海底長距離濕氣管線清管流動規(guī)律及方案優(yōu)化

王鴻雁， 邱云河， 李振靜

(青島科技大學(xué) 機電工程學(xué)院， 山東 青島 266061)

0 引 言

清管作業(yè)根據(jù)不同工況可采用水力清管和清管器清管，目的是清除管線內(nèi)積液、積蠟、銹蝕物，提高管線輸送效率[1]。在海上油氣田的概念設(shè)計、可行性研究、詳細(xì)設(shè)計、運行管理的每個環(huán)節(jié)，清管作業(yè)均是工程師重點考慮的問題[2]。其可能存在的問題在于：在清管作業(yè)中產(chǎn)生的清管段塞會阻礙運行管線內(nèi)流體的流動，易引起管內(nèi)流體的持液率和壓力產(chǎn)生較大波動，進(jìn)而誘發(fā)管道疲勞失效、輸送效率降低等情況[3-5]；清管器速度直接關(guān)系到清管器和收球端設(shè)備運行情況，過高的清管器速度可能引起清管設(shè)備的卡堵或損壞[6]。因此，針對油氣田進(jìn)行清管作業(yè)研究十分必要。

張文欣等[7]針對清管段塞的控制問題，提出維持高輸氣量、采用水力清管、提高清管頻率等3種方案，采用風(fēng)險分析和數(shù)值模擬方法確立具有操作靈活、風(fēng)險低的區(qū)域引氣吹掃方法。陳星杙等[8]針對清管時管線內(nèi)參數(shù)不穩(wěn)定的問題，基于Minami清管模型，建立瞬態(tài)清管模型，得到積液量、持液率、立管底部壓力等參數(shù)的變化規(guī)律。

本文在前人工作的基礎(chǔ)上進(jìn)行深入研究，針對某氣田，基于OLGA軟件[9]建立3口井集輸管線模型，模擬水力清管時不同輸量下管線入口壓力和管線內(nèi)積液變化規(guī)律，模擬清管器清管時不同輸量下的管線入口壓力、清管器速度、管線出口累積液量的變化規(guī)律，制定合理的清管方案，為該氣田清管作業(yè)高效執(zhí)行提供有力指導(dǎo)。

1 氣田概述

該氣田涉及3口井，產(chǎn)出物通過水下采油樹經(jīng)由各自跨接管(總長為40 m)至集中管匯，通過一條直徑為10英寸(1英寸=0.025 4 m)、長度為7 km的海底混輸管線回接至海上中心平臺。海上中心平臺通過水下光纖臍帶纜與水下控制模塊連接，從而實現(xiàn)對3口井的操作控制。該氣田在未來幾年的預(yù)測數(shù)據(jù)如表1～表3所示。

表1 3口井溫度、壓力和流量

表2 氣田凝析油性質(zhì)

表3 氣田天然氣的體積分?jǐn)?shù)

2 水力清管數(shù)值模擬

在油氣田投產(chǎn)初期或生產(chǎn)末期，輸量較低，為1.0×105～2.0×105m3/d，在該輸量條件下的清管作業(yè)易在管道出口引起大液塞情況。為解決該問題，需選取更大規(guī)格的段塞流捕集器，但這會提高生產(chǎn)成本。對此，可先進(jìn)行水力清管，使管線內(nèi)積液量下降，然后開展清管器作業(yè)。

水力清管主要通過提高入口輸量的方法減少管線內(nèi)積液量。利用OLGA模擬軟件，基于該氣田低輸量生產(chǎn)工況，研究不同入口輸量對管線入口壓力的影響以及提高多少輸量對減少管線內(nèi)積液量效果最明顯，確定最優(yōu)吹掃方案。

模擬設(shè)置：在2.0×105m3/d的輸量下，平穩(wěn)運行2 h,10 min內(nèi)將輸量分別提升至2.4×105m3/d、2.8×105m3/d、3.2×105m3/d、3.6×105m3/d、4.0×105m3/d。

2.1 入口壓力變化規(guī)律

如圖1所示：在不同輸量下，管線入口壓力曲線的變化趨勢大致相同；管線輸量增大可使入口壓力增大。此外，入口壓力變化具有2個階段。第一階段：隨著時間延長，入口壓力達(dá)到小峰值后小幅減小并達(dá)到平衡。在此階段，隨著壓力增大，氣體彈性勢能增大，導(dǎo)致壓力和輸量的變化受阻。同時，輸量提升帶來的能量和氣體慣性使壓力和輸量不受氣體彈性勢能的影響而繼續(xù)增大。這就造成在壓力增大的過程中，氣體一直處于壓縮狀態(tài)。一旦壓力達(dá)到峰值，氣體的彈性勢能達(dá)到最大，導(dǎo)致氣體膨脹效應(yīng)[9]，因此壓力在一定范圍內(nèi)小幅減小。第二階段：壓力產(chǎn)生新的峰值，隨后發(fā)生下降，達(dá)到再次平衡。造成這種現(xiàn)象的原因是，在第一階段短時間內(nèi)壓力上升，積液累積在立管底部會阻礙流體流動，進(jìn)而使入口壓力增大，造成二次峰值。隨著立管底部積液的減少，入口壓力再次進(jìn)入平衡階段，這一過程將一直持續(xù)到水力清管結(jié)束。

圖1 不同輸量下入口壓力變化

2.2 管線內(nèi)積液變化規(guī)律

如圖2所示，在不同輸量下，積液量始終遵循先大幅下降，然后變化幅度變緩，再實現(xiàn)新的平衡的變化規(guī)律，輸量對管線內(nèi)積液量具有反向作用。造成這種現(xiàn)象的原因是輸量增大使氣體流動速度提高，由于氣體與液體存在相間水力摩阻，因此液體流速加快，氣體攜帶著液體流出，管線內(nèi)積液量逐漸減少[10]。但是，當(dāng)輸量較小(如2.4×105m3/d)時，管線內(nèi)積液量無法平衡，這意味著在該輸量下，流動處于變化狀態(tài)，穩(wěn)定程度低。

圖2 水力清管時不同輸量下積液量變化

表4為不同輸量提升下積液量的敏感性。由表4可知，當(dāng)輸量為2.8×105m3/d時，積液量變化較大。此后，若再對輸量進(jìn)行調(diào)整，隨著輸量的增大，積液量不再發(fā)生大幅變化。因此，考慮開發(fā)的末期成本，認(rèn)為水力清管作業(yè)時，輸量調(diào)至2.8×105m3/d時效果最佳。

表4 不同輸量提升下積液量的敏感性

3 清管器清管數(shù)值模擬

相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)[11]和石油規(guī)范[12]規(guī)定，當(dāng)管輸效率低于 90%時，宜實施清管作業(yè)。因此，為保證輸氣管道的安全、高效運行，有必要制定合理的清管方案。

清管器清管是將清管器置于管線之中，實現(xiàn)管內(nèi)積液量、雜質(zhì)降低的必要工作。采用OLGA模擬軟件，基于該氣田生產(chǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對不同輸量下管線入口壓力、清管器速度、管線出口累積液量的變化規(guī)律進(jìn)行分析，確定最優(yōu)清管方案。

模擬設(shè)置：在不同輸量條件下，平穩(wěn)運行2 h, 再放入清管器進(jìn)行清管作業(yè)，整個模擬時間為6 h。

3.1 管線入口壓力變化規(guī)律

如圖3所示，在不同輸量下，入口壓力曲線變化趨勢一致。隨著清管器開始工作，入口壓力出現(xiàn)小幅振蕩，輸量越小振蕩越劇烈。原因在于輸量越大的流體具有更大的氣體慣性和彈性勢能，因此大輸量流體的流動狀態(tài)受清管器的影響小。小幅振蕩后，入口壓力持續(xù)增大，達(dá)到峰值后發(fā)生回落，上述情況為壓力振蕩。造成這一情況的原因是清管器攜帶的積液到達(dá)立管底部時形成液塞，使流體流動受阻，進(jìn)而使清管器前靜壓力持續(xù)增大。當(dāng)清管器工作結(jié)束時，壓力立刻下降至平衡狀態(tài)。同時，輸量越大，壓力變化曲線越穩(wěn)定，意味著振蕩越小。原因在于輸量增大使立管底部無法積聚過多的液塞。因此，在清管作業(yè)過程中需考慮管線壓力振蕩的影響。

圖3 清管器清管時不同輸量下入口壓力變化

3.2 清管器速度變化規(guī)律

如圖4所示，在清管器工作過程中，不同輸量下清管器速度變化一致。如表5所示，清管器平均速度隨輸量的增大而提高。但是當(dāng)輸量為3.0×105m3/d 時，清管器瞬時速度較5.0×105m3/d和7.0×105m3/d時更高。

圖4 清管器清管時不同輸量下清管器速度變化

表5 不同輸量下清管器平均速度

這是由于隨著清管器工作，在清管器前形成大量積液，在立管底部瞬態(tài)段塞流較更大輸量下更強，進(jìn)而大幅增加清管器前后的壓差，致使在該工況下清管器瞬時速度在短時間內(nèi)大幅提高，這會提高卡球發(fā)生的概率。當(dāng)輸量為1.0×105m3/d時，清管器速度變化曲線一直大幅振蕩，這是由于輸量越小，氣體的慣性和彈性勢能越小，流體流動更易受清管器的影響，進(jìn)而管線穩(wěn)定程度低。常規(guī)經(jīng)驗表明，在清管作業(yè)時清管器平均速度應(yīng)在5 m/s以下[13]。由表5可知，在3.0×105～5.0×105m3/d，清管器平均速度在合理范圍內(nèi)，因此設(shè)置模擬范圍為3.0×105～5.0×105m3/d，進(jìn)行進(jìn)一步模擬。如圖5所示，4.6×105m3/d時清管器平均速度低于5 m/s，同時輸量在4.2×105m3/d時流體流動穩(wěn)定程度更高。綜合考慮之后，認(rèn)為清管器清管時，輸量調(diào)至4.2×105m3/d時效果最佳。

圖5 清管器清管時不同輸量下清管器速度變化

3.3 管線出口累積液量

如圖6所示：不同輸量下管線出口累積液量在開始便呈線性上漲趨勢，這一上漲趨勢隨著清管器排出而停止；當(dāng)清管器排出時，累積液量大幅上漲；清管器工作結(jié)束后，出現(xiàn)一定時間內(nèi)的管線干燥，再逐漸恢復(fù)正常。在輸量較低的情況下，出口端更容易出現(xiàn)較大液塞峰值，易在下游出現(xiàn)溢流風(fēng)險，因此應(yīng)盡可能避免在較小輸量下進(jìn)行清管作業(yè)。

圖6 清管器清管時不同輸量下出口累積液量變化

4 結(jié) 論

建立長距離濕氣管線清管模型，進(jìn)行參數(shù)研究，得到如下結(jié)論：

(1) 水力清管時，隨著管線輸量的增大，管線入口壓力迅速增大，管線內(nèi)積液量逐漸減少，直至達(dá)到新的積液水平。輸量提高越多，管線入口壓力增加越大，積液量減少越明顯。當(dāng)輸量為2.8×105m3/d時，管線內(nèi)積液量較其他工況變化最明顯。水力清管時宜將輸量調(diào)至2.8×105m3/d[14]。

(2) 清管器清管時，隨著清管器進(jìn)入管線，管線入口壓力波動明顯、管線終端出現(xiàn)瞬時液量峰值等劇烈變化。

(3) 清管器清管時，隨著輸量增大，清管器平均速度提高，管線入口壓力不再劇烈波動，管線出口瞬時液量峰值減小，然而，在中等輸量下，清管器瞬時速度達(dá)到最高。綜合考慮清管器平均速度、清管器瞬時速度、管道出口瞬時液量峰值，清管器清管時宜將輸量調(diào)至4.2×105m3/d。