海底長(zhǎng)輸油管道清管球破裂壓力試驗(yàn)及礦場(chǎng)應(yīng)用

王 威，魯 瑜，羅 峰，張宗超，郭 慶

海底長(zhǎng)輸油管道清管球破裂壓力試驗(yàn)及礦場(chǎng)應(yīng)用

王 威，魯 瑜，羅 峰，張宗超，郭 慶

（中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300452）

此文旨在研究海底長(zhǎng)輸油管道清管球運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)性、破裂性及破裂壓力等特性。以渤海某油田原油外輸海管為例，通過(guò)優(yōu)化清管球旁通孔的設(shè)計(jì)方案，增加了流體通過(guò)率，能有效降低清管球卡堵對(duì)上游生產(chǎn)單元帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)開展清管球的破裂壓力模擬實(shí)驗(yàn)， 證實(shí)了泡沫清管球具有一定的承壓能力、良好的通過(guò)性以及可靠的破裂性。試驗(yàn)表明：泡沫球清管球在管道中遇卡堵時(shí)，可根據(jù)管道中卡堵的程度以及壓差的增大來(lái)調(diào)節(jié)自身的通過(guò)能力；當(dāng)壓差增大至破裂壓力時(shí)，泡沫球自身破裂、破粹以通過(guò)卡堵。

海底；管道；清管球；破裂壓力；模擬實(shí)驗(yàn)

海底長(zhǎng)輸油氣管道清管是提高海管輸送能力，減小管道的腐蝕，完善海管內(nèi)檢測(cè)及加強(qiáng)海管完整性管理的重要環(huán)節(jié)，對(duì)海上油田安全生產(chǎn)具有重要意義[1-2]。然而，海底長(zhǎng)輸油氣管道在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，輸送介質(zhì)中夾帶少量雜質(zhì)、污油泥等沉積在管線內(nèi)沉積[3-5]，使管道內(nèi)徑、壓力、流通面積、輸送能力等預(yù)測(cè)更加復(fù)雜，如果出現(xiàn)卡堵等應(yīng)急情況，對(duì)海底長(zhǎng)輸油氣管道清管以及油田安全生產(chǎn)帶來(lái)極大挑戰(zhàn)[6-8]。因此，有必要對(duì)海底長(zhǎng)輸油氣管道清管球的通過(guò)性、破裂性及破裂壓力等特性進(jìn)行研究[9-10]。為此，以渤海某油田原油外輸海管為例，根據(jù)海管運(yùn)行參數(shù)及生產(chǎn)數(shù)據(jù)，在優(yōu)化清管球的旁通設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，開展長(zhǎng)輸油管道清管球破裂壓力模擬實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了泡沫清管球具有一定的承壓能力、良好的通過(guò)性以及可靠的破裂性。

1 海管參數(shù)

1.1 海管設(shè)計(jì)參數(shù)

見表1。

表1 渤海某油田外輸海管設(shè)計(jì)參數(shù)表

1.2 海管運(yùn)行參數(shù)

見表2。

表2 渤海某油田外輸海管運(yùn)行參數(shù)表

2 清管球優(yōu)化設(shè)計(jì)

經(jīng)海管校核計(jì)算，由于管道的長(zhǎng)期運(yùn)行，管線內(nèi)泥沙沉積，造成了管線縮徑，原油流通面積減小導(dǎo)致壓差增大。為確保清管作業(yè)順利完成，采用清管球旁通孔優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，當(dāng)清管球在海管中受阻，速度發(fā)生變化時(shí)，部分流體通過(guò)旁通孔通過(guò)，增加流體通過(guò)率。

根據(jù)渤海某油田原油外輸海管生產(chǎn)數(shù)據(jù)，海管總輸量17481m3/d，清管球正常速度1.136m/s。假設(shè)清管球速度為1.1m/s，則旁通量為554.2m3/d，約占總輸量的3.17%。具體分析如下：

（1）孔徑20mm，孔數(shù)5個(gè)?？變?nèi)流體流速為4.08m/s，相對(duì)速度為2.98m/s，壓降為0.55bar。

（2）孔徑為25mm，孔數(shù)5個(gè)。孔內(nèi)流體流速為2.61m/s，相對(duì)速度為1.51m/s，壓降為0.18bar。

考慮到泡沫清管球中開孔，壁面摩擦系數(shù)大，因此壓降會(huì)大于上述計(jì)算值，故選擇開孔孔徑為25mm，開孔數(shù)為5個(gè)。計(jì)算流程如圖1所示。

此外，考慮到海管內(nèi)可能存在積砂等問題，開孔位置位于徑向2/3半徑處（距清管球中心點(diǎn)）。

為了增加流體的通過(guò)率，在球體上進(jìn)行均勻開5個(gè)孔，孔直徑25mm。設(shè)計(jì)平面圖如圖2所示。

3 清管球破裂試驗(yàn)

圖1 孔徑計(jì)算流程圖

圖2 清管球設(shè)計(jì)平面圖

為驗(yàn)證清管球在海管中遇卡或堵塞后破裂情況，需要進(jìn)行一次泡沫球破碎試驗(yàn)，用于破裂實(shí)驗(yàn)的泡沫球尺寸依照20英寸泡沫球類型按比例縮小至8英寸，材質(zhì)和密度相同，通過(guò)模擬泡沫球在管道中擊碎的工況，為后續(xù)進(jìn)行真實(shí)海管通球提供依據(jù)。試驗(yàn)中選用清管球?yàn)橹忻芏裙怏w子彈型泡沫球，直徑223mm，長(zhǎng)度315mm，過(guò)盈量為11%。具體參數(shù)如表3所示。

表3 試驗(yàn)清管球參數(shù)表

3.1 試驗(yàn)工況

壓力：1～ 3MPa；介質(zhì)：淡水；介質(zhì)流速：0.5～ 3m/s。試驗(yàn)地點(diǎn)選在天津塘沽試驗(yàn)場(chǎng)；溫度、濕度等根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)條件。

3.2 試驗(yàn)方案

將收球筒隔離閥門關(guān)閉至1/3處，發(fā)送中密度光體子彈型泡沫球。如泡沫球順利通過(guò)仍可重復(fù)使用，則繼續(xù)關(guān)閉閥門至1/4或更小，直至達(dá)到實(shí)驗(yàn)效果。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

球體在運(yùn)行10min后到達(dá)收球筒設(shè)立的閥門卡堵處，球體到達(dá)卡堵處后，收球筒處壓力經(jīng)過(guò)短暫急劇下降后，由于泡沫球本身碎裂通過(guò)卡堵處使壓力恢復(fù)至正常值。如圖3所示。

圖3 破裂試驗(yàn)收球筒及清管球?qū)嵨?/p>

試驗(yàn)所收到的泡沫球球體上有明顯受擠壓破裂的痕跡，球體到達(dá)閥門卡堵處，在這里形成憋壓，由于受壓使球體前端在閥門處壓出球閥的壓痕。球體受壓達(dá)到破裂極限后，從受壓受堵處開始破裂變形。試驗(yàn)數(shù)據(jù)、壓力變化如表4、圖4所示。

清管球破裂壓力試驗(yàn)表明，泡沫球具有非常好的通過(guò)性，當(dāng)其在管道中出現(xiàn)卡堵時(shí)，可根據(jù)管道中卡堵的程度以及壓差的增大來(lái)調(diào)節(jié)自身的通過(guò)能力；實(shí)驗(yàn)中泡沫球在卡堵處前后壓差增大至1.71MPa，當(dāng)壓差進(jìn)一步增大時(shí)，泡沫球自身破裂、破粹以通過(guò)卡堵，具有可靠破裂性。

表4 清管球破裂壓力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖4 破裂壓力試驗(yàn)壓力變化曲線圖

4 礦場(chǎng)應(yīng)用

渤海X油田原油外輸海管設(shè)計(jì)長(zhǎng)度69.5km，管道容積12455m3，設(shè)計(jì)壓力12MPa，最大操作壓力8.8MPa。選用旁路式清管球，在球體上均勻開5個(gè)孔，孔直徑25mm。通球作業(yè)期間，海管入口端壓力基本沒有太大的波動(dòng)，維持在正常壓力波動(dòng)范圍之內(nèi)，最高壓力上漲至5700kPa。清管球表面有局部破損，無(wú)明顯裂痕，無(wú)卡堵等應(yīng)急情況發(fā)生。如圖5所示，紅色曲線代表外輸海管的入口壓力，綠色部分代表原油緩沖罐的液位調(diào)節(jié)閥閥開度變化情況，均處于正常狀態(tài)，通球作業(yè)安全順利實(shí)施。

圖5 通球期間海管入口壓力、液位調(diào)節(jié)閥開度變化曲線

5 結(jié)論

（1）泡沫球具有好的通過(guò)性，當(dāng)其在管道中遇卡堵時(shí)，可根據(jù)管道中卡堵的程度以及壓差的增大來(lái)調(diào)節(jié)自身的通過(guò)能力；

（2）泡沫球具有可靠破裂性，當(dāng)壓差增大至破裂壓力時(shí)，泡沫球自身破裂、破粹以通過(guò)卡堵。

（3）清管球旁通孔的優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加了流體通過(guò)率，能有效降低清管球卡堵對(duì)上游單元生產(chǎn)帶來(lái)的安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，確保通球作業(yè)安全順利進(jìn)行。

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Bursting Pressure Test and Field Application of Spherical Pig in Long Submarine Oil Pipeline

WANG Wei, LU Yu, LUO Feng, ZHANG Zongchao, GUO Qing
（Tianjin Branch of CNOOC Ltd., Tianjin 300452, China）

The paper focuses on the study of the traff i cability, disruptiveness and bursting pressure characteristics of the spherical pig in the long submarine oil pipe when it runs. Taking the oil pipeline of some oilf i eld in Bohai Sea as an example, the passing rate of fl uids is increased by optimizing the design of spherical pig by-pass orif i ce, and the safety risk to the upstream production unit caused by the blocking of spherical pig can be effectively reduced. The simulation experiment of the bursting pressure demonstrates that the foam pig has a certain pressure-bearing capacity, good traff i cability and reliable disruptiveness. The trial application also shows that the foam pig can self-adjust the passing capacity according to the blockage degree and pressure difference in the pipeline when the foam pig is blocked in the pipeline; when the pressure difference is increased to the rupture pressure, the foam pig is broken.

Seabed; oil pipeline; spherical pig; bursting pressure; simulation experiment

TE823.3+6

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2017.03.075

1008-2336（2017）03-0075-04

2016-09-29；改回日期：2017-04-05

王威，男，1983年生，工程師，博士，主要從事油氣地質(zhì)、油氣田開發(fā)與開采、油氣集輸與處理技術(shù)等方面的研究。

E-mail：804367605@qq.com。