基于LedaFlow的深水海管蠟沉積模擬分析

王雪媛 陳文峰 鞠朋朋 王 東 李曉涵

海洋石油工程股份有限公司, 天津 300451

0 前言

深水油田環(huán)境溫度低,回接距離長,對(duì)海底混輸管道輸送提出了更為嚴(yán)格的要求[1-2]。深水油田產(chǎn)出油及其伴生氣經(jīng)過井筒、海管、立管后,被輸送到海洋平臺(tái)生產(chǎn)處理裝置。由于深水環(huán)境的變化,海管內(nèi)的結(jié)蠟問題是一直困擾油氣生產(chǎn)的一項(xiàng)技術(shù)難題。深海海管的環(huán)境溫度很低,當(dāng)管道中的原油溫度降低至析蠟溫度以下時(shí),就有蠟析出,并附著在管壁上[3-4]。累計(jì)析蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)1%～2%時(shí),蠟晶便可在原油中形成膠凝結(jié)構(gòu),將原油束縛在其中[5-7]。管壁結(jié)蠟造成管道流通面積變小,流動(dòng)阻力變大,從而導(dǎo)致產(chǎn)能降低,嚴(yán)重時(shí)甚至停產(chǎn)。尤其在深海采油過程中,降溫作用明顯,結(jié)蠟的危害更加嚴(yán)重[8]。采用新型多相流瞬態(tài)模擬軟件LedaFlow模擬典型年份蠟沉積厚度、蠟沉積速率等數(shù)據(jù),分析蠟沉積規(guī)律,為下一步除蠟和清管等操作提供建議。

1 蠟沉積機(jī)理及軟件模擬介紹

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)單相流蠟沉積的研究較多,對(duì)影響蠟沉積的因素及蠟沉積的機(jī)理有較好的了解,并建立了預(yù)測蠟沉積的模型,且精度較為準(zhǔn)確[9]。然而對(duì)于多相流蠟沉積的研究還處于起步階段,并且由于多相流流動(dòng)的復(fù)雜特性,對(duì)多相流蠟沉積機(jī)理的研究存在較大困難[10]。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)多相流蠟沉積模擬開發(fā)了一系列軟件,通過實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬計(jì)算結(jié)果的對(duì)比,進(jìn)一步校正軟件的精確度。迄今為止，國內(nèi)外學(xué)者通過一系列實(shí)驗(yàn)研究提出了分子擴(kuò)散、剪切彌散、布朗擴(kuò)散、重力沉降四種沉積機(jī)理,普遍認(rèn)為分子擴(kuò)散是蠟沉積的主要機(jī)理,剪切彌散在低溫和低熱流的條件下起主要作用[11-13]。近年來,國內(nèi)外學(xué)者還相繼提出了“剪切剝離”和“老化”的概念,對(duì)于蠟沉積機(jī)理的認(rèn)識(shí)更加深入[14]。

LedaFlow軟件是先進(jìn)的瞬態(tài)多相流模擬軟件,能夠模擬多相流油氣水在管道、油氣井以及設(shè)備中的流動(dòng)狀態(tài),是基于流體動(dòng)力學(xué)機(jī)理模擬的瞬態(tài)模擬工具。LedaFlow軟件采用機(jī)理模型,計(jì)算精度高，一共有16個(gè)守恒方程，其中9個(gè)質(zhì)量守恒方程,3個(gè)動(dòng)量守恒方程,3個(gè)能量方程,1個(gè)體積守恒方程。LedaFlow內(nèi)核所使用的新技術(shù)使多相流模擬精度得到顯著提高,核心計(jì)算模型可以分別求解三相(油、氣、水)的質(zhì)量、動(dòng)量、能量的守恒方程。運(yùn)用LedaFlow軟件進(jìn)行多相流模擬能夠獲得較高的精度和準(zhǔn)確性,優(yōu)化油氣生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)安全高效生產(chǎn),特別是在長輸管網(wǎng)和深海油氣田開發(fā)應(yīng)用尤為廣泛。

質(zhì)量守恒方程:

(1)

式中:k代表不同的場,從1到n,u為場的平均速度,m/s;t為時(shí)間,s;x為沿管道沿線坐標(biāo);αk為場的體積分?jǐn)?shù);ρk為場的密度,kg/m3;Γext為凈外部質(zhì)量源;Γki為場k從其他場中獲得的凈質(zhì)量流量[15],kg/s。

動(dòng)量守恒方程:

∑Fki-Fkw+∑Γkextukext

(2)

式中:pk為場k內(nèi)部的壓力,Pa;θ為管道傾角;Fki為場k與場i的界面動(dòng)量源;Fkw為壁面摩擦;k為場k內(nèi)部摩擦;Γkiuki為由于質(zhì)量傳遞場k從場i收到的凈動(dòng)量交換,kg·m/s;uki為場k與場i之間界面的平均速度,m/s;ukext為外部質(zhì)量進(jìn)入或離開場k的速度,m/s。

能量守恒方程:

(3)

體積守恒方程:

∑αk=1

(4)

LedaFlow軟件支持結(jié)蠟的生成與溶解動(dòng)力學(xué)計(jì)算,并且可以在油相和管壁上計(jì)算蠟的生成[17]。蠟?zāi)K的主要功能包括:計(jì)算蠟安全區(qū)間,檢測何處及何時(shí)存在結(jié)蠟風(fēng)險(xiǎn);計(jì)算蠟形成速度和析出量;預(yù)測蠟在管道中的沉積厚度與長度;考慮蠟生成、溶解和沉積過程;確定清蠟周期確保生產(chǎn)安全;蠟的預(yù)防和解決方案。

常用的多相流瞬態(tài)模擬軟件OLGA蠟沉積模型包括RRR、HEATANALOGY和MATZAIN三種模型[18-19]。LedaFlow軟件采用與OLGA軟件不同的蠟沉積模型計(jì)算[15],基于2008年密歇根大學(xué)Lee H S[20]的論文Computation and rheological study of wax deposition and gelation in subsea pipelines,但以工程關(guān)聯(lián)的形式進(jìn)行了簡化。

2 模擬基礎(chǔ)

南海某油田水深420 m,海底海域水溫約8 ℃。采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)和浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)開發(fā)模式,水下生產(chǎn)系統(tǒng)共8口生產(chǎn)井,采用2條環(huán)狀長23.1 km的海管進(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。目標(biāo)油田原油含蠟量分布見表1。

表1 目標(biāo)油田原油含蠟量分布表

原油析蠟點(diǎn)為25.2 ℃,析蠟高峰點(diǎn)位17.5 ℃,蠟含量7.98%,海管不做保溫處理,正常運(yùn)行時(shí)管道內(nèi)流體溫度為7.9～112.5 ℃,因此在油氣集輸過程中蠟會(huì)沉積在海管內(nèi)壁。該油田設(shè)計(jì)工作年限為20年,選擇投產(chǎn)前4年和2028年典型年份,作為案例模擬蠟沉積規(guī)律。

3 海管蠟沉積規(guī)律模擬分析

利用LedaFlow建立海管蠟沉積預(yù)算模型,見圖1。

圖1 LedaFlow建立海管模型圖Fig.1 Subsea pipeline model based on LedaFlow software

2020年該油田采用單海管運(yùn)行,模擬投產(chǎn)90 d中5 d、10 d、15 d、30 d、60 d、90 d時(shí)海管沿程蠟沉積厚度變化曲線見圖2；蠟沉積90 d后海管沿程壓力和溫度變化曲線見圖3。

圖2 2020年不同運(yùn)行時(shí)間下海管沿程的蠟沉積厚度圖Fig.2 Thickness of wax deposition under differentoperating time in 2020

圖3 2020年蠟沉積90 d后海管溫度和管內(nèi)流體溫度變化曲線圖Fig.3 Temperature change of pipeline and fluid after waxdeposition 90 days in 2020

由圖2可看出,在距離水下管匯約5.06 km處,蠟開始析出并附著在管壁上,在7～15 km范圍內(nèi)蠟沉積厚度最大,在約7.64 km處蠟沉積厚度達(dá)到峰值,在 17.75 d 時(shí)達(dá)到最大蠟沉積厚度2 mm,90 d時(shí)蠟沉積厚度達(dá)6.574 mm。由圖3可知,在距離水下管匯5.06 km處,管壁溫度開始低于析蠟點(diǎn)25.2 ℃時(shí)蠟析出,在 7.64 km 處,流體溫度開始低于高峰析蠟點(diǎn)17.5 ℃,此區(qū)域是蠟析出的主要區(qū)域,對(duì)應(yīng)于圖2的蠟沉積厚度峰值。當(dāng)流體溫度和管壁溫度趨于一致時(shí),約在16 km處,盡管此時(shí)溫度低于析蠟點(diǎn),但原油中的蠟沉積的速度和厚度都變小,即使有蠟析出,析出的蠟也會(huì)被流體帶出管外,不會(huì)沉積在管道內(nèi)壁。2020年運(yùn)行40 d后管道沿程蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)見圖4,部分流質(zhì)蠟隨流體往前推移,蠟含量逐漸增大。表2給出了LedaFlow軟件計(jì)算的不同年份不同天數(shù)下管內(nèi)蠟沉積的厚度，不同年份海管出口位置的蠟沉積質(zhì)量見圖5。

圖4 2020年蠟沉積40 d后海管沿程蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)圖Fig.4 Mass fraction of wax after wax deposition 40 days in 2020

表2 不同時(shí)間段下海管中蠟沉積的厚度

圖5 不同年份蠟沉積90 d時(shí)海管出口位置的蠟沉積質(zhì)量圖Fig.5 Wax deposition mass at subsea pipeline outlet with 90 daysin different year

從表2和圖5可以看出，隨著生產(chǎn)年限增加,油田含水率升高,油量減少,蠟沉積速度和沉積質(zhì)量都顯著降低,蠟沉積質(zhì)量隨時(shí)間勻速增加;蠟沉積在管道內(nèi)壁會(huì)引起管道壓降增大,管匯處壓力增加,各生產(chǎn)年份不同,蠟沉積厚度的峰值位置也不同,隨著年份的增加,析蠟初始點(diǎn)和高峰點(diǎn)位置逐漸遠(yuǎn)離水下管匯,導(dǎo)致流體溫度和油流量都不盡相同。投產(chǎn)前2年需特別注意蠟的快速沉積。表3給出了典型年份LedaFlow軟件模擬蠟沉積從0開始至2 mm所需時(shí)間,2022年蠟沉積2 mm時(shí)長已超過90 d。

表3 不同年份蠟沉積2 mm所需時(shí)間對(duì)比表

管道內(nèi)壁上沉積的蠟需要及時(shí)清除,因?yàn)樵陂L時(shí)間的運(yùn)行過程中海管中容易出現(xiàn)蠟塊的風(fēng)險(xiǎn)。通常情況下,總體管線沿程的最大蠟沉積厚度為2 mm,如果達(dá)到2 mm,則應(yīng)進(jìn)行清管以刮除蠟。但是2 mm只是通常的參考值,實(shí)際清管頻率應(yīng)根據(jù)實(shí)際操作條件確定。

綜上,2020年海管中的蠟從0沉積到2 mm大約需要17.75 d的時(shí)間。如果蠟沉積到2 mm的時(shí)間超過90 d,建議清管時(shí)間不超過90 d,以確保輸油管線的安全運(yùn)行。但根據(jù)已往經(jīng)驗(yàn),在生產(chǎn)初期,尤其是前幾次清管操作,清管期應(yīng)為1周或者更短。該操作的目的是評(píng)估蠟沉積的速率并指導(dǎo)后期的清管間隔。最終清管期應(yīng)根據(jù)實(shí)際操作條件確定,例如油流量、壓降、流體溫度、油參數(shù)、環(huán)境條件和FPSO的蠟塞處理等情況。

4 結(jié)論

由目標(biāo)油田的LedaFlow軟件模擬蠟沉積可以得出以下結(jié)論。

1)2020年在距離水下管匯約7.5 km處蠟沉積厚度達(dá)到峰值,在17.75 d時(shí)達(dá)到最大蠟沉積厚度2 mm。

2)從管壁溫度和流體溫度的溫差變化可以看出當(dāng)流體溫度達(dá)到高峰析蠟點(diǎn)的位置蠟沉積厚度也達(dá)到峰值。

3)隨著運(yùn)行年限的增加,蠟沉積厚度和沉積速率都會(huì)下降,在2022年沉積2 mm時(shí)長已超過90 d?？筛鶕?jù)蠟沉積的速度選擇清管的周期,但根據(jù)已往經(jīng)驗(yàn),在生產(chǎn)初期,尤其是前幾次清管操作,清管期應(yīng)為1周或者更短,如果蠟沉積到2 mm的時(shí)間超過90 d,建議清管時(shí)間不超過90 d,以確保輸油管線的安全運(yùn)行。