一種控制長(zhǎng)距離外輸海管段塞流的方法

張偉寧

（中海石油（中國(guó)）有限公司湛江分公司， 廣東 湛江 524057）

1 概述

A平臺(tái)隸屬于文昌油田群，該平臺(tái)依托周邊原有設(shè)施進(jìn)行開(kāi)發(fā)，產(chǎn)出原油不處理經(jīng)過(guò)一條長(zhǎng)約18km的10英寸單層不保溫油氣水混輸海底管道外輸至B平臺(tái)，與B、C、D平臺(tái)原油混合后輸送至FPSO處理。A平臺(tái)設(shè)計(jì)布置開(kāi)發(fā)井12口，預(yù)測(cè)油田高峰時(shí)平均日產(chǎn)液1160m3，A平臺(tái)海管設(shè)計(jì)輸送量2400m3/d。A平臺(tái)產(chǎn)出原油密度低，流動(dòng)性好，飽和壓力低（2.3MPa），溶解氣油比中等（40.31m3/m3）[1]。

A平臺(tái)投產(chǎn)初期5口生產(chǎn)井在產(chǎn)，平臺(tái)產(chǎn)液250m3/d，產(chǎn)氣7700m3/d。投產(chǎn)初期出現(xiàn)了A平臺(tái)閉排泵超壓無(wú)法使用和下游B、C、D平臺(tái)壓力波動(dòng)大兩個(gè)問(wèn)題。本文介紹A平臺(tái)由于段塞流造成的技術(shù)難題、段塞流成因、控制措施以及改造后的效果。

圖1 文昌油田群位置圖

2 A平臺(tái)投產(chǎn)后出現(xiàn)的問(wèn)題

2.1 B、C、D平臺(tái)海管外輸壓力高，壓力波動(dòng)大

A平臺(tái)投產(chǎn)后，上下游B、C、D平臺(tái)海管外輸壓力過(guò)高，壓力波動(dòng)大，導(dǎo)致B、C、D平臺(tái)不得不通過(guò)降頻限產(chǎn)來(lái)降低海管外輸壓力。此外，B、C、D平臺(tái)在壓力波動(dòng)高值時(shí)容易引起海管壓力高高開(kāi)關(guān)動(dòng)作，從而導(dǎo)致生產(chǎn)關(guān)停。

2.2 A平臺(tái)海管外輸壓力過(guò)高，閉排泵無(wú)法使用

A平臺(tái)投產(chǎn)后，海管外輸壓力持續(xù)升高，長(zhǎng)時(shí)間保持在2.8MPa以上。A平臺(tái)閉排泵設(shè)計(jì)壓力為2.7MPa，導(dǎo)致閉排泵運(yùn)行時(shí)振動(dòng)大且無(wú)法泵出液體。閉排泵無(wú)法將閉排罐的液體打入海管，給A平臺(tái)的安全生產(chǎn)造成了極大安全隱患。

3 原因分析

3.1 A平臺(tái)原油脫氣產(chǎn)生的段塞流

A平臺(tái)投產(chǎn)初期有5口油井生產(chǎn)，日均產(chǎn)液250m3，產(chǎn)氣7700m3，海管為18km單層不保溫10英寸海管，海管容積為824m3。A平臺(tái)產(chǎn)出原油飽和壓力低（2.3MPa），溶解氣油比中等（40.31m3/m3）。按投產(chǎn)初期產(chǎn)量計(jì)算，產(chǎn)出原油需3天時(shí)間到達(dá)B平臺(tái)。由于海管管徑較大、原油飽和壓力低、原油在海管中流速慢、停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等原因，A平臺(tái)至B平臺(tái)海管中出現(xiàn)了原油嚴(yán)重脫氣的現(xiàn)象，進(jìn)而使A平臺(tái)至B平臺(tái)、B平臺(tái)至FPSO海管中產(chǎn)生了嚴(yán)重的段塞流。

嚴(yán)重段塞流通常發(fā)生在海上油氣田生產(chǎn)的早期或末期，當(dāng)管道中流量較低時(shí)，由于立管段低凹處容易形成分層流，液體積聚在立管底部彎道處，堵塞了管內(nèi)氣體通過(guò)形成小液塞，液塞長(zhǎng)度越積越長(zhǎng)，甚至超過(guò)立管高度。在海底管道立管處產(chǎn)生段塞流有以下四個(gè)階段[2]：

階段一：液塞生長(zhǎng)階段。立管底部被液塞堵塞后，隨著立管液體回流及上游管線來(lái)流，液塞會(huì)向上游管線和立管兩個(gè)方向生長(zhǎng)，管道中壓力與立管中增長(zhǎng)液塞的靜壓頭和立管出口壓力之和保持平衡關(guān)系，管道中壓力與立管中液位都逐漸增加。當(dāng)液塞到達(dá)立管頂部時(shí)下一階段開(kāi)始。

階段二：液塞流出階段。隨著氣液流入，由于立管中靜壓頭已達(dá)最大值，上游氣體不再壓縮升壓，而是推動(dòng)液塞流出。在這個(gè)過(guò)程中，上游管道中壓力近似維持不變。當(dāng)液塞尾部到達(dá)立管底部時(shí)就進(jìn)入了階段三。

階段三：氣泡進(jìn)入立管階段。液體快速流出，當(dāng)液塞尾部到達(dá)立管底部時(shí)，氣體也會(huì)進(jìn)入立管并穿入液塞。這個(gè)作用以及同時(shí)進(jìn)行的液體從立管出口流出，會(huì)減少立管中的靜壓頭并使剩余的液體加速運(yùn)動(dòng)。早期進(jìn)入立管的氣體一般以彈狀流型運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)速度較慢。當(dāng)氣體到達(dá)立管頂部時(shí)階段四即開(kāi)始。

階段四：氣體噴出階段。在階段一中建立的管線中較高壓力此時(shí)會(huì)快速減小。這一階段開(kāi)始的氣體速度很大，但隨著管線壓力的下降氣體速度逐漸減小。初始的較高氣體流速會(huì)在立管中造成塊狀流型或環(huán)狀流型，然后還可能出現(xiàn)彈狀流型，氣彈速度較慢，最后一般是泡狀流。但是，當(dāng)氣體速度減少到足夠小時(shí)，液體會(huì)向下回流并在立管底部形成液封，新一輪嚴(yán)重段塞流周期又開(kāi)始了。

圖2 嚴(yán)重段塞流的形成過(guò)程

A平臺(tái)投產(chǎn)后，由于原油脫氣的影響，使A平臺(tái)至B平臺(tái)和B平臺(tái)至FPSO海管持續(xù)出現(xiàn)嚴(yán)重段塞流現(xiàn)象。嚴(yán)重段塞流不僅使海管外輸壓力產(chǎn)生較大波動(dòng)，還大大增加了流體在外輸過(guò)程中的管道壓降[3]。B平臺(tái)至FPSO海管管輸壓降由A平臺(tái)投產(chǎn)前的0.8MPa增至1.2MPa左右。由于外輸背壓升高，B、C、D平臺(tái)的外輸壓力水漲船高，不得不通過(guò)電潛泵降頻限產(chǎn)來(lái)降低壓力以滿足安全生產(chǎn)的要求。

3.2 A平臺(tái)至B平臺(tái)海管兩端立管內(nèi)液柱重力差

通過(guò)3.1的分析，可知A平臺(tái)海管中原油出現(xiàn)了嚴(yán)重的脫氣現(xiàn)象。與此同時(shí)，脫出的部分氣體并未全部隨液體進(jìn)入水平管段，而是不斷匯集到A平臺(tái)海管立管段的上部，從而出現(xiàn)了海管兩端立管內(nèi)液柱自重不等的情況。

（1）理想狀況下的油氣混輸

圖3 理想狀況下原油外輸情況

在理想的油氣混輸情況下，海管內(nèi)為均質(zhì)流體，所以整條管線油氣是均勻的，兩端立管段充滿液體，因此兩條立管內(nèi)液柱產(chǎn)生的重力相等。

設(shè)B平臺(tái)上岸壓力為P1，由管道摩阻產(chǎn)生的壓降為△P1，那么此時(shí)A平臺(tái)海管外輸壓力P=△P1+P1

（2）原油脫氣情況下的外輸工況

圖4 原油脫氣情況下的外輸工況

由于原油脫氣，部分氣體聚集在A平臺(tái)端立管的上部。原油密度遠(yuǎn)大于氣體密度，兩端立管內(nèi)會(huì)產(chǎn)生因液柱重力引起的壓差P”（其中，P”=（ρ油-ρ氣）gh），設(shè)此時(shí)由管道摩阻產(chǎn)生的壓降為△P2，那么A平臺(tái)海外輸管壓力P=P”+△P2+P1，而段塞流狀態(tài)下的△P2顯著大于理想狀態(tài)下的△P1[4]。

因此在段塞流增大外輸管道壓降和液柱重力差的影響下，A平臺(tái)海管外輸壓力遠(yuǎn)高于原油未脫氣狀態(tài)。

4 A平臺(tái)海管排氣改造

通過(guò)分析可知，導(dǎo)致段塞流和液柱重力差的原因來(lái)自A平臺(tái)海管中原油脫出的大量氣體。因此，只要消除氣體的影響就能解決問(wèn)題。但是，A平臺(tái)投產(chǎn)初期，產(chǎn)液量低，無(wú)法達(dá)到海管設(shè)計(jì)輸送量，要解決海管中原油脫氣現(xiàn)象發(fā)生，可通過(guò)摻水外輸和A平臺(tái)海管合理排氣兩種方案實(shí)現(xiàn)。摻水外輸方案需增加動(dòng)設(shè)備，費(fèi)用高，需要人員管理，且增加了FPSO的水處理壓力。綜合各方面因素，對(duì)A平臺(tái)選擇海管排氣方案，通過(guò)在原油進(jìn)入海管前將氣體部分排放這一方法來(lái)消除氣體的影響。

4.1 作業(yè)方案

根據(jù)A平臺(tái)原油容易脫氣這一特點(diǎn)，排氣點(diǎn)應(yīng)盡量選擇遠(yuǎn)離采油樹(shù)，在平臺(tái)下海管前的壓力表處連接3/8”O(jiān)D管將氣體泄放至閉排系統(tǒng)進(jìn)行冷放空，流程如圖5所示：

圖5 排氣改造方案示意圖

4.2 作業(yè)內(nèi)容

作業(yè)主要包括以下幾方面。先將海管和閉排罐的壓力表隔離泄壓，拆卸壓力表堵頭，同時(shí)檢查是否有原油滲漏。然后再開(kāi)始安裝3/8”O(jiān)D儀表管，此過(guò)程涉及到高空作業(yè)，作業(yè)時(shí)應(yīng)使用全身式安全帶。管線安裝遵循橫平豎直、布置合理、用料節(jié)約的原則。連接好管線后，要進(jìn)行試壓，檢查管線接頭有無(wú)泄漏。固定好儀表管線，最后恢復(fù)壓力表流程。

4.3 作業(yè)實(shí)施

4.3.1 隔離泄壓

作業(yè)開(kāi)始之前將壓力表的隔離閥關(guān)閉，打開(kāi)泄壓閥用廢油桶接住排出的原油，在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)到壓力表讀數(shù)為零時(shí)，拆下壓力表閥堵頭，加裝一個(gè)三通及隔離閥，回接壓力表。將閉排罐上冷放空管線進(jìn)行隔離、泄壓，并加裝一個(gè)三通和隔離閥。在此過(guò)程中要定期進(jìn)行可燃?xì)馓綔y(cè)，確保隔離閥完全關(guān)閉不會(huì)泄漏。

4.3.2 管線現(xiàn)場(chǎng)安裝

在三通閥處接一個(gè)球閥，再接3/8”O(jiān)D的儀表管。管線沿著上方的大管線走，做到橫平豎直。在高空作業(yè)時(shí)，要穿好全身式安全帶，掛鉤要高掛低用。并將儀表管用扎條固定在大的管線上，最后連接到閉排系統(tǒng)的冷放空管線上。確保管線接頭密封良好，準(zhǔn)備試壓。

4.3.3 試壓

在試壓前確保壓力表的泄壓閥已關(guān)閉，各個(gè)隔離閥也處于關(guān)閉狀態(tài)。試壓周?chē)酶綦x警示帶。無(wú)關(guān)人員遠(yuǎn)離試壓區(qū)域。

管線開(kāi)始試壓時(shí)，試壓人員嚴(yán)禁對(duì)著管線接口，站在側(cè)面，緩慢打開(kāi)壓力表的隔離閥，觀察壓力表壓力緩慢上升，保持壓力，在確認(rèn)壓降滿足管線試壓標(biāo)準(zhǔn)后，結(jié)束試壓。打開(kāi)隔離球閥，恢復(fù)流程，整理現(xiàn)場(chǎng)，關(guān)閉作業(yè)許可及相關(guān)作業(yè)單[5]。

5 改造后效果

5.1 B平臺(tái)海管外輸壓力明顯降低

通過(guò)排氣管線的加裝，在各平臺(tái)外輸量基本不變的情況下，B平臺(tái)海管外輸壓力有了明顯降低，由1.9MPa降至1.5MPa，B平臺(tái)至海洋石油FPSO的海管壓降由1.2MPa降至0.85MPa。下游背壓高的問(wèn)題得到了有效解決，D平臺(tái)生產(chǎn)井可以提頻至正常生產(chǎn)頻率，釋放了被壓縮的產(chǎn)能。

圖6 改造前后B平臺(tái)至FPSO壓降曲線

5.2 A平臺(tái)海管外輸壓力顯著降低，閉排泵恢復(fù)使用

改造后，A平臺(tái)海管外輸壓力明顯降低，由2.8MPa降至2.5MPa，A平臺(tái)至B平臺(tái)海管壓降由1.0MPa降至0.6MPa。閉排泵運(yùn)行噪音較小，流量正常，實(shí)現(xiàn)了正常使用。

圖7 A平臺(tái)8月海管外輸壓力曲線

圖8 改造前后A平臺(tái)至B平臺(tái)海管壓降曲線

5.3 海管壓力波動(dòng)情況得到改善

進(jìn)行排氣改造后，海管的壓力波動(dòng)情況得到良好改善，上下游各平臺(tái)外輸壓力穩(wěn)定。以D平臺(tái)為例，外輸背壓降低，波動(dòng)減小，生產(chǎn)平穩(wěn)。壓力波動(dòng)情況得以解決保證了各平臺(tái)安全平穩(wěn)生產(chǎn)。

圖9 安裝排氣管線后D平臺(tái)海管外輸壓力曲線

6 結(jié)論

（1）海洋平臺(tái)投產(chǎn)初期受產(chǎn)液量與管道設(shè)計(jì)不匹配及原油性質(zhì)等多方面影響，容易產(chǎn)生段塞流等情況。嚴(yán)重段塞流增大了長(zhǎng)輸管道的壓降，并對(duì)上下游管道和平臺(tái)造成間歇性沖擊，產(chǎn)生極大危害。

（2）對(duì)于脫氣嚴(yán)重的原油，可通過(guò)合理排氣來(lái)減弱甚至杜絕段塞流的產(chǎn)生，這給海上平臺(tái)投產(chǎn)初期段塞流的控制提供了一種新方法。

（3）用合理排氣來(lái)控制嚴(yán)重段塞流這一技術(shù)的運(yùn)用，提高了文昌油田群平臺(tái)生產(chǎn)井工況的穩(wěn)定性，有效釋放了油井的產(chǎn)能，提高了油田產(chǎn)量，降低了生產(chǎn)成本。

（4）在生產(chǎn)過(guò)程中要盡可能使海管工況保持穩(wěn)定，要徹底解決因嚴(yán)重段塞流引起管道及關(guān)聯(lián)設(shè)備的振動(dòng)和沖蝕問(wèn)題，還需進(jìn)一步進(jìn)行大量室內(nèi)模擬研究，形成可靠的段塞流綜合治理技術(shù)。

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