跨接管MEG凝膠真空注入技術(shù)研究

王路 仲繼彬 倪靜然 任廣新 王獻(xiàn)峰

（海洋石油工程股份有限公司天津 300452)

前言

跨接管在水下生產(chǎn)系統(tǒng)中有著極為廣泛的應(yīng)用，通常用于連接采油樹(shù)、管匯、管線(xiàn)終端、立管基座和輸油管線(xiàn)等。[1]在跨接管連接過(guò)程中，管線(xiàn)中不可避免進(jìn)入海水。氣井開(kāi)井過(guò)程，產(chǎn)生高壓低溫環(huán)境，天然氣與水在該環(huán)境下極易形成可燃冰。為了克服這一難題，通常在開(kāi)井前的海管預(yù)調(diào)式過(guò)程中會(huì)干燥海管。然而連接采油樹(shù)的跨接管無(wú)法進(jìn)行該項(xiàng)工作。為了避免連接采油樹(shù)的跨接管在開(kāi)井過(guò)程形成可燃冰，國(guó)外通常采用MEG凝膠技術(shù)。該技術(shù)被貝殼休斯等大型公司壟斷，且對(duì)國(guó)內(nèi)進(jìn)行技術(shù)封鎖。目前國(guó)內(nèi)天津理工大學(xué)已經(jīng)對(duì)MEG凝膠制備及性能進(jìn)行理論研究[2-4]，但是注入技術(shù)研究尚未進(jìn)行。南海某深水氣田項(xiàng)目開(kāi)發(fā)需要該項(xiàng)技術(shù)，為了攻克這一技術(shù)，開(kāi)展了跨接管MEG凝膠注入技術(shù)研究。該項(xiàng)目準(zhǔn)備在跨接管U型彎中間注入純MEG，兩端分別用MEG凝膠封堵。

1 初始原理

如圖1，項(xiàng)目跨接管為M直立型。項(xiàng)目要求在U型彎（綠色部分）注入純MEG，兩端（紅色部分）分別用MEG凝膠封堵。該種跨接管只能直立，且在注入純MEG之前，有水壓作業(yè)，水壓完成以后內(nèi)部U型彎中水無(wú)法排除，直接泵送注入純MEG，MEG將與跨接管內(nèi)部水混合，使得U型彎中MEG不純。在凝膠注入工過(guò)程，兩端分別放出多余MEG，然后注入MEG凝膠。然而注入MEG凝膠的管線(xiàn)是密閉空間，無(wú)法注滿(mǎn)。因此無(wú)論是MEG注入還是MEG凝膠注入都不能直接采用泵送法。經(jīng)過(guò)考慮，準(zhǔn)備采用抽真空注入法，其注入初始原理如下：

圖1 跨接管模型圖

圖2 真空注入初始原理

2 初始原理細(xì)化

2.1 初始原理問(wèn)題

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)初始原理存在一些問(wèn)題。

① 跨接管抽水過(guò)程中，U型彎底部始終存在一定量的水，該水無(wú)法被抽出。

② MEG注入過(guò)程單靠真空吸入，由于跨接管高和存在沿程阻力，吸入速度可能較慢。

③ 真空吸入MEG凝膠，由于跨接管高和存在沿程阻力，且凝膠粘度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于MEG，可能無(wú)法吸入凝膠。

④ 在抽出MEG過(guò)程中，采用先抽高端后抽底端與先抽低端后抽高端兩種方法，低端均會(huì)多注入凝膠，且方后者會(huì)注入更多。

2.2 解決方案

① 對(duì)于問(wèn)題①，考慮到注入原理為真空注入，因此采用抽真空和加熱跨接管加快氣化底部液態(tài)水，排出跨接管內(nèi)部水。

② 對(duì)于問(wèn)題②③，MEG為牛頓流體；凝膠為非牛頓流體，但是具有一定流動(dòng)性，可簡(jiǎn)化模型為牛頓流體。兩者均可以根據(jù)伯努利方程式（1）能量守恒[5,6]進(jìn)行分析。分析過(guò)程中發(fā)現(xiàn)注入過(guò)程與外輸機(jī)械能、內(nèi)部機(jī)械能轉(zhuǎn)化（高度變化）和水頭損失等有關(guān)。由于高度是固定的，無(wú)法改變。因此考慮采用增加外輸機(jī)械能，比如增加泵送。減少沿程阻力，比如擴(kuò)大管線(xiàn)內(nèi)徑，減少注入管線(xiàn)路徑，減少注入管線(xiàn)路徑上閥門(mén)、三通等管件。

式中：

z——位置水頭

p/ρg——壓強(qiáng)水頭

av2/ρg——流速水頭

+hm——單位重量流體由流體機(jī)械獲得的機(jī)械能（如泵的揚(yáng)程）

h_w——水頭損失

③對(duì)于問(wèn)題④，如果先抽高端MEG，則只能在高端水平管和立管注入凝膠；再抽出低端MEG時(shí)，會(huì)將高端一側(cè)立管高于低端側(cè)的MEG抽出，然后注入凝膠時(shí)會(huì)多注入凝膠。如果先抽低端，則高端高于低端MEG以及高端平管MEG將會(huì)抽出，注入凝膠將會(huì)多出高端平管這一部分；再抽出高端立管和平管中MEG，然后注入該部分凝膠。兩種方式都導(dǎo)致低端注入過(guò)多凝膠，第二種更勝。因此需要改進(jìn)注入方法。

④改進(jìn)方法為先抽高端MEG，然后高端注入凝膠。然后抽低端MEG，計(jì)量抽出量，使得剛好抽出低端平管和左側(cè)立管MEG，然后低端注入凝膠，能夠保證注入量。

2.3 完善原理

依據(jù)上述解決方法，修改完善注入原理如下：

圖3 完善的真空注入原理

3 原理變現(xiàn)及效果

3.1 三維模型

根據(jù)該原理建立了三維模型。

圖4 MEG凝膠注入模型

3.2 樣機(jī)

依據(jù)三維模型制造了初代樣機(jī)。

圖5 A橇

圖6 B橇

3.3 應(yīng)用效果

表1 應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)

4 總結(jié)

本文闡述了跨接管MEG凝膠真空注入技術(shù)初始原理。對(duì)初始原理進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)4條問(wèn)題，分析每條問(wèn)題的原因。對(duì)問(wèn)題一給出抽真空和加熱跨接管加快氣化底部液態(tài)水，排出跨接管內(nèi)部水。對(duì)問(wèn)題二和問(wèn)題三給出增加外輸機(jī)械能，比如增加泵送；減少沿程阻力，比如擴(kuò)大管線(xiàn)內(nèi)徑，減少注入管線(xiàn)路徑，減少注入管線(xiàn)路徑上閥門(mén)、三通等管件。對(duì)問(wèn)題四給出新的注入順序。通過(guò)對(duì)解決方案的整理，形成完善的9步真空注入技術(shù)原理。通過(guò)軟件建立三維模型，并依據(jù)三維模型建造初代樣機(jī)，將注入技術(shù)原理變現(xiàn)。將該樣機(jī)及注入技術(shù)投入南海某深水氣田開(kāi)發(fā)項(xiàng)目應(yīng)用，獲得良好應(yīng)用效果，為后續(xù)深海氣田開(kāi)發(fā)打下基礎(chǔ)。