海上采油注水系統(tǒng)水錘效應(yīng)分析與控制措施

王佳中

(中海石油(中國(guó))有限公司秦皇島32-6/渤中作業(yè)公司 天津300452)

0 引 言

石油開(kāi)采進(jìn)程以向產(chǎn)油地層注水補(bǔ)充驅(qū)油能量為標(biāo)志進(jìn)入二次采油階段，海水、地下淡水和油氣田生產(chǎn)水是常見(jiàn)的注入介質(zhì)。近十年來(lái)隨著國(guó)家環(huán)保立法的逐步完善和企業(yè)環(huán)保意識(shí)的普遍增強(qiáng)，生產(chǎn)水回注地層自然而然地成為石油企業(yè)首選的石油開(kāi)發(fā)生產(chǎn)工藝，既可以實(shí)現(xiàn)油氣增產(chǎn)和減少污染物排放的雙重目標(biāo)，又能夠開(kāi)創(chuàng)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和國(guó)家環(huán)境保護(hù)同步雙贏的局面。然而嚴(yán)重的水錘效應(yīng)對(duì)大型壓力管道系統(tǒng)和設(shè)備有巨大破壞力，是影響系統(tǒng)安全運(yùn)行的重大隱患。從20世紀(jì)60年代起國(guó)內(nèi)水動(dòng)力專業(yè)和相關(guān)行業(yè)就進(jìn)行了大量的水錘理論研究和工程防護(hù)措施實(shí)踐，近年來(lái)取得了很大進(jìn)展。海上采油生產(chǎn)水注水系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高、長(zhǎng)距離海底管道輸送、末端高壓、隔離空氣環(huán)境運(yùn)行等特點(diǎn)，較陸地一般給水行業(yè)而言其水錘引發(fā)因素更加多樣化，加之海上作業(yè)場(chǎng)地規(guī)模受限、安全環(huán)保因素敏感度高等因素，海上采油生產(chǎn)水注水系統(tǒng)水錘效應(yīng)控制措施研究意義愈顯重大。本文基于水錘理論研究成果和海上陸地各行業(yè)的成功經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)建立典型模型分析系統(tǒng)內(nèi)水錘效應(yīng)的影響范圍和嚴(yán)重程度，從全系統(tǒng)、各專業(yè)、各階段綜合調(diào)控角度歸納、總結(jié)了以下兩個(gè)問(wèn)題的解決措施：①閥門快速關(guān)閉、水泵驟停時(shí)水錘效應(yīng)引起的管道系統(tǒng)超壓；②生產(chǎn)水回注井口平臺(tái)水錘效應(yīng)導(dǎo)致的生產(chǎn)水緊急舷外排放。

1 水錘簡(jiǎn)介

當(dāng)壓力管道中流體流速因外界原因而發(fā)生急劇變化時(shí)，液體的內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生壓強(qiáng)迅速升降，以縱向波的形式沿管道系統(tǒng)往復(fù)傳播的現(xiàn)象，就像錘子敲打一樣，所以這種現(xiàn)象稱為水錘，是體現(xiàn)流體的可壓縮性、慣性和管道材料彈性的一種物理現(xiàn)象，由水錘效應(yīng)引起的系統(tǒng)瞬時(shí)高壓對(duì)管道和設(shè)備有極大的破壞性[1]。

水錘分類方式有多種[2]，從水錘成因角度又可分為啟停泵水錘和開(kāi)關(guān)閥水錘。根據(jù)水錘相是否大于閥門關(guān)閉歷時(shí)的關(guān)系，關(guān)閥水錘分為直接水錘和間接水錘。根據(jù)壓力的變化趨勢(shì)，當(dāng)管內(nèi)流速急劇下降、壓強(qiáng)迅速上升時(shí)為正水錘；管內(nèi)流速急劇上升、壓強(qiáng)迅速下降時(shí)為負(fù)水錘。根據(jù)管道內(nèi)是否發(fā)生氣液兩相分離，將水錘分為斷流彌合水錘和無(wú)斷流水錘。本文重點(diǎn)分析對(duì)海上采油注水系統(tǒng)危害較大的停泵、關(guān)閥引起的正水錘效應(yīng)。

圖1 典型模型系統(tǒng)Fig.1 Typical model

水錘理論研究和工程實(shí)踐表明，除人為操作因素外，水錘效應(yīng)還受管材、介質(zhì)流速、閥門種類、管道長(zhǎng)度、管道布置方式、水泵轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、已采取的防護(hù)措施等多種因素影響[1]：在同一管道系統(tǒng)中管道材質(zhì)、尺寸、上下游工況相同時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)流速變化值越大水錘壓力增幅越大[3]，流速變化越慢水錘壓力增幅越小[4]，因此流速變化值相同的情況下管道直接水錘的壓力增幅大于間接水錘的壓力增幅。如發(fā)生間接水錘，管道閥門距上游泄壓閥的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，閥門完全關(guān)閉歷時(shí)越短，系統(tǒng)內(nèi)壓力增幅越大[1]。

2 各種工況下水錘影響分析

2.1 注水系統(tǒng)模型

海上采油注水系統(tǒng)由濾器、水泵、采油樹(shù)等多種機(jī)械設(shè)備、閥門和地面及海上管道組成，在不影響分析結(jié)果的前提下，筆者將其進(jìn)行必要簡(jiǎn)化后構(gòu)建了具有代表性的典型模型，系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

日常運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)中關(guān)斷閥、注水井井上安全閥、壓力調(diào)節(jié)閥、液位調(diào)節(jié)閥、各設(shè)施注水增壓泵和注水泵都接受中央控制系統(tǒng)信號(hào)遠(yuǎn)程控制，僅FPSO液位調(diào)節(jié)閥由FPSO中控室值班人員手動(dòng)調(diào)控，信號(hào)源包括設(shè)置于注水海底管道兩端和泵兩端管道的壓力超低/超高信號(hào)、緩沖罐液位超低信號(hào)、電力系統(tǒng)卸載以及中控系統(tǒng)生產(chǎn)、火災(zāi)、撤離平臺(tái) 3級(jí)逐級(jí)升高的關(guān)斷信號(hào)，不同的各關(guān)斷信號(hào)關(guān)閉不同的閥門和泵，典型的因果邏輯關(guān)斷動(dòng)作參見(jiàn)表1。

2.2 影響分析

筆者采用理論指導(dǎo)結(jié)合實(shí)踐的方法，依照水泵和設(shè)施關(guān)停范圍從小到大的順序?qū)ν１?、關(guān)閥水錘效應(yīng)對(duì)上述注水系統(tǒng)模型系統(tǒng)造成的不同影響分別進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)低級(jí)別單個(gè)水泵或設(shè)施的關(guān)停在壓力保護(hù)值設(shè)置不當(dāng)、閥門關(guān)閉過(guò)快的情況下也可能引起單平臺(tái)、單系列、雙系列及全油田設(shè)施注水系統(tǒng)關(guān)停，對(duì)系統(tǒng)管道、設(shè)備造成嚴(yán)重影響。

2.2.1 單泵關(guān)停

由于本系統(tǒng)多臺(tái)泵、多注水設(shè)施平臺(tái)并聯(lián)，單泵關(guān)停后流量變化和相應(yīng)的管道內(nèi)流速變化都相對(duì)較小，只影響對(duì)應(yīng)單泵進(jìn)出口管線，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)影響范圍和嚴(yán)重程度都較小，遠(yuǎn)端注水平臺(tái)停泵影響更小，一般情況下不會(huì)引起上或下游水泵連續(xù)關(guān)停，但若保護(hù)值設(shè)定不當(dāng)，可能引起并聯(lián)泵關(guān)停，進(jìn)而擴(kuò)大影響范圍到整個(gè)平臺(tái)。

2.2.2 單平臺(tái)關(guān)斷

2.2.2.1 并聯(lián)設(shè)施系統(tǒng)

并聯(lián)設(shè)施注水系統(tǒng)中單設(shè)施注水泵、注水增壓泵由于排出口壓力異常全部關(guān)停，將引起泵吸入口一側(cè)管道壓力升高，如果是泵出口壓力高則泵出口壓力調(diào)節(jié)閥打開(kāi)，一定量生產(chǎn)水排舷外；單平臺(tái)停泵的影響與平臺(tái)的水泵總注入量及與 FPSO增壓泵的距離有關(guān)，通過(guò)科學(xué)計(jì)算和實(shí)踐檢驗(yàn)確定上游平臺(tái)的壓力高高保護(hù)值可以將其影響限制在單個(gè)平臺(tái)。最小流量保護(hù)閥有止回閥的特性，又可在壓力升高到設(shè)定值時(shí)開(kāi)啟，使一定量流體回流到泵吸口管道，對(duì)緩解泵出口閥門關(guān)閉引起的水錘效應(yīng)有一定的作用，同時(shí)能防止水泵倒轉(zhuǎn)，作用類似于緩閉止回閥。

2.2.2.2 串聯(lián)設(shè)施系統(tǒng)

串聯(lián)設(shè)施系統(tǒng)中注水增壓平臺(tái) WHPA或下游WHPC注水關(guān)斷，將間接導(dǎo)致A系列全部關(guān)斷，這種情況下FPSO至WHPA、WHPA至C上游水錘情況比較嚴(yán)重。

2.2.3 單系列關(guān)斷

并聯(lián)設(shè)施系列關(guān)斷工況下，A或 B側(cè)注水系統(tǒng)全關(guān)斷，對(duì) FPSO到近端平臺(tái) WHPA/B供水管道的影響較嚴(yán)重。

2.2.4 雙系列關(guān)斷

注水泵、注水增壓泵關(guān)?；蜿P(guān)斷閥關(guān)閉，F(xiàn)PSO至 WHPA/B的管道系統(tǒng)將受到嚴(yán)重的水錘影響，是水錘最嚴(yán)重的工況，模型中采用了壓力調(diào)節(jié)閥泄壓回流控制措施，泄放的超壓水排入緩沖罐，有緩沖罐內(nèi)液位高可溢流排入水處理系統(tǒng)。

2.2.5 油田注水系統(tǒng)關(guān)斷

FPSO注水增壓泵關(guān)停，下游各平臺(tái)由于水系統(tǒng)壓力降低分別停泵，這種情況下，F(xiàn)PSO增壓泵出口至下游各平臺(tái)發(fā)生負(fù)水錘，無(wú)超壓風(fēng)險(xiǎn)，其上游為緩沖罐，大量的生產(chǎn)水返回緩沖罐。

表1 典型的因果邏輯關(guān)斷動(dòng)作Tab.1 Typical cause-and-effect logic shutdown actions

3 水錘控制措施

①新建油田開(kāi)發(fā)項(xiàng)目在設(shè)計(jì)階段應(yīng)依照系統(tǒng)中流量最大工況作為最不利情況進(jìn)行計(jì)算分析，進(jìn)而確定油田管道、海底管道系統(tǒng)及設(shè)備壓力等級(jí)，在海管首末端和大型濾器進(jìn)出口均設(shè)置安全閥。在系統(tǒng)中水錘最嚴(yán)重的部位——FPSO增壓泵止回閥下游設(shè)置緩沖氣體壓力罐[5-6]，充入氮?dú)饣蛴吞锇樯鷼猓鰪?qiáng)對(duì)FPSO和單點(diǎn)之間的跨接軟管及海底管道的保護(hù)效果，改、擴(kuò)建項(xiàng)目則需進(jìn)行必要的水錘壓力升限計(jì)算、管道壓力等級(jí)校核及防控措施補(bǔ)充。

②安全閥和調(diào)壓閥是保護(hù)管道設(shè)備的有力措施[7]，通過(guò)計(jì)算比較排出的液體，保留其中排液較少的方式，設(shè)置兩個(gè)同一種閥門互相備用，增加系統(tǒng)安全可靠性，井口平臺(tái)水錘應(yīng)急排放液進(jìn)入閉排罐或獨(dú)立應(yīng)急排放緩沖罐[4]，或者利用低壓高注入量注水井或停產(chǎn)油井作為應(yīng)急儲(chǔ)液設(shè)施。

③并聯(lián)供水主管道上設(shè)置緩閉止回閥代替自力式壓力調(diào)節(jié)閥，水泵出口管道用最小流量保護(hù)閥代替止回閥[4]，回流到水泵吸入口。

④并聯(lián)運(yùn)行的泵各泵出口分別設(shè)置壓力高高和低低傳感器，根據(jù)水泵數(shù)量和水錘壓力將壓力高高值分檔，依次關(guān)停各水泵，降低流量變化絕對(duì)值和變化速度。

⑤發(fā)生高別級(jí)關(guān)斷后，中控系統(tǒng)發(fā)出停泵信號(hào)后延時(shí) 30～50,s或現(xiàn)場(chǎng)控制儀表氣供給速度緩閉關(guān)斷閥和注水井井上安全閥[7-8]，變直接水錘為間接水錘，具體延時(shí)時(shí)長(zhǎng)根據(jù)計(jì)算確定，對(duì)于超過(guò)兩臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行的泵，設(shè)定延時(shí)調(diào)整器分別、依次關(guān)停各水泵。

⑥并聯(lián)運(yùn)行管網(wǎng)系統(tǒng)泵吸口方向海底管道壓力高高信號(hào)不引起相對(duì)應(yīng)的關(guān)斷閥關(guān)閉和水泵關(guān)停，遠(yuǎn)端注水泵與近端注水泵吸入口壓力低低保護(hù)值設(shè)定相同，這樣一旦供水端壓力降低，將先關(guān)停遠(yuǎn)端平臺(tái)注水泵，避免單系列、雙系列和油田注水系統(tǒng)關(guān)斷，降低水錘的破壞力，同時(shí)減小其影響范圍。

⑦海底輸水管道關(guān)斷閥關(guān)閉結(jié)合泄漏監(jiān)測(cè)執(zhí)行手動(dòng)關(guān)閥控制方式，減少關(guān)閥水錘發(fā)生的可能性并控制事故工況下生產(chǎn)水泄漏量。

⑧增壓泵引入采用變頻技術(shù)自動(dòng)控制流量、壓力。

⑨優(yōu)化管道配管設(shè)計(jì)控制流速、流向突變[9]。

⑩優(yōu)化常規(guī)啟停泵、開(kāi)關(guān)閥門及 SDV閥的操作規(guī)程[7,10]。

4 結(jié) 論

海上采油注水系統(tǒng)受自身特點(diǎn)和海上空間環(huán)境的約束，使陸地一般給水系統(tǒng)防護(hù)水錘的空氣閥、調(diào)壓塔等措施在海上并不適宜，在成本、安全和可靠性優(yōu)化的條件下，應(yīng)采取盡可能多種形式的控制措施，才能達(dá)到理想的防護(hù)效果。在中心平臺(tái) CEP或FPSO——生產(chǎn)水源供給端、場(chǎng)地空間條件相對(duì)較好、且水錘影響最嚴(yán)重的大型設(shè)施上推薦采用防護(hù)效果較好的充氣壓力緩沖罐；各類增壓泵、注水泵都用最小流量保護(hù)閥或緩閉止回閥代替普通的止回閥。除了在硬件管道、設(shè)備方面采取措施外，在電力、控制系統(tǒng)方面控制潛力巨大，通過(guò)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)值、優(yōu)化控制邏輯等方法結(jié)合電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)的引入，將簡(jiǎn)化停泵關(guān)閥動(dòng)作，變成自動(dòng)化條件下的局部的、有序的、一定節(jié)奏的可控關(guān)停，降低系列和多系列關(guān)斷的可能性。在井口平臺(tái)采用雙安全閥或調(diào)節(jié)加安全閥的防護(hù)方式，使水錘現(xiàn)象發(fā)生頻率及其對(duì)安全、環(huán)保和油田生產(chǎn)的影響范圍、嚴(yán)重程度均最小化。

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