基于LedaFlow的深水海管清管模擬分析

王雪媛，劉培林，鞠朋朋，陳文峰，王東

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

1 前言

流動保障是海洋油氣開發(fā)尤其是深海油氣開發(fā)中的一個關(guān)鍵問題，它直接影響工程經(jīng)濟(jì)性和安全性。高壓、低溫深水環(huán)境使油氣在生產(chǎn)輸送過程中需要克服極大的阻力，管道內(nèi)易造成蠟、瀝青質(zhì)沉積和水合物的形成，嚴(yán)重時會堵塞管道。清管操作可以降低管線內(nèi)液體壓降、提高管道流通能力。清管不僅可以控制管道輸送系統(tǒng)的持液率、含蠟量、含砂量等，還可以對管道進(jìn)行維護(hù)和檢測，減小下游處理設(shè)備的尺寸，降低設(shè)備費(fèi)用。

LedaFlow是作為先進(jìn)的瞬態(tài)多相流模擬器，能夠模擬多相流在管道，油氣井以及設(shè)備中流動狀態(tài)，是基于流體動力學(xué)機(jī)理的瞬態(tài)模擬工具，可精確計(jì)算流體輸送過程中各類參數(shù)，涵蓋流動保障常見的問題。在這篇文章，使用新型多相流瞬態(tài)軟件LedaFlow模擬南海某油田蠟沉積后的清管操作，對清管過程中水下管匯處壓力、管線沿程流體流速、清管速度等參數(shù)進(jìn)行模擬分析，根據(jù)模擬結(jié)果給出清管操作建議流程及設(shè)計(jì)參數(shù)，從而為工程實(shí)際提供參考。

2 模擬基礎(chǔ)

南海某油田水深約420 m，采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)和浮式生產(chǎn)儲油裝置（FPSO）開發(fā)模式，水下生產(chǎn)系統(tǒng)共8口生產(chǎn)井，采用兩條環(huán)狀長23.1公里的海底管線進(jìn)行開發(fā)。海管管徑273.1 mm，壁厚19.1 mm，內(nèi)壁粗糙度0.05 mm，海管不設(shè)保溫層。選取該油田2020年作為典型年進(jìn)行案例分析，2020年該油田使用單海管運(yùn)行，最高操作壓力為76.12 bar，最大關(guān)井壓力95.3 bar。通常情況下，綜合考慮蠟沉積引起的管道壓力增加（一般為200kPa）和蠟沉積最大厚度（一般為2 mm）確定管道的清管周期，前期使用LedaFlow軟件模擬計(jì)算得該油田得除蠟周期如表2-1所示。

表2-1 目標(biāo)油田建議的除蠟周期

3 海底管道清管模擬分析

基于2020年蠟沉積從0到2 mm的時間，建議將清管周期定為15天，但根據(jù)過去的經(jīng)驗(yàn)，在生產(chǎn)初期，尤其是前幾次清管操作時，清管期應(yīng)為一周或者更短。

采用環(huán)狀清管方式，由FPSO進(jìn)行收發(fā)球作業(yè)，清管路由如圖3-1所示，清管總長度約46公里。使用LedaFlow清管模型中的默認(rèn)參數(shù)模擬2020年清管過程中水下管匯處的工作壓力、管線沿程壓力、清管速度等參數(shù)。不停產(chǎn)清管使用生產(chǎn)流體置換，該油田置換泵的排量為150 m3/h。首先，清管器發(fā)射之前關(guān)閉油井，采用150 m3/h的生產(chǎn)水驅(qū)動清管器前進(jìn)，在此過程中，水下管匯處的壓力變化及清管速度如圖3-2所示。

圖3-1 清管路由

從圖3-2中可以看出，清管過程中水下管匯處的最高壓力約為61.26 bar，低于最高操作壓力76.12 bar，清管速度穩(wěn)定在1.03 m/s，清管時長約12.7 h。該清管方式對海底管道及水下管匯沒有超壓的風(fēng)險(xiǎn)，但需要長期關(guān)井，停輸時間過長會導(dǎo)致管道降溫，在后期開井再啟動過程中還會面臨水合物等風(fēng)險(xiǎn)。

圖3-2 2020年關(guān)井狀態(tài)下清管速度及管匯壓力變化

圖3-2 2020年關(guān)井狀態(tài)下清管速度及管匯壓力變化

因2020年采用單管生產(chǎn)，清管操作不影響生產(chǎn)，保持生產(chǎn)井正常生產(chǎn)，減少開關(guān)井操作，注生產(chǎn)水驅(qū)動清管器前進(jìn)。在此過程中，水下管匯處的壓力變化及清管速度如圖3-3所示。圖3-3顯示水下管匯處的壓力峰值達(dá)102.5 bar，超過最大關(guān)井壓力95.3 bar，平均壓力也在92 bar，遠(yuǎn)超最大工作壓力76.12 bar，當(dāng)清管器進(jìn)入到生產(chǎn)海管后，因生產(chǎn)油及生產(chǎn)水的共同推動，清管速度升高至2.5 m/s。

因此對于該油田，由于管線距離長，清管操作時如果不減產(chǎn)，輸送量和水下管匯壓力會同時超過最高值。在不改變模型默認(rèn)參數(shù)的情況下，通過改變生產(chǎn)水流量，控制井口產(chǎn)量等參數(shù)對水下管匯處的峰值壓力及壓降進(jìn)行敏感性分析。

表3-1清管敏感性分析

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，通常情況下，會選擇先降低井口產(chǎn)量，利用平臺生產(chǎn)水驅(qū)動清管器前進(jìn)，當(dāng)清管器通過水下管匯之后，關(guān)閉生產(chǎn)水泵并將井口產(chǎn)量增至配產(chǎn)數(shù)據(jù)，使用生產(chǎn)物流驅(qū)動清管器前進(jìn)。根據(jù)表3-1，當(dāng)井口產(chǎn)量控制在配產(chǎn)數(shù)據(jù)的50%時，水下管匯處的峰值壓力可以降致最高操作壓力以下。綜合以上結(jié)果，建議選擇0.5倍的初始流量和150 m3/h的生產(chǎn)水量，在約6.4小時后關(guān)閉生產(chǎn)水泵，恢復(fù)井口產(chǎn)量，清管速度及水下管匯壓力變化如圖3-4所示。水下管匯處的最高壓力為77.69 bar，清管速度為1.0～1.8 m/s。

圖3-4 根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況模擬的清管速度及管匯壓力變化

除蠟時建議使用彈性清管器，但泡沫清管器必須首先用于測試管線的通過性。考慮到蠟的黏度通常較高，蠟塞的壓降可能太高，無法在流道中輸送，因此可以使用bypass清管器，以防止形成大蠟塞。在除蠟過程中，由于蠟塞會被從清管器泄漏的液體稀釋，因此蠟塞不會形成堅(jiān)固厚實(shí)的堵塞。但是，并不需要過多的旁路，因?yàn)檫@可能會導(dǎo)致過多的流體繞過清管器，清管器的速度過慢，甚至?xí)骨骞芷骼г诠艿乐?。?dāng)蠟塞到達(dá)FPSO時，應(yīng)通過3英寸的沖洗管將清管器上的水或油與清管器上的蠟塞分開，以避免蠟塞堵塞清管器[1]。

4. 結(jié)論

使用LedaFlow瞬態(tài)軟件對深水油田海底管道進(jìn)行清管操作模擬，模擬主要考慮了水下中央管匯處的壓力變化。與現(xiàn)場實(shí)際情況相結(jié)合，通過降低開始的配產(chǎn)流量和清管器的驅(qū)動水流量，可以明顯減少管道中的積液量和水下管匯處的壓力。在此給出建議的清管策略，選擇0.5倍的配產(chǎn)流量以及150 m3/h的注水流量，在約6.4小時后關(guān)閉生產(chǎn)水泵，恢復(fù)井口流量，使用生產(chǎn)水驅(qū)動清管器達(dá)到清管器接收閥。