海底管道段塞流對zj25-1南油田群的影響與控制措施

寧永庚 周海軍 李 巖

1中海石油（中國）有限公司天津分公司

2中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司

海底管道段塞流對zj25-1南油田群的影響與控制措施

寧永庚1周海軍2李 巖2

1中海石油（中國）有限公司天津分公司

2中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司

在海洋油氣開采系統中，混輸海管內多相流動常處于段塞流工況，這將對海洋平臺產生極大的危害。zj25-1南CEP平臺共有9條海底管線，段塞流對zj25-1南CEP處理系統造成的危害主要體現在多相分離系統和天然氣系統方面。根據zj25-1南油田群的實際情況，從上游和下游兩個方面采取措施應對海管中出現的段塞流：上游控制混輸海管合理的氣液比和起輸溫度，提升海管輸送效率，從而削弱和消除段塞流的形成；下游合理調整一級分離器入口和jx高壓分離器入口處PV閥的參數設置，采用節流法可以有效減弱及消除段塞流對流程的沖擊。

混輸海管；段塞流；原油處理流程；氣液比；壓降

在海洋油氣開采系統中，由于存在大量的輸量變化、開井關井等操作，混輸海管內多相流動常處于段塞流工況。出現段塞流時，氣體和液體交替流動，充滿整個管道流通面積的液塞被氣團分割，在管道出口處交替出現斷流、大液塞以及強烈的氣體脈動，使油氣混輸管道和下游設備承受間歇性應力沖擊，對海洋平臺會產生極大的危害。隨著海上油氣開采逐步向深海領域發展，多相混輸管道長度及立管高度會不斷增加，段塞流的消除成為亟待解決的問題。

1 概況

zj25-1南油田群位于渤海遼東灣海域，包括zj25-1南油氣田、zj25-1油田和jx1-1油田，共計3座中心處理平臺（CEP）、4座井口平臺（WHP）。其中，zj25-1南CEP平臺共有9條海底管線，是整個油田群的油氣集輸中心，3個油田的原油在zj25-1南CEP平臺混合后輸送至陸地處理廠。原油處理系統流程如圖1所示。

圖1 zj25-1南CEP平臺原油處理系統流程

2 段塞流產生的原因及其影響

2.1 zj25-1南油田群段塞流產生的原因

多相混輸管道中的滯液是產生段塞流的基本條件[1]，它的形成主要有以下幾種原因：

（1）普通水力輸送產生段塞流。混輸管道內流體流動為層流時，流體在氣液交界處形成波浪，在受到流速不均或者其他外界因素干擾時，逐步發展至堵塞整個管斷面，層流狀態遭到破壞形成段塞流。

（2）沿海底管道走向高度變化產生段塞流。海底管道上連接zj25-1南油氣田CEP收球筒處的立管可引起段塞流，段塞流量的大小與立管高度及立管底部水平管道的傾斜度有關[2]。

（3）操作過程易引起段塞流。生產流程中由于閥門的開關等瞬間操作導致流量和壓力變化，以及通球可引起段塞流。

（4）管道壓力波動引起段塞流。隨著jx1-1油田與zj25-1南油氣田WHPB平臺開采年限的延長，外輸氣量逐年增加，混輸管線中的氣油比將超過管道的最小壓降氣液比，管道壓降增大[3]，壓力波動加劇，從而引起段塞流。

（5）管線內流型的改變導致段塞流的產生。jx1-1油田至zj25-1南CEP的海底混輸管線的實際長度為29.7 km，zj25-1南油氣田WHPB平臺到zj25-1南CEP的海底管線的實際長度為6.6 km，過長的輸送距離使得流體很難保證始終以層流狀態流動，流型的變換會加劇段塞流的形成。

2.2 段塞流對zj25-1南油田群的影響

2.2.1 段塞流對多相分離系統的影響

zj25-1南油氣田WHPB平臺生產的油、氣、水在外輸海管中形成的段塞流——一段氣塞一段液塞，高速流進各級分離器，對各級分離器造成強烈沖擊，容易造成各級分離器“液位高高”和“壓力高高”，造成原油生產流程與天然氣流程的三級關斷。同時，段塞流也影響分離器的分離質量。嚴重段塞流進入分離器后，由于液量過大，會造成液相在各級分離器內的停留時間過短，三相分離不夠充分，達不到設計的分離效果。另外，由于段塞流來液量與氣量的非均衡性，使得各級分離器的實際操作壓力時高時低，限制了分離器正常發揮作用。

jx混輸海管的段塞流對jx分離器沖擊比較大，容易造成其“液位高高”而發生關斷，處理不及時還可能造成jx分離器冒罐。jx1-1油田的原油通過29.7 km海底混輸管線到達zj25-1南CEP，隨后進入jx分離器。由于jx分離器容積比較小（76 m3），緩沖能力有限，當嚴重段塞流到來時，將會在極短的時間內造成油室“液位高高”，進而導致jx1-1油田三級關斷。同時，由于段塞流所攜帶的氣量不穩定，當氣塞到達jx分離器時，將會造成其壓力升高，進而導致伴生氣壓縮機入口“壓力高高”而過載停機，影響整個氣系統的正常平穩運行。

2.2.2 段塞流對天然氣系統的影響

zj25-1南油氣田WHPB平臺混輸海管內的段塞流嚴重影響zj25-1南CEP一級分離器的進氣量。嚴重段塞流時，當氣塞到達一級分離器時，瞬間氣量就會特別大，持續時間將隨氣塞長度而定，容易造成中壓壓縮機入口“壓力高高”停機；同時，流程中的二級分離器和三級分離器也將出現壓力高的情況，導致伴生氣壓縮機入口壓力高，嚴重時將會導致伴生氣壓縮機入口“壓力高高”過載停機，進而導致中壓機停機。當液塞到達一級分離器時，瞬時氣量將會特別小，持續時間隨液塞長度而定，如果中壓壓縮機的回流閥調節不夠及時，將會造成中壓壓縮機入口“壓力低低”停機；同時，流程中的二級分離器和三級分離器也將出現壓力低的情況，導致伴生氣壓縮機入口壓力低，嚴重時將會導致伴生氣壓縮機入口“壓力低低”停機，進而導致中壓壓縮機停機。

當jx1-1油、氣、水三相混輸海管內的段塞流到達jx分離器（V-2006）時，jx分離器的壓力劇烈波動，導致伴生氣壓縮機入口的壓力也劇烈波動。如果段塞流嚴重，當氣塞到達V-2006時，會瞬間造成V-2006高壓，導致伴生氣壓縮機入口“壓力高高”過載停機；當液塞達到V-2006時，會瞬間造成V-2006低壓，導致伴生氣壓縮機入口“壓力低低”停機。

如果zj25-1南CEP由于段塞流影響而產生三級關斷，將會導致整個zj25-1南油田群停產，同時影響下游zj20-2天然氣處理廠和綏中36-1CEPK平臺透平發電機組的用氣量。如果中壓壓縮機停機，將會影響zj25-1南CEP的4臺透平發電機和綏中36-1CEPK平臺的3臺透平發電機的燃料氣量，處理不及時將會造成zj25-1南油田群和綏中36-1油田群透平失電的二級關斷。

3 應對段塞流的措施

目前，油田群應對段塞流采取的措施基本上都是從干擾流動和增加附加設備兩方面出發。增加附加設備主要是設置段塞流捕集器和在立管底部插入小直徑管線兩種途徑。干擾流動主要有三種途徑：①減小立管中的液塞密度，從而降低液體的靜壓力，如注氣舉升法[4]；②增大立管上游管道中氣體的壓力，如節流法[5]；③改變進入立管底部流體的流型，消除出現段塞流的條件，如擾動法。目前國外常用的處理方法大都是基于這三種途徑。部分油田已將上述方法應用到實際生產中，取得了很好的效果。

根據zj25-1南油田群的實際情況，從上游和下游兩個方面來應對海管中出現的段塞流。

3.1 上游采取的措施

（1）根據混輸海管的最小壓降氣液比[6]，合理控制油井的氣油比，調整混輸海管的氣液比。當混輸海管的外輸氣液比遠遠超過海管的最小壓降氣液比時，海管壓降會隨之增大，這將極大地降低海管的輸送效率，導致海管壓力劇烈波動，出現嚴重段塞流。zj25-1南WHPB平臺的油井主要處于西高帶沙河街的大氣頂油藏，隨著開采年限的增加，油井產氣量逐年增大，產液量逐年衰減，導致外輸氣液比逐年增大。另外，jx1-1油田的混輸海管在輸送過程中摻氣，其氣液比的大小同樣影響到混輸海管壓降的強弱。因此，在調整整體開發方案時，應考慮段塞流的影響，可以合理調整油井生產制度，控制好jx1-1的外輸氣液比。

（2）降低混輸海管的外輸含水量，減少海管內紊流的出現。海管內油、氣、水三相混輸比油、氣二相混輸的流型更為復雜多變，更容易形成紊流，進而形成段塞流。控制好混輸海管的外輸含水量，避免復雜流型的出現，減少段塞流的形成。

（3）控制好jx1-1混輸海管的起輸溫度，減小壓降，提升海管輸送效率。研究表明，對于輸送高黏原油的混輸管道來說，起輸溫度對壓降計算的影響是顯著的，而對于輸送高黏原油的長距離海底混輸管道，起輸溫度的影響將更為顯著；但是在海底混輸管道中，將起輸溫度定得過高不僅會增加平臺的熱能消耗，而且會給海底管道結構設計帶來困難。因此，在jx1-1高黏原油海底混輸管道中應將起輸溫度控制在適當的范圍。

（4）清管作業期間，減少或停止向混輸海管內進氣，控制混輸海管的外輸氣液比。當jx1-1油田—zj25-1南CEP混輸海管需要進行清管作業時，jx1-1油田可減少外輸摻氣量；當zj25-1南油氣田WHPB—zj25-1南CEP混輸海管需要進行清管作業時，WHPB平臺可調整高產氣的油井生產制度，控制產氣量。

3.2 下游采取的措施

（1）合理調整一級分離器入口壓力調節閥的工作方式。由于zj25-1南油氣田WHPB平臺—zj25-1南油氣田CEP油、氣、水混輸海管內段塞流比較嚴重，對分離系統和天然氣系統影響比較大。為了減緩段塞流的沖擊，根據油氣田目前的實際生產情況，對V-2001入口壓力調節閥的工作方式進行合理調整：由之前的自動調節改為手動調節，保持適當的閥開度，使其充當節流閥的角色[7]，控制管線內的流量和壓力，利用節流法來減弱或消除段塞流。

（2）注入適當的化學藥劑。對于油、氣、水三相混輸海管，管線內容易產生泡狀流，消泡劑的添加則顯得尤為重要。

（3）在jx1-1混輸海管收球筒后添加壓力調節閥。添加壓力調節閥后，可以根據實際情況設置調節閥的參數，合理控制管線內的流量與壓力，使調節閥發揮較好的節流作用，進而減弱或是消除段塞流。

（4）在jx1-1混輸海管收球筒后增加jx高壓分離器。高壓分離器充當段塞流捕集器的角色，可有效削弱段塞流對zj25-1南CEP平臺的影響。根據jx1-1混輸海管的不同油氣比和產量計算得出可能出現的最大段塞量為12 m3，而根據經驗公式計算的最大段塞量為5倍立管體積約20 m3，增加油室容積為20 m3的高壓三相分離器可以滿足各種工況。

（5）采用干氣大回流，避免段塞流對天然氣系統的影響。zj25-1南CEP平臺進行了一系列流程優化改造，具體方案如下：在合格的干氣外輸管線上連接管線至中壓機入口和低壓機入口，形成干氣回流流程，利用壓力調節閥控制回流氣壓力，穩定中壓機與低壓機入口壓力，避免其受段塞流的影響，確保天然氣壓縮機的穩定運行。

4 結論

（1）合理調整一級分離器入口和jx高壓分離器入口PV閥的參數設置，采用節流法可以有效減弱甚至消除段塞流對流程的沖擊。

（2）增加高壓分離器有效地削弱了jx1-1混輸海管中的段塞流對zj25-1南CEP平臺的影響。

（3）上游控制混輸海管合理的氣液比和起輸溫度，提升海管輸送效率，能夠減弱或消除段塞流的形成。

（4）在混輸海管的上游注入消泡劑，有助于消除段塞流。

（5）干氣大回流有效地消除了段塞流對天然氣系統的沖擊，保證了天然氣系統的平穩運行。

[1]Hussaain A．Overcoming slugging problems in a long-distance multiphase crude pipeline[J]．SPE 56460，1999：161-170.

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[3]張友波，李長俊，楊靜，等．油氣混輸管流中壓降和持液率的影響因素分析[J]．天然氣勘探與開發，2005，28（1）：56-58.

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[6]周曉紅，葉兵．海底多相流混輸管道壓降計算主要影響因素分析[J]．中國海上油氣，2007，19（1）：56-59.

[7]SCHMIDT Z，BRILL J P，BEGGS H D．Chocking can eliminate severe pipeline slugging[J]．OGJ，1979（1）：230-238.

（欄目主持 紀嫦杰）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.10.003

寧永庚：高級工程師，碩士，1999年畢業于江漢石油學院石油工程專業，主要從事油氣田生產管理工作。

2015-07-24

13652006226、nyg1975@163.com