氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)流動(dòng)性保障技術(shù)研究

＊羅秀鵬

（中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司 廣東 518067）

在深水氣田開發(fā)中會(huì)遇到天然氣水合物、嚴(yán)重段塞流及凝管、積液等問題，深水管道流動(dòng)保障研究的主要目的是分析各種生產(chǎn)工況下海底天然氣輸送管道內(nèi)的溫度、壓力、氣液相流量、積液量的變化規(guī)律，從而為預(yù)測(cè)海管運(yùn)行參數(shù)的變化，制定合理的海管運(yùn)行方案，研究保障管路系統(tǒng)流動(dòng)安全的技術(shù)措施，防止管道內(nèi)生成水合物提供重要的理論依據(jù)。結(jié)合深水油氣輸送管道的介質(zhì)物性、輸送壓力、溫度、地形起伏特點(diǎn)，開發(fā)出適應(yīng)深水海管實(shí)際情況的流動(dòng)保障分析系統(tǒng)。通過將核心模塊進(jìn)行集成和整合，即可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)所需的功能。

1.深水氣田水合物形成條件預(yù)測(cè)模型及軟件模塊應(yīng)用

深水氣田在井口節(jié)流和海底管道輸送氣液兩相流體過程中面臨著水合物生成與防治的問題。為了保證油氣介質(zhì)的最高壓力不超過水下生產(chǎn)設(shè)施的最大承壓能力，在工程設(shè)計(jì)中采用氣嘴進(jìn)行節(jié)流調(diào)壓，過低的節(jié)流后溫度導(dǎo)致節(jié)流管嘴處形成水合物，有必要建立天然氣水合物形成條件預(yù)測(cè)模型，對(duì)模型進(jìn)行求解，以判斷氣嘴節(jié)流后和海底管道工作的熱力學(xué)條件是否處于水合物生成區(qū)域內(nèi)。

(1)水合物形成機(jī)理

在深水氣田海管流動(dòng)過程中，由于井筒與深海底部低溫海水的傳熱作用，油氣混合物在泥線以上溫度下降較快。在節(jié)流過程中，節(jié)流壓降所帶來(lái)的溫降效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致油氣混合物的溫度進(jìn)一步降低。若油氣混合物所處的溫度、壓力狀態(tài)滿足了水合物形成的溫度、壓力條件，就有可能在海管和處理裝置中形成水合物，造成設(shè)備堵塞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)危害到設(shè)備的安全運(yùn)行。

(2)深水氣田水合物形成條件計(jì)算程序編制與應(yīng)用

程序概況：本模塊由4個(gè)核心子模塊組成，分別是數(shù)據(jù)輸入模塊、物性參數(shù)計(jì)算模塊、相態(tài)計(jì)算模塊、水合物生成條件計(jì)算模塊。

(3)深水天然水合物生成預(yù)測(cè)軟件模塊

以上述理論研究成果為基礎(chǔ)，采用Visual Studio 2013-C#程序開發(fā)語(yǔ)言，開發(fā)了深水天然氣水合物計(jì)算軟件模塊。計(jì)算界面如圖1。

圖1 天然氣水合物形成條件計(jì)算軟件模塊

2.深水氣田節(jié)流數(shù)學(xué)模型應(yīng)用

(1)節(jié)流閥流通能力計(jì)算模型

過節(jié)流閥的壓力分布如圖2所示。其壓力p對(duì)應(yīng)的下標(biāo)依次表示油嘴上游段、油嘴喉部段，油嘴下游段。通過研究節(jié)流閥上游壓力、溫度和喉道截面積之間的關(guān)系可以建立用于計(jì)算節(jié)流閥流通能力的數(shù)學(xué)模型。

圖2 節(jié)流閥示意圖

(2)節(jié)流溫降模型求解

Step1：輸入氣液相組分，節(jié)流前溫度、壓力和節(jié)流后的壓力。

Step2：根據(jù)氣液相組分和節(jié)流前的溫度、壓力參數(shù)，計(jì)算節(jié)流前的氣液相組分與質(zhì)量分率；計(jì)算節(jié)流前氣液相的焓值、密度、總焓值等物性參數(shù)。

Step3：估算節(jié)流后的溫度，根據(jù)氣液相組分和節(jié)流后的溫度、壓力參數(shù)，計(jì)算節(jié)流后的氣液相組分和質(zhì)量分率、節(jié)流后氣液相的焓值、密度、總焓值等物性參數(shù)。

Step4：比較節(jié)流前與節(jié)流后總焓值的大小，若H1＞H2，則調(diào)高節(jié)流后的估算溫度，返回步驟2；若H1＜H2，則調(diào)低節(jié)流后的溫度，返回Step3；若＜0.2，則輸出結(jié)果，計(jì)算結(jié)束。

(3)深水氣田節(jié)流計(jì)算程序編制與應(yīng)用

本模塊由5個(gè)核心子模塊組成，分別是數(shù)據(jù)輸入模塊、物性參數(shù)計(jì)算模塊、相態(tài)計(jì)算模塊、流通能力計(jì)算模塊和節(jié)流溫降模塊。

(4)深水天然氣節(jié)流計(jì)算軟件模塊

根據(jù)以上理論研究成果，在深水氣田海管流動(dòng)保障分析系統(tǒng)軟件的整體平臺(tái)框架下，開發(fā)了深水天然氣節(jié)流計(jì)算軟件模塊，軟件模塊界面如圖3所示。

圖3 深水天然氣節(jié)流計(jì)算軟件模塊

3.X-1氣田流動(dòng)保障研究

(1)建立X-1氣田投產(chǎn)模擬模型

建立X-1氣田投產(chǎn)模擬模型，如圖4所示。X-1氣田采用水下井口生產(chǎn)，三口生產(chǎn)井通過跨接管連接，井口生產(chǎn)的油、氣、水通過海底管道輸送至中心平臺(tái)進(jìn)行處理。

圖4 X-1氣田的仿真模型

(2)X氣田溫度壓力分析

以A1井為例，氣嘴開啟后，流體通過氣嘴進(jìn)入管道，最終到達(dá)平臺(tái)。X-1-A1管匯至平臺(tái)的油氣水混輸管道出口的溫度、壓力變化曲線如圖5所示。

從壓力變化曲線可以看出，管道內(nèi)初始?jí)毫?.6MPa；打開氣嘴后，管道內(nèi)壓力逐漸升高，并在3h內(nèi)上升到11.4MPa；隨后，平臺(tái)管道出口閥門開啟，經(jīng)過閥門的調(diào)壓作用，流體進(jìn)入平臺(tái)處理設(shè)備，出口壓力穩(wěn)定在11.4MPa。

從溫度變化曲線可以看出：

①在氣嘴打開后3h內(nèi)，出口溫度逐漸升高，直至海管壓力達(dá)到11.4MPa。這是海管內(nèi)充入的氮?dú)獗痪矁?nèi)流出的高壓流體壓縮后溫度升高所導(dǎo)致的。

②海管壓力達(dá)到11.4MPa后，開啟海管出口閥門，被壓縮的流體立即流出管道；隨后，管道內(nèi)經(jīng)過節(jié)流的低溫流體流出管道，出口溫度降低，并逐漸趨于穩(wěn)定，維持在14.7℃。

根據(jù)圖5可知，當(dāng)生產(chǎn)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后，海管出口有生成天然氣水合物的風(fēng)險(xiǎn)，需要注入水合物抑制劑進(jìn)行防治。

圖5 平臺(tái)管道出口溫度壓力曲線

(3)X-1低輸量條件下生產(chǎn)系統(tǒng)流動(dòng)安全性分析

模擬了多種管道輸量下，管道對(duì)應(yīng)的積液量和平衡時(shí)間，如表1所示。隨著流量的增加，管道積液量逐漸減小，平衡時(shí)間逐漸縮短。

表1 不同輸量對(duì)應(yīng)管道的積液情況

續(xù)表

(4)生產(chǎn)系統(tǒng)最低輸量的確定

X-1氣田在中心平臺(tái)的段塞流捕集器最大處理能力為58方，結(jié)合表1和X-1氣田生產(chǎn)系統(tǒng)最低輸量確定原則，當(dāng)輸量為13萬(wàn)方/天時(shí)，管道總積液量為51方，對(duì)應(yīng)的平衡時(shí)間為51h，均滿足X-1氣田生產(chǎn)系統(tǒng)最低輸量確定原則；當(dāng)輸量降至12萬(wàn)方/天時(shí)，管道總積液量為53方，管內(nèi)積液在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，未達(dá)到平衡。因此，建議X-1氣田不同開井組合工況下的天然氣流量應(yīng)不低于13萬(wàn)方/天。

4.技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

（1）考慮到深水天然氣輸送管道面臨的投產(chǎn)、提產(chǎn)、停運(yùn)等多種復(fù)雜工況，以及在此工況下壓力、溫度、流量不斷變化的特點(diǎn)，創(chuàng)建了用于模擬管道運(yùn)動(dòng)參數(shù)動(dòng)態(tài)變化的氣液兩相混輸管道雙流體模型，采用有限體積法求解模型；開發(fā)了深水天然氣管道穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)仿真模塊，為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)管道內(nèi)的壓力、溫度、流量分布奠定了理論基礎(chǔ)。

（2）針對(duì)深水天然氣管道內(nèi)容易生成水合物，且水合物生成條件與管道運(yùn)行參數(shù)緊密聯(lián)系的問題，創(chuàng)建了用于預(yù)測(cè)天然氣水合物生成條件的統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)模型；通過將該模型與氣液兩相管流模型的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)深水管道內(nèi)水合物生成風(fēng)險(xiǎn)的準(zhǔn)確評(píng)估。

（3）以理論研究成果為基礎(chǔ)，以Visual Studio 2013-C#程序語(yǔ)言、Microsoft Access 2010數(shù)據(jù)庫(kù)和Microsoft.Net FrameWork4.0為平臺(tái)，開發(fā)了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的深水管道流動(dòng)保障分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)深水管道內(nèi)壓力、溫度、氣液相流量和水合物生成風(fēng)險(xiǎn)的綜合評(píng)估，并提出針對(duì)性的水合物風(fēng)險(xiǎn)防控措施。

5.實(shí)際應(yīng)用情況

(1)X氣田應(yīng)用效果

①模型化設(shè)置。建立X水下氣田投產(chǎn)模擬模型，模型中元件對(duì)應(yīng)現(xiàn)實(shí)元件，直觀清晰。

②有效預(yù)測(cè)水合物。計(jì)算了油嘴開啟初期和生產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定兩個(gè)階段的水合物生成的壓力溫度條件，操作人員根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)能夠預(yù)測(cè)水合物的生成時(shí)間地點(diǎn)，及時(shí)調(diào)整優(yōu)化參數(shù)，保證生產(chǎn)安全。

③定量計(jì)算化學(xué)藥劑。通過軟件計(jì)算出甲醇或乙二醇與水組分的質(zhì)量，然后根據(jù)公式，在滿足水合物生成溫度低于實(shí)際操作溫度的條件下，定量計(jì)算出甲醇和乙二醇的注入速度。因此，現(xiàn)場(chǎng)可以不按照設(shè)計(jì)要求注入，而是根據(jù)實(shí)際參數(shù)來(lái)調(diào)整優(yōu)化注入量。經(jīng)過軟件測(cè)算和不斷總結(jié)操作經(jīng)驗(yàn)對(duì)重新開井甲醇注入量進(jìn)行優(yōu)化；重新開X-1/2氣田，復(fù)產(chǎn)開井時(shí)間和甲醇消耗量大為減少，X-1氣田比設(shè)計(jì)上降低了62.2%，長(zhǎng)期關(guān)停后冷啟動(dòng)單次開井費(fèi)用可節(jié)約24萬(wàn)元，短關(guān)停熱啟動(dòng)單次開井費(fèi)用可節(jié)約37萬(wàn)元；X-2氣田比設(shè)計(jì)上降低了84.2%，長(zhǎng)期關(guān)停后冷啟動(dòng)單次開井費(fèi)用可節(jié)約44萬(wàn)元，短關(guān)停熱啟動(dòng)單次開井費(fèi)用可節(jié)約41萬(wàn)元。

④提高低輸量的安全性。根據(jù)開井方案，建立低輸量模型，模擬了低產(chǎn)量下海管積液量和平衡時(shí)間?，F(xiàn)場(chǎng)操作人員能夠提前進(jìn)行甲醇和乙二醇的存儲(chǔ)調(diào)撥，也能夠有效預(yù)估在提產(chǎn)時(shí)平臺(tái)處理段塞的能力，有效保證安全平穩(wěn)生產(chǎn)。特別是在臺(tái)風(fēng)模式低產(chǎn)量生產(chǎn)時(shí)，更能體現(xiàn)其重大意義。

(2)B氣田應(yīng)用情況

在發(fā)生意外關(guān)停時(shí)，原設(shè)計(jì)方案需要在十幾分鐘內(nèi)泄壓到4MPa，如果超出這個(gè)時(shí)間未降到指定壓力以下，會(huì)因?yàn)榈蜏?、高壓形成天然氣水合物，但在?shí)際操作中發(fā)現(xiàn)瞬時(shí)放空量超過了火炬系統(tǒng)泄放能力，很難在指定時(shí)間內(nèi)泄壓，通過本軟件計(jì)算后，得到在海床各不同溫度情況下的操作指導(dǎo)，即：

①在海床溫度為15℃并且未添加水合物抑制劑時(shí)，水合物形成壓力為5.43MPa，所以需要在68min內(nèi)泄壓至5.43MPa；②在海床溫度為17℃并且未添加水合物抑制劑時(shí)，水合物形成壓力為7.29MPa，所以需要在92min內(nèi)泄壓至7.29MPa；③在海床溫度為19℃并且未添加水合物抑制劑時(shí)，水合物形成壓力為10.22MPa，所以需要在200min內(nèi)泄壓至10.22MPa。

這大大增加了現(xiàn)場(chǎng)的可操作性，也在后續(xù)實(shí)際應(yīng)用過程中，驗(yàn)證了這一結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時(shí)，給出了“開井操作程序”“計(jì)劃關(guān)停和應(yīng)急關(guān)停相應(yīng)”“井筒停輸溫降分析”“海管停輸溫降分析”“計(jì)劃停輸甲醇注入量”“泄壓?jiǎn)栴}”“單井生產(chǎn)分析”“海管最低輸量”“海管積液量和持液率分析”等極具操作性的分析，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工作。

6.結(jié)論

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展對(duì)天然氣需求量的快速增加，我國(guó)的深水天然氣田開發(fā)必然會(huì)進(jìn)入到快速發(fā)展階段，而深水管道是將采出天然氣進(jìn)行外輸?shù)挠行侄巍Ｓ捎诓捎昧爽F(xiàn)代軟件工程開發(fā)技術(shù)，該軟件具有較好的擴(kuò)展性，通過進(jìn)一步研究，還可以將水下分離模塊、水下增壓模塊、清管分析模塊引入到該軟件中，進(jìn)一步豐富該軟件的實(shí)際功能，擴(kuò)展其適用范圍，同時(shí)也可以進(jìn)一步推廣到其他油氣混輸管道的流動(dòng)保障分析之中，具有十分廣闊的應(yīng)用前景和推廣應(yīng)用價(jià)值。