海底管線(xiàn)低輸量情況下的清管方法

　中海石油（中國(guó)）有限公司崖城作業(yè)公司

海底管線(xiàn)低輸量情況下的清管方法

金光智中海石油（中國(guó)）有限公司崖城作業(yè)公司

2016年3月1日，南山終端將正式進(jìn)入氣田遞減期，海南管線(xiàn)每天外輸量將銳減至15×104～20×104m3，甚至更低。在這種低輸量情況下，海南管線(xiàn)的積液分布規(guī)律發(fā)生重大改變，清球方法需要考慮變更，以保證該管線(xiàn)運(yùn)營(yíng)安全。針對(duì)海底管線(xiàn)出現(xiàn)的低輸量情況，模擬了海南管線(xiàn)各種工況的積液分布和清管特征，提出相應(yīng)的清管方法。當(dāng)天然氣輸量低于71.9× 104m3/d時(shí)，不能直接進(jìn)行清管操作，可以采用批量清管的方法保證段塞流體積不超過(guò)捕集器容積，確保清管作業(yè)安全；建議在15×104～20×104m3/d低輸量下采用直板清管器+皮碗清管器的清管作業(yè)方式。三次低輸量現(xiàn)場(chǎng)通球測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果表明，在低輸量下，清管球通球存在嚴(yán)重的旁通現(xiàn)象。對(duì)常規(guī)清管球清管作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)須開(kāi)展識(shí)別和評(píng)估，對(duì)清管所需推球輸氣流量要進(jìn)行估算。

海南管線(xiàn)；低輸量；積液分布；清管；模擬；驗(yàn)證

崖城13-1氣田項(xiàng)目的油氣混輸海底管線(xiàn)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)海南管線(xiàn)）全長(zhǎng)90.9km，內(nèi)徑為337mm。海南管線(xiàn)從海上井口平臺(tái)將氣田生產(chǎn)的凝析油（100m3/d）和部分天然氣（137×104m3/d）輸送至南山終端。

目前，海南管線(xiàn)使用美國(guó)馬洛利公司（Maloney）生產(chǎn)的335mm清管球，每14天清管一次，定期清除管內(nèi)積液，提高管道的輸送效率[1-4]，防止結(jié)蠟、水合物及管線(xiàn)腐蝕。2014年11月，海南管線(xiàn)的內(nèi)檢測(cè)結(jié)果表明，該管道運(yùn)行狀態(tài)良好，僅存在輕微的內(nèi)、外腐蝕，清管作業(yè)達(dá)到了預(yù)期的效果。

2016年3月1日，南山終端將正式進(jìn)入氣田遞減期，海南管線(xiàn)每天外輸量將銳減至15×104～20× 104m3，甚至更低。在這種低輸量情況下，海南管線(xiàn)的積液分布規(guī)律發(fā)生重大改變，清球方法需要考慮變更，以保證該管線(xiàn)運(yùn)營(yíng)安全。

1　各種工況的積液分布和清管模擬

根據(jù)海南管線(xiàn)輸送的介質(zhì)組分、海管設(shè)計(jì)參數(shù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、海管高程、環(huán)境溫度、歷史清管報(bào)告以及內(nèi)檢測(cè)報(bào)告，建立海管氣液兩相平衡模型、流型模型和積液分布模型[1]，認(rèn)為海管內(nèi)主要以分成流和段塞流為主，從而模擬和分析海南管線(xiàn)的積液特征。

1.1積液分布模擬

對(duì)于積液分布，設(shè)定海南管線(xiàn)出口壓力為6.88MPa，入口溫度27.8℃。改變?nèi)肟诹髁窟M(jìn)行不同工況的模擬，在穩(wěn)態(tài)下分析溫度、壓降、出口液體流量、海管積液量的變化規(guī)律，見(jiàn)表1。

表1　海南管線(xiàn)各種工況下的積液分布模擬

由表1可知，隨著輸量升高，氣體流速變大，氣液相間剪切應(yīng)力變大，氣體攜液能力變強(qiáng)，出口液體流量增加，海管積液量減少。當(dāng)輸量大于100.6×104m3/d時(shí)，輸量變化對(duì)海管積液量的影響很小。

隨輸量的提高海管壓降先減小后增大，原因是：①當(dāng)輸量≤71.9×104m3/d時(shí)，壓降主要由液相沿程摩阻引起，輸量越小，海管積液量越增加，導(dǎo)致壓降減小；②當(dāng)輸量＞71.9×104m3/d時(shí)，壓降主要由氣相沿程摩阻引起，海管輸量越大，壓降越大。

1.2清管模擬

進(jìn)行清管工況模擬時(shí)，設(shè)定海南管線(xiàn)出口壓力為6.88MPa，入口溫度為27.8℃，設(shè)置入口流量在14.4×104～143.8×104m3/d范圍內(nèi)變化。海管各種工況的清管模擬見(jiàn)表2。由表2可知，隨著海管天然氣輸量的增加，海管積液量和清管段塞體積減少，排液時(shí)間縮短，排液流量增大，清管器運(yùn)行速度提高，進(jìn)而縮短了清管時(shí)間。

海南管線(xiàn)出口的段塞流捕集器由9根長(zhǎng)為85.34m、直徑為121.92cm的鋼管組成，容積約為795m3，高液位關(guān)停點(diǎn)設(shè)定為715m3。當(dāng)海管天然氣輸量較低（低于71.9×104m3/d）時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致段塞流捕集器無(wú)法正常處理清管段塞，使得段塞流捕集器氣相進(jìn)液，影響正常工藝操作。

表2　海管各種工況下的清管模擬

因此，當(dāng)天然氣輸量低于71.9×104m3/d時(shí)，可以采用批量清管的方法保證段塞流體積不超過(guò)捕集器容積，確保清管作業(yè)的安全。

2　變氣液比積液分布和清管模擬

分別以低輸量 14.4×104m3/d、正常輸量143.8×104m3/d為例，當(dāng)天然氣輸量不變而凝析油輸量增加時(shí)，海管內(nèi)介質(zhì)氣液質(zhì)量比減小。變氣液比工況下海管積液分布和清管模擬見(jiàn)表3。

由表3可知，當(dāng)天然氣輸量不變時(shí)，隨氣液質(zhì)量比降低，海管壓降增大，入口液體流量變大（由于入口操作壓力高，實(shí)際液量大于標(biāo)準(zhǔn)狀況下液量），海管積液量增加；當(dāng)輸量為14.4×104m3/d時(shí)，海管積液量過(guò)大，不能直接進(jìn)行清管，可以采用批量清管的方法保證段塞流體積不超過(guò)捕集器容積，并隨氣液質(zhì)量比的降低，適當(dāng)縮短清管周期；當(dāng)輸量為143.8×104m3/d時(shí)，模擬工況三種氣液比條件下的清管段塞體積均未超出終端段塞流捕集器容積，可以直接進(jìn)行清管操作。

表3　變氣液比工況下積液分布和清管模擬

3　低輸量下模擬結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)上述模擬結(jié)果，于2014年12月21～31日，對(duì)最接近14.4×104m3/d、111.3m3/d的模擬工況進(jìn)行了三次通球清管測(cè)試，以驗(yàn)證模擬結(jié)果的正確性。

3.1第一次通球清管成功但清管時(shí)間嚴(yán)重滯后

2014年12月21日，整個(gè)氣田停產(chǎn)大修后，對(duì)海南管線(xiàn)進(jìn)行低輸量通球清管測(cè)試，每日平均輸氣量20.1～23.0×104m3、凝析油產(chǎn)量109.7m3。

2014年12月22日20：10，平臺(tái)發(fā)送第一只清管球，此時(shí)海南管線(xiàn)積液量為491m3。

12月31日10：00，南山終端收到此只清管球，清管時(shí)間為205.4h，約為理論模擬結(jié)果的2倍，清管時(shí)間嚴(yán)重滯后。

分析滯后原因主要有兩個(gè)：①海管輸量低，流速約為0.2～0.3m/s，易引起旁通；②海管外輸瞬時(shí)輸量極不均勻，使得清管球走走停停。當(dāng)清管球停止時(shí)，由于上游（平臺(tái)端）壓力高，球前還有積液封閉，會(huì)出現(xiàn)上游天然氣、凝析油越過(guò)清管球（等徑甚至大于管徑）進(jìn)入下游，產(chǎn)生漏氣、漏液現(xiàn)象。由于氣量偏小，又受清管球下游積液的影響，運(yùn)行速度嚴(yán)重滯后，旁通量進(jìn)一步加劇。

3.2第二、三次通球清管失敗

2014年12月26日14：03，平臺(tái)第二次發(fā)送清管球，此時(shí)海管的積液量為499m3。2015年1月13日恢復(fù)正常輸量131.7×104m3/d后，清管球仍然沒(méi)有到達(dá)南山終端。主要原因是該清管球在海管運(yùn)動(dòng)過(guò)程中過(guò)盈量嚴(yán)重不足，無(wú)法形成有效密封，從而滯留在海管內(nèi)。

2014年12月31日11：52，第三次發(fā)送清管球，此時(shí)海管的積液量為493m3。2015年1月2日，平臺(tái)準(zhǔn)備將又一批次清管球裝入發(fā)球筒時(shí)，發(fā)現(xiàn)此前發(fā)送的清管球仍然停留在發(fā)球筒發(fā)射針下游的水平管段處，并沒(méi)有順利進(jìn)入海管而有效運(yùn)行。主要原因是發(fā)球時(shí)由于流量低使得上、下游壓差小，對(duì)清管球產(chǎn)生的推力過(guò)小，導(dǎo)致第三次通球清管失敗。

3.3清管所需推球輸氣流量的估算

對(duì)于第二次通球清管驗(yàn)證失敗，是否為清管所需推球輸氣流量不足引起的，需要進(jìn)行估算。

式中Q估為輸氣流量（m3/d）；F為管道內(nèi)徑橫截面積（m2）； p為清管器后的平均壓力（MPa）；V為清管器運(yùn)行平均速度（km/h）。

以清管球最小運(yùn)行速度0.2～0.3m/s為例，計(jì)算Q估=13.8×104m3/d。由此可知，估算的清管所需推球輸氣最小流量為13.8×104m3/d，這與清管模擬的結(jié)論14.4×104m3/d基本相符。因此，第二次通球清管驗(yàn)證失敗，不是清管所需推球輸氣流量不足引起的。

4　低輸量下清管方法

從海南管線(xiàn)低輸量下模擬實(shí)際通球案例來(lái)看，使用目前的馬洛利清管球，通球成功率明顯下降，理論模擬和實(shí)際測(cè)試有較大的出入。盡管通過(guò)減少海管積液量，加大通球頻次可以提高清管作業(yè)成功率，但清管作業(yè)失敗的風(fēng)險(xiǎn)仍然不能低估。

4.1低輸量下常規(guī)清球作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)分析

海南管線(xiàn)一旦進(jìn)入15～20×104m3/d低輸量狀態(tài)，常規(guī)清管球的清球方法將面臨較大的風(fēng)險(xiǎn)：①盡管可以人為建立壓差來(lái)提高清管球發(fā)送成功率，但難以保證100%發(fā)球成功；②清管球運(yùn)行速度過(guò)低，每小時(shí)僅為0.72～1.08km，清管過(guò)程中易出現(xiàn)上游天然氣、凝析油越過(guò)清管球的旁通現(xiàn)象，實(shí)際清管時(shí)間和模擬清管時(shí)間相差較大，清管時(shí)間嚴(yán)重滯后；③使用人為方法向球內(nèi)注入三甘醇液體達(dá)到2%的過(guò)盈量，但有時(shí)不能將球內(nèi)的空氣排盡而出現(xiàn)假過(guò)盈現(xiàn)象，當(dāng)球在海管內(nèi)壁擠壓作用下，其過(guò)盈量會(huì)因球內(nèi)氣體的壓縮或漏氣而減小，不能保證清管球與管內(nèi)壁之間達(dá)到良好的密封效果[5]，甚至?xí)霈F(xiàn)清管球在海管內(nèi)停滯不前，導(dǎo)致清管作業(yè)的失敗。

4.2馬洛利清管球和皮碗清管器比較

皮碗清管器由剛性骨架、皮碗、壓板、導(dǎo)向器等組成。各種式樣的皮碗清管器和直板清管器如圖1所示。工作時(shí)，皮碗與管道緊緊貼合，氣體在清管器前后產(chǎn)生一壓差，從而推動(dòng)清管器運(yùn)動(dòng)，并把污物清出管外[6]。皮碗清管器在清管過(guò)程中運(yùn)行速度平穩(wěn)，若結(jié)合直板清管器，可以進(jìn)一步提高清管效率。馬洛利清管球和皮碗清管器清管特點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表4，除通過(guò)性和發(fā)送模式外，皮碗清管器在密封

圖1　各種式樣的皮碗清管器和直板清管器

表4　馬洛利清管球和皮碗清管器清管特點(diǎn)對(duì)比

性、旁通現(xiàn)象、清管效率、使用程度等方面占優(yōu)勢(shì)。因此，建議對(duì)海南管線(xiàn)開(kāi)展直板清管器+皮碗清管器清管作業(yè)可行性研究，以避免和降低常規(guī)清管球通球存在的風(fēng)險(xiǎn)。

5　結(jié)論和建議

（1）海南管線(xiàn)隨著天然氣輸量的降低，海管內(nèi)的積液量增加，當(dāng)輸量低于71.9×104m3/d時(shí)不能直接進(jìn)行清管操作，可以采用批量清管的方法保證段塞流體積不超過(guò)捕集器容積，確保清管作業(yè)安全。

（2）在15～20×104m3/d低輸量時(shí)，海南管線(xiàn)使用常規(guī)清管球的清管方式將不再適用。

（3）建議海南管線(xiàn)開(kāi)展直板清管器+皮碗清管器清管作業(yè)可行性研究，全面評(píng)估低輸量下面臨的各種風(fēng)險(xiǎn)，找到常規(guī)清管球清管作業(yè)的正確替代方法。

[1]梁法春，曹學(xué)文，魏江東，等．積液量預(yù)測(cè)方法在海底天然氣管道中的應(yīng)用[J]．天然氣工業(yè)，2009，29（1）：103-105.

[2]國(guó)家能源局．天然氣管道運(yùn)行規(guī)范：SY/T5922-2012[S]．北京：石油工業(yè)出版社，2013.

[3]張鵬．長(zhǎng)輸天然氣管道低輸量下清管方法的研究[J]．石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，2000，11（2）：25-26.

[4]海上采油工程手冊(cè)編寫(xiě)組．海上采油工程手冊(cè)[M]．北京：石油工業(yè)出版社，2001：654-659.

[5]余曦，李偉林．清管球與清管器在中滄輸氣管道上的應(yīng)用比較[J]．油氣儲(chǔ)運(yùn)，1997，16（3）：34-35，49.

[6]李長(zhǎng)俊．天然氣管道輸送[M]．北京：石油工業(yè)出版社，2008：224-227.[作者簡(jiǎn)介]金光智：工程師，1997年畢業(yè)于西南石油學(xué)院石油天然氣地質(zhì)勘查專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)主要從事油氣開(kāi)發(fā)和管理工作。

（0755）21606026、michael.jin@cnooc.com.cn

（欄目主持樊韶華）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.12.034

2015-09-23