海上油田項目海水過濾系統(tǒng)堵塞原因及解決方法

胡冠濤，劉富有

中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300450

某海上油田項目共新建3座平臺，包括2座井口平臺和1座中心平臺，這3座平臺的海水系統(tǒng)均配置了常規(guī)的過濾系統(tǒng)。項目投產(chǎn)后，操作人員多次反映海水過濾器出現(xiàn)堵塞工況，鉆機模塊柴油發(fā)電機組因此多次出現(xiàn)冷卻水不足并險些停機的狀況。結(jié)合海上作業(yè)方描述，并參考組塊設(shè)計方和鉆機模塊設(shè)計方出具的設(shè)計圖紙，文章通過對組塊設(shè)計參數(shù)的分析，采取現(xiàn)場實驗等措施，破解了項目海水過濾系統(tǒng)堵塞的原因，并提出了有效的解決方法。

1 組塊的設(shè)計規(guī)格分析

1.1 海水系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)

該項目新建的2座井口平臺及后續(xù)平臺均為標(biāo)準(zhǔn)化平臺，海水系統(tǒng)主要設(shè)備如下。

（1）海水提升泵（工頻運行）：數(shù)量為3臺，其中P-4001流量為360m3/h，P-4002A/B流量為180m3/h，共計720m3/h。

（2）電動消防泵：數(shù)量為1臺，作為備用，流量為600m3/h。

（3）海水系統(tǒng)過濾設(shè)備：包括1臺自動反沖洗粗過濾器F-4001A，處理能力為360m3/h；1臺籃式濾器F-4001B，作為備用，處理能力為360m3/h。

1.2 海水系統(tǒng)設(shè)計流量

該海上油田項目中2座井口平臺海水系統(tǒng)用戶主要包括生活污水處理裝置、消防系統(tǒng)、供應(yīng)站、鉆機模塊方及電解銅鋁裝置等，各用戶需求量及設(shè)計工況如表1所示。

表1 兩井口平臺海水系統(tǒng)主要用戶

由表1可知，組塊主要的海水需求方為鉆機模塊，且該模塊對海水系統(tǒng)的需求量隨其工況變化而變化。

2 鉆機模塊的設(shè)計規(guī)格

中心平臺鉆機模塊設(shè)計方的PID水量需求如表2所示。

表2 中心平臺水量需求

鉆機模塊主要海水用戶為柴油發(fā)電機、泥漿罐、固井單元和空壓機，具體需求量其PID中沒有更詳細(xì)的描述。其海水系統(tǒng)的控制元件僅在空壓機換熱器下游設(shè)置了TV閥門對海水換熱溫度進行控制，在柴油發(fā)電機上游設(shè)置了PV閥對海水入口壓力進行控制。其他如泥漿罐及固井單元因?qū)Ｋ臏囟葔毫Φ葏?shù)無具體要求，未對海水系統(tǒng)進行任何自動控制。

3 海水過濾器堵塞的現(xiàn)狀

該過濾系統(tǒng)工作過程中的主要異常癥狀為自動反沖洗濾器出現(xiàn)高壓差，反沖洗模式啟動，且由于壓差一直保持較高狀態(tài)，最高時竟達300kPa，自動反沖洗濾器頻繁進行反沖洗，但濾器壓差始終保持在300kPa左右，時間一度長達十多分鐘。由于鉆井發(fā)電機冷卻水（海水）失壓，發(fā)電機溫度迅速升高。當(dāng)現(xiàn)場人員迅速打開粗濾器，自動反沖洗濾器的壓差開始緩慢下降，鉆井發(fā)電機冷卻水（海水）壓力逐步恢復(fù)正常，發(fā)電機溫度開始下降恢復(fù)平穩(wěn)。不久，自動反沖洗濾器又開始出現(xiàn)高壓差開始頻繁反沖洗，但是壓差依舊保持在300kPa，現(xiàn)場粗濾器壓差也高達300kPa，這導(dǎo)致鉆井發(fā)電機再次出現(xiàn)溫度上升現(xiàn)象。

現(xiàn)場多次排查流程無誤后發(fā)現(xiàn)，鉆井正在使用海水配泥漿，造成海水使用量增大，過濾器過濾效果變得很差。該用戶暫時停用海水，隨后海水濾器恢復(fù)正常，鉆井發(fā)電機冷卻水（海水）壓力恢復(fù)正常。

根據(jù)上述問題，經(jīng)過研究，初步判斷可能是粗濾器堵塞造成壓差過高。技術(shù)人員對粗濾器進行拆卸后發(fā)現(xiàn)，濾器并沒有堵塞，濾網(wǎng)很干凈，進而判斷是濾網(wǎng)目數(shù)太大引起。為了驗證，對其進行回裝，將粗濾器進行投用，隔離自動反沖洗濾器，發(fā)現(xiàn)使用半小時后濾器再次出現(xiàn)高壓差，鉆井發(fā)電機冷卻水（海水）壓力下降，發(fā)電機溫度升高。

由此判斷，造成壓差過高的原因是濾網(wǎng)目數(shù)太大，過濾效果不能滿足平臺海水用戶的使用需求。此后發(fā)現(xiàn)每次鉆井使用海水配泥漿時，多次發(fā)生這種情況。因為鉆井發(fā)電機缺少冷水（海水）會導(dǎo)致發(fā)電機在幾分鐘內(nèi)因高溫而自動停機，所以鉆井發(fā)電機一旦停機失去供電動力就會引起卡鉆，從而造成重大事故。

4 海水過濾器堵塞原因

根據(jù)作業(yè)方的反饋，項目組和設(shè)計方對其描述的內(nèi)容進行了細(xì)致的分析，初步判斷為鉆機方使用海水配置泥漿時并未告知組塊方啟動相應(yīng)的海水泵，導(dǎo)致鉆機模塊各系統(tǒng)內(nèi)海水需求未按設(shè)備重要性進行分配，最終使柴油發(fā)電機因冷卻水不足而發(fā)出高溫警報。

同時，結(jié)合作業(yè)方的記錄文件，鉆井期間有一大一小2臺海水泵共計540m3/h水量連續(xù)供應(yīng)到整個平臺的海水管網(wǎng)系統(tǒng)。但此時540m3/h的海水量已經(jīng)超過海水濾器（單臺）單臺360m3/h的設(shè)計處理能力，也同時超過了海水濾器（單臺）要求的20%額外的過流面積，即單臺理論上的最大處理能力為432m3/h，這個流量也遠低于一大一小2臺海水泵運轉(zhuǎn)時即540m3/h的流量。

海水濾器的管線及其設(shè)備能力對輸送至海水系統(tǒng)下游的流量帶來了一定的影響，與之相對應(yīng)的，海水濾器對上游海水泵起到了憋壓的作用，即提升了一定的背壓。因井口平臺的海水泵為非變頻離心泵，結(jié)合離心泵的特性，其Q-H性能曲線為泵所固有并不受外界影響。泵出口壓力提高會導(dǎo)致其流量降低，海水系統(tǒng)的壓力也會相應(yīng)提高。海水系統(tǒng)的PV閥門為了穩(wěn)定海水系統(tǒng)的壓力（PV閥門布置在濾器和海水泵之間）會排出更多的海水來穩(wěn)定系統(tǒng)。如此周而復(fù)始，會導(dǎo)致海水系統(tǒng)的流量和壓力長時間處于波動狀態(tài)，水量不平衡加劇后，濾器壓差越大，通過PV閥排海的水量越多，進入海水系統(tǒng)下游的水量越少，若此時自動反沖洗濾器頻繁反洗，則進入下游需求用戶的海水量會更少，進而惡性循環(huán)。

綜上分析，造成該項目海水濾器堵塞及下游水量不夠的根本原因是供給量、過濾裝置、下游需求用戶三個單元的實際作業(yè)能力不匹配，即海水供給量（上游）、海水濾器過濾量（通路）、鉆機模塊海水需求量（下游）三者未匹配，一旦中間出現(xiàn)瓶頸就會造成惡性循環(huán)最終影響整個海水系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5 海水濾器堵塞的解決方法

若無法使海水水量和過流面積相匹配，即使調(diào)整濾芯的目數(shù)也不能完全解決頻繁堵塞的工況。在此情況下，解決此種類型海水濾器堵塞的方法如下：（1）根據(jù)自然環(huán)境條件（如大浪、潮汐波峰波谷期間）和下游需求情況，優(yōu)化自動反沖洗的反洗周期及設(shè)定條件；（2）建議鉆機方配置泥漿時隨即啟動另一臺180m3/h的海水泵，并打開備用的濾器；（3）待泥漿配備完成后，再關(guān)閉備用濾器并根據(jù)壓差情況清洗濾芯。

為驗證該解決方案的有效性，項目組對該整體系統(tǒng)運行進行了流程優(yōu)化，對自動反沖洗周期及條件進行了按需設(shè)置，同時建議鉆井方按照工作實際，采取增加設(shè)備、啟動備用泵等多種措施，對海水泵和海水濾器進行一對一的配置，使水量和過流面積相匹配。調(diào)整后，經(jīng)過10d的試運行，從后臺發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的自動反沖洗壓差統(tǒng)計未見異常，也未出現(xiàn)井口平臺頻繁堵塞的工況。

6 結(jié)論

綜上所述，在研究中筆者發(fā)現(xiàn)海水供給量、海水濾器過濾量、鉆機模塊海水需求量這三個單元存在較為復(fù)雜且動態(tài)的、相互匹配的關(guān)系。這三者無法在實際項目實施中得到充分平衡，這是導(dǎo)致該項目海水過濾系統(tǒng)阻塞的主要原因。同時，海洋環(huán)境水體的不確定性也為尋求具體癥結(jié)造成了一定困難。在現(xiàn)場實際操作過程中，需要以全面系統(tǒng)的眼光對多方需求進行靈活辨識和調(diào)整，從而避免海水濾器阻塞的情況發(fā)生同時，保障各作業(yè)單元設(shè)備的良好運行。