氣液混輸管道清管球運(yùn)行速度控制方法研究與實(shí)踐

楊 葉， 楊 勇， 李春輝， 王吉成

（中海石油深海開發(fā)有限公司， 廣東 珠海 518000）

0 引言

隨著國(guó)家對(duì)天然氣需求的不斷增長(zhǎng)，南海某深水天然氣處理平臺(tái)已成為粵港澳大灣區(qū)主要的清潔能源供應(yīng)基地，每年生產(chǎn)超50 億m3的天然氣[1]。該平臺(tái)運(yùn)營(yíng)著兩條22 英寸（1 英寸=0.025 4 m）的深水混輸海管和30 英寸的淺水混輸海管。氣液混輸管線由于凝析油、液態(tài)水、酸性氣體、機(jī)械雜質(zhì)等對(duì)管體有害的物質(zhì)會(huì)引起管道內(nèi)壁腐蝕，增大管壁粗糙度，腐蝕嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致壁厚減薄或穿孔[2-4]。為了確保海管的使用壽命和輸送效率，需要定期進(jìn)行清管作業(yè)以保持管道內(nèi)部的清潔程度[5-6]。

平臺(tái)在進(jìn)行清洗清管作業(yè)時(shí)，海管出口會(huì)遇到氣量波動(dòng)、液體塞等異常工況，這些異常工況會(huì)顯著影響平臺(tái)的工藝系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和處理效果[7]。隨著平臺(tái)進(jìn)入后期階段或后續(xù)階段，工藝流程變得更加復(fù)雜。因此，在現(xiàn)有工藝流程和監(jiān)控手段的基礎(chǔ)上，如何穩(wěn)定、有效地控制清管作業(yè)地運(yùn)行速度變得非常重要。

1 海管及平臺(tái)處理流程簡(jiǎn)介

平臺(tái)作為深海油氣生產(chǎn)平臺(tái)，經(jīng)營(yíng)著國(guó)內(nèi)首個(gè)深水油氣田X 氣田，同時(shí)配套開發(fā)周邊深水氣田。深水天然氣經(jīng)過22 英寸海底管線輸送至平臺(tái)，經(jīng)過濕氣壓縮機(jī)增壓脫水后與上游平臺(tái)干氣混合增壓，再通過30 英寸油氣混輸管道輸送至下游終端[8-9]。其中主要控制節(jié)點(diǎn)包括段塞流捕集器A、B 套進(jìn)出口壓力調(diào)節(jié)閥PV1503A/B 和PV1507A/B、濕氣壓縮機(jī)站控閥和PV2502、濕氣壓縮機(jī)防喘閥FV2501A/B、干氣壓縮機(jī)站控閥PV2701、干氣壓縮機(jī)防喘閥FV27001A/D、干氣回流閥FV1502 共11 個(gè)，同時(shí)需要最多控制點(diǎn)達(dá)到6 個(gè)。如圖1 所示為平臺(tái)工藝處理流程簡(jiǎn)圖。

圖1 海管及平臺(tái)工藝流程

2 原清管作業(yè)控制方法及弊端

典型的22 英寸深水海管清管時(shí)，在清管球進(jìn)入2 號(hào)海管前推球氣量為18×104m3/h，2 號(hào)海管以最佳輸氣量29×104m3/h 進(jìn)行生產(chǎn)，在清管球進(jìn)入2 號(hào)海管后，PLEM（水下管匯）連通閥關(guān)閉，1 號(hào)海管停止注氣、2 號(hào)海管氣量分階段降低至最小輸氣量19×104m3/h。歸納為前期高產(chǎn)+后期收液+壓力穩(wěn)定三個(gè)方面。圖2 為原清管作業(yè)過程中的全過程控制流程圖。

圖2 原清管作業(yè)過程中的全過程控制流程

上述控制流程在22 英寸海管可以快速完成清管作業(yè)，尤其是在管道末端可以有效地完成收球作業(yè)，但是隨著海管降壓生產(chǎn)、工藝控制節(jié)點(diǎn)增多以及下游對(duì)氣質(zhì)的要求，該控制流程在清管作業(yè)過程中存在著諸多弊端：

1）通過FV1502 使用干氣壓縮機(jī)出口高溫干氣實(shí)現(xiàn)平臺(tái)自持運(yùn)行，來氣溫度由18℃提高至50℃，冷媒供應(yīng)表現(xiàn)不足；

2）由于海管自身緩沖功能，在清管球通過PLEM、關(guān)閉循環(huán)氣后深水氣量仍居高不下，直到清管球臨近立管后產(chǎn)量才有明顯下降趨勢(shì)，應(yīng)急處置時(shí)間受限；

3）清管球到達(dá)立管出現(xiàn)氣荒后，氣量突變，干濕氣壓縮機(jī)組控制節(jié)點(diǎn)較多；

4）氣荒期間段塞來液超過下游處理能力，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降。

3 運(yùn)行控制方法及創(chuàng)新點(diǎn)

針對(duì)原有清管作業(yè)中出現(xiàn)的弊端，通過分析研究和認(rèn)為需要解決如下幾方面問題：氣荒期間循環(huán)氣溫度高、連通閥關(guān)閉后清管球運(yùn)行時(shí)間短、氣荒期間段塞來液猛、氣荒結(jié)束后壓力波動(dòng)大等問題[10-12]。

為此，創(chuàng)新提出前期高產(chǎn)+中期降產(chǎn)+后期控速+海管降壓的控制思路，即在清管球到達(dá)聯(lián)通閥之前保持高產(chǎn)外輸，在清管球通過聯(lián)通閥并關(guān)閉該閥后根據(jù)井口產(chǎn)氣逐步降低外輸氣量，當(dāng)清管球接近立管時(shí)控制球速在0.5～1 m/s，對(duì)段塞來液進(jìn)行穩(wěn)定處理，同時(shí)抽取1 號(hào)海管干氣保證平臺(tái)穩(wěn)定運(yùn)行。此外，在清管球通過聯(lián)通閥后采用“先高后降”的思路將凝析油三相分離器空間騰空，強(qiáng)制提高段塞液停留時(shí)間，提高產(chǎn)品質(zhì)量。控制流程如圖3 所示。

圖3 清管作業(yè)過程創(chuàng)新工藝控制全過程流程

3.1 “先憋后放”，精準(zhǔn)控制管道末端清管球運(yùn)行速度

在油氣水混輸海管清管作業(yè)過程中，清管球運(yùn)行速度控制是關(guān)鍵因素，清管球運(yùn)行速度取決于清管球的設(shè)計(jì)特性、管道條件、作業(yè)目的等，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，速度過快會(huì)增加對(duì)管道的沖擊和壓力，高速運(yùn)行下清管球與管道的摩擦增大容易導(dǎo)致清管球的磨損，此外對(duì)工藝流程的穩(wěn)定控制也有著明顯影響。速度過低清管作業(yè)效果不佳，同時(shí)容易被管道內(nèi)的障礙物卡住導(dǎo)致堵塞。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般最低運(yùn)行速度一般控制在0.5～1 m/s，最高運(yùn)行速度一般控制在3～5 m/s[13-14]。詳細(xì)控制步驟如表1 所示。

表1 管道末端清管球運(yùn)行控制步驟

與原控制方式有如下優(yōu)勢(shì)：

1）清管球在2 號(hào)海管后半程前期人為控制運(yùn)行速度，降低輸氣量，機(jī)組提前1 h 完成卸載備機(jī)；

2）清管球到達(dá)立管附近時(shí)，清管球運(yùn)行速度控制在0.74 m/s，段塞來液處理時(shí)間由1 h 延長(zhǎng)至2 h，有效降低了氣荒期間段塞來液瞬時(shí)量，來液瞬時(shí)量最高為300 m3/h；

3）由于PV1503B 節(jié)流降壓，液相中的閃蒸氣量達(dá)到5 000～20 000 m3/h，有效穩(wěn)定段塞流捕集器B 的操作壓力，不再使用FV1502 補(bǔ)氣；

4）段塞流捕集器液位保持在安全范圍內(nèi)，接受外段塞后可以穩(wěn)定、快速恢復(fù)外輸氣量，降低2 號(hào)海管壓力。

3.2 “先推后輸”，穩(wěn)輸降碳節(jié)能同步提升

在創(chuàng)新工藝控制方法中，為解決原清管工況中的外輸氣量低含碳高、循環(huán)氣溫度高等問題，提出了1號(hào)海管提前降壓的操作思路，即先將循環(huán)氣作為1 號(hào)海管中清管球的運(yùn)行動(dòng)力源，當(dāng)清管球通過PLEM關(guān)閉聯(lián)通閥后，再利用對(duì)應(yīng)的段塞流捕集器A 對(duì)1 號(hào)海管提前提氣降壓，提氣量根據(jù)2 號(hào)海管產(chǎn)量下降幅度、外輸氣總量進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，提氣量在10×104m3/h時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定性運(yùn)行較好，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

1）提高氣荒階段外輸氣量9×104m3/h。原清管控制方式中氣荒階段采用FV1502 對(duì)段塞流捕集器B進(jìn)行補(bǔ)壓，補(bǔ)氣量為2×104m3/h，主要用于提高段塞流捕集器B 的操作壓力以及維持平臺(tái)燃?xì)庀?。在?chuàng)新工藝控制方法中，通過PV1503B 的節(jié)流作用可以產(chǎn)生0.5×104～2×104m3/h 的閃蒸氣，不再需要FV1502 進(jìn)行手動(dòng)補(bǔ)氣，同時(shí)可為下游工藝增加天然氣來源，相比于原控制方式可提高氣荒階段外輸氣量9×104m3/h。

2）降低清管作業(yè)后期冷煤需求量336×104kJ。在創(chuàng)新控制方法中連通閥關(guān)閉后，1 號(hào)海管壓力穩(wěn)定在8 MPa，段塞流捕集器操作壓力3.3MPa，因PV1503A節(jié)流作業(yè)進(jìn)入系統(tǒng)的天然氣溫度由來氣18 ℃降低至平均8 ℃左右。而在原控制方法中經(jīng)過干氣回流進(jìn)入系統(tǒng)的天然氣溫度由來氣50 ℃降低至32 ℃。以段塞處理時(shí)長(zhǎng)2 h，1 號(hào)海管提氣量10×104m3/h，根據(jù)熱量公式計(jì)算節(jié)能量達(dá)到336×104kJ[15]，不再需要額外啟動(dòng)冷卻水循環(huán)泵。

3.3 “先升后降”，油相停留時(shí)間提升90%

該平臺(tái)凝析油分離器為典型的臥式三相分離器，設(shè)計(jì)尺寸為3.9 m（ID）×11.5 m（T/T），主要對(duì)來液進(jìn)行油氣水三相分離[16]。油水分離的效果主要與液體停留時(shí)間相關(guān)，根據(jù)QHS 3006—2003《油氣分離器設(shè)計(jì)制造規(guī)范》計(jì)算凝析油分離器正常操作和清管工況時(shí)油的停留時(shí)間t1、t2。

式中：W為在流動(dòng)條件下的液體處理量，m3/d；V為液體沉降容積，m3；t為停留時(shí)間，min。

以正常工況下液體處理量為2 000 m3/d，清管工況下折算液體處理量為8 400 m3/d（瞬時(shí)處理量為350 m3/h），計(jì)算出t1=32 min、t2=7.6 min。t1與t2相差較大，沉降時(shí)間縮短，表現(xiàn)出油雜質(zhì)含量增多、凝析油過濾器堵塞。當(dāng)清管球通過PLEM后，海管來液量將在氣荒出現(xiàn)時(shí)才會(huì)大量增加，其余時(shí)間基本無液[17]，可利用該時(shí)間段對(duì)分離器采用“先升后降”的方式，提高凝析油分離器緩沖空間，從而提高液體停留時(shí)間[17-18]。具體原理見圖4。

圖4 凝析油分離器先升后降操作原理

通過公式（1）計(jì)算可得通過先升后降的操作模式，可以為凝析油分離器提供40 m3緩沖空間，可增加液體停留時(shí)間6.9 min，可有效提高油水的分離效果[20]，降低凝析油過濾器的堵塞速率。

4 應(yīng)用效果

2023 年該平臺(tái)對(duì)深水22 英寸海管使用該創(chuàng)新工藝控制方法完成2 次清管作業(yè)，清管作業(yè)期間系統(tǒng)穩(wěn)定性得到明顯提高，段塞來液瞬時(shí)量得到有效控制。

1）段塞流捕集器最高液位得到有效控制，由原最高2 500 mm 降低至2 000 mm；

2）清管球到達(dá)立管前準(zhǔn)備時(shí)間得到有效延長(zhǎng)，由2 h 延長(zhǎng)至4 h；

3）段塞處理時(shí)間由原1 h 延長(zhǎng)至2 h，有效控制平臺(tái)瞬時(shí)工藝處理量；

4）氣荒結(jié)束后瞬時(shí)氣量得到有效控制，由原30×104m3/h 降低至10×104m3/h，極大減少工藝系統(tǒng)波動(dòng)幅度；

5）有效提高凝析油產(chǎn)品質(zhì)量，原清管作業(yè)過程中凝析油堵塞情況由2 套降低至1 套；

6）氣荒期間平臺(tái)外輸氣量由5×104m3/h 提高至14×104m3/h，節(jié)能明顯，不再需要額外啟動(dòng)一臺(tái)冷卻水循環(huán)泵。

5 結(jié)語(yǔ)

海底管線定期的清管作業(yè)以清除管內(nèi)雜質(zhì)，提高輸送效率，保證輸送安全是非常有必要的。對(duì)于氣液混輸管線與常規(guī)的單相輸送管線相比，清管球運(yùn)行速度控制對(duì)于流程的穩(wěn)定運(yùn)行顯得尤為重要，但對(duì)于深水氣田的油氣水混輸管線在實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、海管流動(dòng)性、段塞沖擊等方面有一定的不足之處。建議同類深水海管在清管作業(yè)前，與該平臺(tái)深水海管清管作業(yè)步驟進(jìn)行綜合對(duì)比，利用已有流程，制定最優(yōu)清管運(yùn)行速度控制方案，進(jìn)一步深化氣液混輸管道清管球運(yùn)行控制技術(shù)，提高清管作業(yè)安全性。