海底管線清管球運(yùn)動影響因素

(中國海洋石油(中國)有限公司 崖城作業(yè)公司， 廣東 深圳 518067)

經(jīng)驗(yàn)交流

海底管線清管球運(yùn)動影響因素

崔攀

(中國海洋石油(中國)有限公司 崖城作業(yè)公司， 廣東 深圳 518067)

從清管球在海底管線上升段的受力分析出發(fā)，得出影響清管球在海底管線中向前運(yùn)動的因素主要是海管內(nèi)清管球下游積液、污物的量，管內(nèi)壁對清管球的摩擦力，清管球前后壓差以及清管球材料、質(zhì)量和類型等。結(jié)合崖城13-1氣田海南海底管線的實(shí)際清管作業(yè)工況，在低外輸氣量工況下，采用注入外直徑相對管道內(nèi)直徑過盈量2%的美國進(jìn)口Maloney清管球、減小清管球下游積液量以及改變清管球類型和質(zhì)量等方法，促進(jìn)清管球向前運(yùn)動，達(dá)到了高效清管和安全推送凝析油的目的。

海底管線； 清管球； 低外輸氣量； 影響因素

崖城13-1海上氣田生產(chǎn)天然氣和凝析油，擁有從氣田通往香港和海南的2條海底輸送管線。香港管線輸送符合要求的干氣，海南管線混輸天然氣和凝析油。至2016年，崖城13-1氣田已經(jīng)穩(wěn)產(chǎn)超過20 a，步入產(chǎn)能遞減期。目前氣田的主力用戶為香港終端，海南終端主要接收海上氣田生產(chǎn)的凝析油，同時接收少量的濕天然氣經(jīng)過終端凈化輸給海南用戶。由于海南管線外輸氣量銳減，低流量生產(chǎn)工況時，下游用戶用氣量由130萬m3/d銳減至14～28萬m3/d，靠將凝析油摻入天然氣攜液混輸?shù)胶Ｄ辖K端已不能實(shí)現(xiàn)[1]。為此，在海南終端采取了發(fā)送清管球的方式，依靠清管球?qū)崿F(xiàn)推送凝析油和海底管線清管目的[2，3]。然而，在低外輸天然氣量條件下，清管球收球作業(yè)比預(yù)期模擬的情況明顯滯后，甚至收不到清管球[4，5]。有時會出現(xiàn)發(fā)送第2只清管球時，第1只清管球還沒有收到的情況，管線內(nèi)油氣受到多只清管球的阻滯作用。清管球推送過來的凝析油也會隨著清管球的到來在短時間內(nèi)連續(xù)推送[6]，造成凝析油大量涌入段塞流捕集器中，處理不及時會導(dǎo)致捕集器溢流和供氣中斷。因此，判斷清管球運(yùn)動狀態(tài)顯得尤為重要，有必要對清管球在海底管線中的運(yùn)動影響因素進(jìn)行研究，尤其需要研究低外輸氣量條件下清管球在管線內(nèi)保持向前運(yùn)行的影響因素。

1 清管球在海底管線上升段內(nèi)受力

根據(jù)崖城13-1海上氣田至海南陸地終端的水力坡降圖可知，海底管線始發(fā)端從平臺下入海底大約100 m到海床，然后順著海床逐步上升，到岸上的陸地終端經(jīng)過距離約90.9 km，管線沿著海床鋪設(shè)過程中其高程逐漸升高。清管球在傾斜海底管線上升段內(nèi)受力情況見圖1。

圖1 清管球在傾斜海底管線上升段受力情況

由圖1進(jìn)行受力分析得出清管球所受外力的計算公式：

(1)

式中，F(xiàn)為清管球所受外力，N；Δp為清管球前后壓差，Pa；D為管道內(nèi)徑，m；m為清管球質(zhì)量，m1為污物積液質(zhì)量，kg；f為管道中清管球與管內(nèi)壁的摩擦阻力，N；g為物體重力常數(shù)9.8 N/kg；θ為海底管線的坡度，(°)。

當(dāng)F>0時，清管球能保持正常運(yùn)動狀態(tài)；當(dāng)F=0時，清管球?qū)⒈３朱o止?fàn)顟B(tài)或者勻速向前運(yùn)動[7]。當(dāng)F<0時，清管球反向運(yùn)動?？梢姾５坠芫€內(nèi)清管球下游積液、污物的量，管內(nèi)壁對清管球的摩擦力，清管球前后壓差以及清管球質(zhì)量和類型等都會影響清管球向前運(yùn)行狀態(tài)。

2 海底管線清管球運(yùn)動影響因素

2.1清管球上下游壓差

2.1.1下游外輸氣體積流量

清管球在海底管線運(yùn)行過程中，上下游壓差是清管球保持運(yùn)行的主要影響因素。調(diào)取以往的清管球作業(yè)測試記錄，得到了清管球在海底管線內(nèi)的運(yùn)行時間和下游外輸氣體積流量，見表1。

從表1可以看出，在平臺供氣量不發(fā)生較大變化的情況下，忽略其它因素的影響[8]，以清管球下游的用戶取氣量即外輸氣體積流量為研究對象，外輸氣體積流量越大，則清管球上下游壓差越大，清管球運(yùn)動速度越快，清管球在管線中運(yùn)行時間越短。反之，外輸氣體積流量越小，壓差越小，清管球運(yùn)動速度越慢，清管球在海底管線中運(yùn)行時間越長。由此可知，外輸氣體積流量大小影響清管球上下游壓差大小，進(jìn)而影響清管球運(yùn)動狀態(tài)和運(yùn)行時間長短[9]。

表1 清管球在海底管線內(nèi)運(yùn)行時間及下游外輸氣體積流量

2.1.2清管球和管內(nèi)壁密封性

清管球和管內(nèi)壁的密封性影響清管球的上下游壓差，從而影響清管球運(yùn)動狀態(tài)和運(yùn)行時間長短。密封不嚴(yán)，會導(dǎo)致清管球上下游壓差減小，在外輸氣量較小的情況下發(fā)生旁通現(xiàn)象[9]。即清管球上游的氣體竄入下游，使上下游壓差減小，推動力減小，清管球運(yùn)行減緩或者停滯不前。

2014-12-26T14：03崖城13-1氣田海上平臺在低外輸量下發(fā)送了1只非過盈清管球，2015-01-13海南管線恢復(fù)正常外輸量1 316 887 m3/d后，清管球仍然沒有到達(dá)海南陸上終端，發(fā)出清管球后海南管線外輸氣體積流量見圖2。按照低外輸氣量通球作業(yè)工況模擬，當(dāng)外輸量約為143 765 m3/d時，應(yīng)該在清管球運(yùn)行110.9 h后收到清管球。

圖2 發(fā)出清管球后海南管線外輸氣體積流量

在清管作業(yè)期間，下游供氣量沒有受到影響，初步判斷是發(fā)生了旁通現(xiàn)象，導(dǎo)致收球時間明顯滯后[10]。進(jìn)一步分析認(rèn)為，在海底管線壓力狀態(tài)下，該清管球外徑小于管道內(nèi)徑，無法形成有效密封，所以滯留在管線內(nèi)。

2015-01-19T20：15再次試驗(yàn)性發(fā)送了1只清管球外徑與管內(nèi)徑相等的清管球，01-20T09：28收到2只，對比2只清管球，后面1只清管球直徑略大于前面1只。因此，推測在低外輸氣量下，所需清管球直徑最好等于或大于管道直徑，更有利于清管球和管內(nèi)壁的密封，有利于清管球向前運(yùn)行。

經(jīng)過數(shù)次發(fā)送清管球外徑大于管道內(nèi)徑過盈量2%和3%的滿載清管球試驗(yàn)，得出清管球外徑大于管道內(nèi)徑過盈量2%較為合適，清管過程中只偶爾出現(xiàn)清管球破裂現(xiàn)象，過盈量為3%時清管球破裂較多。查閱相關(guān)資料，相對于海底管線內(nèi)徑，清管球外徑大于管道內(nèi)徑過盈量為1.0%～3.0%符合《海上采油工程手冊》中2%～5%的要求[4]，可見選擇清管球外徑大于管道內(nèi)徑過盈量2%的清管球可以實(shí)現(xiàn)清管球和管內(nèi)壁有效密封并符合標(biāo)準(zhǔn)，滿足現(xiàn)有作業(yè)工況。

2.2發(fā)球時海底管線中凝析油存量

調(diào)取的某段時間海底管線內(nèi)積液量和清管球運(yùn)行時間對比記錄見表2。在海上平臺供氣量變化不大、海南終端外輸氣體積流量較低的情況下，每次發(fā)球時海底管線內(nèi)凝析油存量不同，收球時間也會有差異[11]。

表2 海底管線內(nèi)積液量和清管球運(yùn)行時間對比

測試證明，同等條件下，發(fā)球時海底管線內(nèi)存液量越少，清管球向下游運(yùn)動的阻力越小，運(yùn)動速度越快。一般情況下，發(fā)球時海底管線內(nèi)凝析油的存量是以段塞流捕集器的容量為標(biāo)準(zhǔn)，低外輸量下推力減小，收球時間明顯推后，甚至收不到清管球[12]。如果選擇海底管線內(nèi)存液量由556 m3減小到477 m3甚至更低時發(fā)球，可減少清管球運(yùn)行阻力，有助于低外輸氣量下清管球在海底管線內(nèi)加速向前運(yùn)行。

2.3清管球材料、類型和質(zhì)量

從海上平臺至海南終端海底管線的里程和高程圖來看[13]，管線上升段在海床上的坡度已經(jīng)固定，管線傾角無法改變[14]，通過改變管線坡度影響清管球運(yùn)動既不經(jīng)濟(jì)也不現(xiàn)實(shí)。

清管球在海底管線內(nèi)的滑動摩擦由清管球和海底管線本身的材料性質(zhì)決定，材料不同，滑動摩擦阻力亦不同。管內(nèi)壁和清管球表面越光滑，滑動摩擦阻力越小，清管球越容易向下游運(yùn)動。管內(nèi)壁的光滑度還有賴于周期性的通球作業(yè)，從而清出管線內(nèi)污物和沉積物，減少管內(nèi)壁積液產(chǎn)生腐蝕，進(jìn)而保持海管內(nèi)壁潔凈光滑，減小摩擦阻力[15，16]。

清管球類型和質(zhì)量對清管球運(yùn)動亦有影響[17]。清管球球型包括球狀、直板型和皮碗型等。皮碗型、直板型清管球與管內(nèi)壁的接觸面積比球狀清管球的大，克服摩擦力和所需驅(qū)動力也大，對清管球運(yùn)行有減慢的影響。另外，清管球質(zhì)量越大，運(yùn)動過程中克服重力沿海管軸向流動阻力就越大，也對清管球運(yùn)行有阻滯作用。可以設(shè)法改變清管球類型和質(zhì)量，從而促進(jìn)清管球在低流量下向前運(yùn)動。

3 結(jié)語

海底天然氣長輸管線清管作業(yè)風(fēng)險較大，投資也較大，完善清管作業(yè)各項技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，確定經(jīng)濟(jì)清管方案非常必要。海底管線清管球運(yùn)行狀態(tài)受到清管球上下游壓差的影響，而上下游壓差與下游用戶外輸氣量大小以及清管球與管線內(nèi)壁的密封程度有關(guān)。實(shí)踐證明，針對本段海底管線，在低外輸量的工況下，采用清管球外徑過盈量2%清管球可以實(shí)現(xiàn)有效密封，正常清管。

在低外輸量工況下，清管球下游積液量是清管球運(yùn)行狀態(tài)的重要影響因素，積液量阻滯清管球向下游運(yùn)行，減小積液量有助于通球。海底管線清管球運(yùn)行狀態(tài)還受到清管球類型和質(zhì)量的影響，可以設(shè)法改變清管球類型和質(zhì)量，促進(jìn)清管球在低外輸量下向前運(yùn)動，從而達(dá)到高效清管和安全推送凝析油的目的。

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(張編)

InfluencingFactorsofPigMovingForwardandRunningRulesofPiggingOperationProcessinSub-seaPipeline

CUIPan

(Yacheng Operation Company， CNOOC (China) Limited， Shenzhen 518067， China)

Based on the analysis of the force from the pig in the sub-sea pipeline in the climbing section，the influencing factors of the running forward pig at the pigging time were rolled out. The critical influencing factors contained the volumes of accumulated liquid and sediment from pig’s downstream，the friction from pipeline internal surface to pig body，the differential pressure between the upstream and downstream of the pig surface，the weight and the type of the pig etc. Through the practice and the experiment of the Y13-1 gas field pipeline pigging operation， in the low sales gas flow rate condition，we increased the 2% larger of the U.S.A. Maloney pig outside diameter than pipeline internal diameter when pig was injected to the triethylene glycol， decreased the volumes of accumulated liquid from pig’s downstream，changed the weight and the type of the pig so as to pushing the pig forward，cleaning the pipeline and transferring the condensate in the sub-sea multiphase pipeline.

sub-sea pipeline； pig； low sales gas flow rate； effect factor

TQ055.8； TE973

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.03.012

1000-7466(2017)03-0057-04①

2016-11-30

崔 攀(1981-)，男，陜西西安人，工程師，學(xué)士，從事油氣開采研究和油氣田生產(chǎn)管理工作。