深水海底管道預(yù)調(diào)試流動保障分析

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(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

近年來，深水油氣田開發(fā)愈發(fā)迫切。如何安全高效地將油氣資源從地層輸送到處理設(shè)施，并最終供給用戶成為流動保障設(shè)計的目標[1-4]。海底管道預(yù)調(diào)試是確保海底管道順利運行的重要環(huán)節(jié)，有必要對預(yù)調(diào)試過程中的流動安全問題進行分析。海底管道的預(yù)調(diào)試基本包括清管、測徑、試壓、排水、干燥及惰化等過程[5]。新建海底管道投產(chǎn)之前必須通過預(yù)調(diào)試作業(yè)對其進行檢查，確保海底管道達到水下油氣田投產(chǎn)要求。預(yù)調(diào)試作業(yè)能夠清除管內(nèi)鐵銹等雜質(zhì)，減少海底管道腐蝕，提高海底管道使用壽命[6]。海底管道預(yù)調(diào)試中清管、測徑等操作都需要用到清管器，因此清管器的運行情況，以及壓力、溫度的變化成為流動保障分析的重點。國內(nèi)外對清管技術(shù)已經(jīng)開展了諸多研究，包括管道清管器的類型、清管器選型依據(jù)、清管質(zhì)量控制、清管周期、清管器速度控制、清管器跟蹤、清管器卡阻和清管安全措施以及清管方案選擇等[7-12]，但對深水海底管道預(yù)調(diào)試階段清管技術(shù)研究有限。本文以南海東部某深水氣田回接管道預(yù)調(diào)試為例，基于當今世界領(lǐng)先的全動態(tài)多相流模擬計算軟件OLGA[13-14]，對預(yù)調(diào)試過程進行數(shù)值模擬，分析海底管道在預(yù)調(diào)試過程中的流動保障問題并加以控制解決。

1 海底管道預(yù)調(diào)試方案

1.1 海底管道基本情況

南海東部某深水氣田包含7口叢式氣井，全部以鋼質(zhì)跨接管連接到水下中心管匯，再通過長約27 km的海底管道回接到已有水下設(shè)施，最終回接到中心處理平臺進行處理。水下井口所處位置的海水溫度約為4.2～6.6 ℃。新建中心生產(chǎn)管匯水深約為680 m?；亟釉O(shè)施為已建水下中心生產(chǎn)管匯，水深約為1 100 m。用于連接新建中心管匯和下游已有設(shè)施的海底管道規(guī)格為?323.9 mm×11.1 mm，設(shè)計壓力為29 000 kPa。

深水海底管道路由概況見圖1，管道橫斷面結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 深水海底管道路由概況

圖2 深水海底管道橫斷面結(jié)構(gòu)

1.2 預(yù)調(diào)試流程

水下增壓模塊是一種用于深水海底管道預(yù)調(diào)試操作的新型設(shè)備[15]。它可以坐落在海床上，將經(jīng)化學(xué)藥劑處理過的海水增壓后注入到發(fā)球筒內(nèi)，并監(jiān)測發(fā)球過程中海底管道內(nèi)的壓力、溫度及流量等數(shù)據(jù)。深水海底管道預(yù)調(diào)試操作流程見圖3。

圖3 深水海底管道預(yù)調(diào)試操作流程

1.2.1清管、測徑

海底管道空管鋪設(shè)完成后需對海底管道進行清管、測徑作業(yè)。為節(jié)約成本，充分利用海水靜水壓力與海底管道內(nèi)大氣壓力間的壓差推動清管器進行清管和測徑作業(yè)。

將水下注水增壓模塊放置在海床上并連接到海底管道入口(淺水側(cè))的發(fā)球筒，通過此模塊注入經(jīng)過濾和化學(xué)藥劑處理過的海水，并用模塊內(nèi)節(jié)流裝置控制海水流入量，確保清管器在合理的速度內(nèi)前進，直到清管器移動到海底管道出口(深水側(cè))附近，海底管道內(nèi)外壓力達到平衡，清管器停止運動。

由于海底管道路由起伏不定，下傾角度較大時清管器前阻力較小，容易使球速過快撞擊管壁造成清管器損壞和管壁受損，因此需要在清管器前充入一定長度的水塞來增大阻力，防止事故的發(fā)生。

最后打開海底管道出口收球筒上的閥門排出空氣，并利用水下注水增壓模塊注入海水，直到清管器進入收球筒完成清管、測徑工作?；厥帐涨蛲玻瑱z查測徑情況。

1.2.2試壓

清管、測徑完成后進行試壓作業(yè)，試壓作業(yè)所需設(shè)施見圖4。

支持船上的增壓泵通過水下軟管向海底管道中注入海水，注入時在輸送介質(zhì)中加入染色劑。當溫度平衡后增加系統(tǒng)壓力，待達到100%試壓壓力后穩(wěn)壓30 min，若壓力無變化則開始正式穩(wěn)壓24 h。若壓力發(fā)生變化，應(yīng)仔細檢查打壓系統(tǒng)是否存在漏點并重新試壓。當系統(tǒng)壓力變化在試壓壓力的±0.2%內(nèi)且經(jīng)檢查沒有發(fā)現(xiàn)漏點時，穩(wěn)壓結(jié)果可以接受。最后以100 kPa/min的泄壓速率泄壓，完成試壓工作。

圖4 試壓作業(yè)所需設(shè)施

1.2.3排水、干燥

試壓完成后對海底管道進行排水作業(yè)。支持船先航行至海底管道出口側(cè)下放收球筒，并將收球筒連接至海底管道出口端，打開管路上的閥門準備收球。然后支持船航行至海底管道入口側(cè)下放發(fā)球筒，并將發(fā)球筒連接至海底管道入口端。通過水下軟管連接支持船上的注入泵和發(fā)球筒發(fā)射清管器。當清管器進入收球筒后，回收收球筒完成排水作業(yè)。

此海底管道連接水下中心管匯，如果用干空氣干燥法或氮氣干燥法干燥管道，實際投產(chǎn)時管道內(nèi)存留的氣體將進入下游海底管道與下游生產(chǎn)介質(zhì)混合，給中心平臺處理造成困難。經(jīng)過方案比選后，采用從支持船上注入水合物抑制劑乙二醇溶液推球排水的方法。存留在海底管道內(nèi)的乙二醇溶液在投產(chǎn)時可以起到防止水合物生成的作用，此部分乙二醇溶液還可以回到中心處理平臺進行回收，節(jié)約成本。

2 海底管道預(yù)調(diào)試流動保障分析

基于OLGA動態(tài)模擬軟件對海底管道進行數(shù)值模擬。將海底管道所處環(huán)境溫度、管道路由、規(guī)格、內(nèi)壁粗糙度、傳熱系數(shù)、管內(nèi)流體的性質(zhì)及流量以及海底管道進出口邊界條件等作為輸入?yún)?shù)。

2.1 清管、測徑

海水靜壓推動清管器由淺水端向深水端移動，為了控制清管器的速度小于1.5 m/s，需要在清管器前注入一定長度的水塞增加球前的阻力，避免速度過快造成清管器損壞和管壁受損。

將海底管道入口體積流量基本控制穩(wěn)定在190 m3/h，使液體流速基本為0.8 m/s。清管器前充入水塞長度分別為2 km、5 km和8 km時清管器的速度變化見圖5～圖7。從圖中可以看出，只有水塞長度為8 km的清管器最大速度小于1.5 m/s，滿足要求。水塞長度為2 km、5 km時清管器最大速度分別為3.2 m/s和2.5 m/s，球速過快易與管壁碰撞并會對球體造成損壞。9.4 h后管內(nèi)外壓力基本達到平衡，清管器停止移動。

圖5 2 km水塞長度下清管器速度變化

圖6 5 km水塞長度下清管器速度變化

圖7 8 km水塞長度下清管器速度變化

2.2 試壓

按照海水表層溫度為30 ℃考慮，支持船從海面處取水注入到海底管道。海底管道內(nèi)部水溫隨時間變化模擬結(jié)果見圖8。由圖8可以看出，注水后海底管道入口溫度約為19 ℃，海底管道入口處水溫從停止注水時算起到與水下環(huán)境溫度6 ℃一致，大約需要8.3 h。根據(jù)此時間可以指導(dǎo)現(xiàn)場合理安排試壓前準備工作，防止因溫度未達到平衡就進行試壓作業(yè)而造成試壓壓力波動過大，從而提高現(xiàn)場工作效率。

圖8 深水海底管道內(nèi)部水溫隨時間變化模擬結(jié)果

2.3 排水、干燥

支持船通過下放軟管連接至深水海底管道入口處的發(fā)球筒(圖4)。乙二醇溶液通過支持船上的注入泵加壓后推動清管器置換存留在海底管道內(nèi)的海水，進行排水作業(yè)。為滿足支持船上注入泵的排壓要求，需要對水下軟管管徑進行比選。

動態(tài)模擬得到的不同管徑軟管入口壓力隨時間變化曲線見圖9。從圖9可以看出，在已有泵的額定排量(150 m3/h)下，管徑76.2 mm軟管的入口壓力最高可以達到10 500 kPa，遠高于管徑101.6 mm軟管的入口壓力3 560 kPa，且遠高于泵的額定排壓。管徑101.6 mm軟管的入口壓力滿足泵排壓要求，所以軟管管徑選擇101.6 mm。

圖9 不同管徑軟管入口壓力隨時間變化曲線

模擬得到的清管器運行情況見圖10。從圖10中可以看出，在已有泵的額定排量(150 m3/h)下，清管器的運行基本平穩(wěn)， 只有管道路由下傾角度較大段清管器的速度波動劇烈。清管器速度平均0.65 m/s，最高達1.3 m/s，能夠滿足要求。清管時間約為11.5 h。

圖10 清管器運行情況

3 結(jié)語

深水氣田海底管道預(yù)調(diào)試工作包括清管、測徑、試壓、排水和干燥等階段。通過動態(tài)模擬可以分析各階段的流動保障問題。在南海多個深水項目中已成功應(yīng)用此技術(shù)，為預(yù)調(diào)試作業(yè)者提供操作指導(dǎo)。實際應(yīng)用中應(yīng)重點關(guān)注預(yù)調(diào)試過程中清管器的速度、運行時間以及海底管道內(nèi)流體溫度、壓力的變化，確保流動安全?？筛鶕?jù)數(shù)值模擬結(jié)果優(yōu)選下放軟管管徑和支持船上注入泵型號，評估清管器的運行狀況，節(jié)約采購及操作成本。