生堵塞的管道，通過帶有發(fā)射器和接收器的ROV[24]裝置確定管道的堵塞位置，采用加熱法融化堵塞物或是通過物理方法清除堵塞物。但如果發(fā)生堵塞的管段難以處理時(shí)，可采取割掉堵塞管段換新管段的方法。

4 深水海底管道防止天然氣水合物生成實(shí)例

4.1 渤海某海底管道

根據(jù)對(duì)該管道的氣體組分和2009年1月管道運(yùn)行數(shù)據(jù)分析可知：當(dāng)不加入抑制劑時(shí)，管道處于水合物生成區(qū)。因此，該管道采用加入甲醇抑制水合物的生成。但在冬季的清管作業(yè)中發(fā)現(xiàn)仍存在少量的水合物，說明管道沿線的局部會(huì)出現(xiàn)甲醇濃度小于所要求濃度的可能。針對(duì)這種情況，冬季甲醇注入量需在理論值的基礎(chǔ)上增加安全余量[25]，并以一定周期的清管方式加以輔助抑制水合物的生成。同時(shí)在北海和墨西哥灣深?；燧敼艿酪财毡椴捎眉状肌⒁叶嫉葻崃W(xué)抑制劑。

4.2 北海天然氣盆地的海底管道

該管道加入動(dòng)力學(xué)抑制劑VC-713[26]，它是由ARCO公司研發(fā)的一種聚合物。試驗(yàn)表明，VC-713對(duì)水合物的生成有很好的抑制作用，并比甲醇更經(jīng)濟(jì)。

4.3 歐洲Zee海底管道

輸氣管道在投產(chǎn)前會(huì)進(jìn)行水試壓，會(huì)在管道內(nèi)壁殘留一部分水，在深水海洋的環(huán)境中，會(huì)加速水合物的形成從而堵塞管道。因此，海底管道投產(chǎn)前進(jìn)行干燥脫水是十分必要的。Zee海底管道的干燥脫水采用甲醇作為干燥劑，干燥作業(yè)采用10個(gè)清管器構(gòu)成的清管列車，其前部采用水基凝膠，后部采用油基凝膠，是凝膠干燥的第一例。除了采取相應(yīng)的措施之外，在管道投產(chǎn)運(yùn)行中，應(yīng)充分利用SCADA[27]系統(tǒng)對(duì)管道的運(yùn)行趨勢(shì)進(jìn)行分析，并定期檢查沿線的水露點(diǎn)。

5 結(jié)論

隨著海洋油氣田由淺水區(qū)逐漸向深水區(qū)發(fā)展，由于深水環(huán)境與陸地環(huán)境相比更惡劣，尤其對(duì)于在深海進(jìn)行更加復(fù)雜的多相流輸送，其設(shè)備和管線的流動(dòng)安全面臨艱巨的挑戰(zhàn)。我國(guó)海底混輸管道技術(shù)發(fā)展與國(guó)外相比較為落后，且我國(guó)所產(chǎn)油品多為易凝高黏原油，因此應(yīng)該在學(xué)習(xí)國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)之上結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況，形成一套符合我國(guó)油氣特點(diǎn)的海底混輸管道技術(shù)。對(duì)于天然氣水合物和石蠟的處理，不僅要開發(fā)新技術(shù)，而且要充分利用天然氣水合物的能源效應(yīng)解決當(dāng)前的能源需求危機(jī)。同時(shí)，復(fù)雜的多相流計(jì)量技術(shù)隨之具有更大的發(fā)展前景。

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2015-08-28

晏 妮(1990-)女，遼寧錦州人，碩士研究生，從事油氣田地面集輸研究。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.06.005