海上井口平臺超壓保護動態模擬研究

戴 磊，劉培林，余 智，陳 賓，李 豫

海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

海上井口平臺超壓保護動態模擬研究

戴 磊，劉培林，余 智，陳 賓，李 豫

海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

當前很多海上井口平臺泄壓系統采用全負荷設計理念，造成井口平臺泄壓系統龐大。已有文獻利用數值分析提出了可接受部分井口關斷失效，以降低泄壓負荷的方法，并取得了工程應用。以某工程項目為例，簡要介紹了工程概況，較詳細論述了HYSYS動態模型的建立，并對動態模擬結果進行了分析。研究結果表明，當海底管道入口關斷閥關閉，4口井中的1口井關斷失效時，系統瞬時超壓達到9 340 kPa，超過系統原設計壓力的1.1倍，且泄放閥瞬時泄放量也超過1口生產井的產量，瞬時最大泄放量達到1.11×106m3/d，但由于核算管道和管件可承受的最高壓力為10 200 kPa，所以該方案可保證生產系統安全。還對泄放閥尺寸的敏感性、關斷邏輯的敏感性、閥門特性的敏感性進行了分析。

海上平臺；泄壓系統；關斷失效；動態模擬；降本增效

在海洋石油工程井口平臺設計中，通常設計泄壓系統對井口管道、設備等進行超壓保護，系統的泄放能力一般按照全負荷設計。已有文獻結合概率論和安全儀表功能理論，對井口超壓保護系統的失效問題進行了可接受風險性論證，確定了既定井口規模下泄放負荷的合理范圍，降低了超壓保護系統的設計負荷，從而實現了井口平臺的降本增效[1]。

本文以某工程項目為例，運用HYSYS軟件建立動態模型，研究降低泄壓負荷的可行性以及超壓保護系統的可靠性，并且評估對工程項目的影響[2-3]。

1 工程概況

某氣田項目井口平臺流程如圖1所示。主要工藝流程為：共有4口生產井，井口采出物流沿出油管道經主閥、翼閥和油嘴進入生產管匯或測試管匯，生產井物流直接經過海底管道輸送至附近的中心處理平臺，單井測試時井口物流經測試管匯進入測試分離器，經三相分離計量后重新返回生產管匯外輸。

該平臺超壓保護系統主要包括：壓力報警及關斷系統、低壓側堵塞工況泄放閥、分液罐及冷放空臂等。利用數值分析，對井口系統和相關安全儀表等進行了可靠性論證，確定最低可接受失效井口數為1口，所以超壓保護系統的能力基于1口井的產量考慮[1]。全平臺最大產量為2.83× 106m3/d，單井最大產量0.71× 106m3/d，全負荷泄放和1口井泄放的方案對比見表1。

圖1 井口平臺工藝流程

表1 泄放方案對比

為了驗證基于方案2的超壓保護系統的可靠性，運用HYSYS軟件建立動態模型，采用動態方法模擬海底管道入口堵塞工況下（關斷閥誤關斷）生產系統壓力流量等的變化情況，從而對平臺的超壓保護系統進行安全分析。

2 動態模型的建立

2.1 工藝參數

模擬的主要基礎數據如下：全平臺4口生產井，最大產量為2.83×106m3/d，單井最大產量為0.71× 106m3/d。井口最大流壓和溫度分別為13 600 kPa/ 71℃，外輸壓力為4 900 kPa。采油樹主閥和翼閥關斷時間均為10 s，油嘴流量系數（CV值） 為80，關斷時間為30 s，關斷閥關斷時間為18 s。所有閥門特性和執行機構的關斷特性都根據廠家資料選擇，生產管匯上泄放閥的設定壓力為7 000 kPa。出油管道采用ASME 1 500磅級材料（公稱壓力25 MPa），生產管匯為降壓設計采用ASME 900磅級材料（公稱壓力15 MPa）。由于計量系統相對獨立，模擬中不予考慮。

2.2 建立動態模型

根據某氣田項目無人井口平臺流程（見圖1）和基礎數據，在HYSYS中建立了動態模型，見圖2。

3 動態模擬結果及分析

3.1 方案1與方案2模擬結果及分析

3.1.1 方案1模擬

圖2 井口平臺流程的HY SY S動態模型

圖3 方案1的HY SY S動態模擬結果

圖3給出了基于方案1海底管道入口關斷閥關閉，4口井同時關斷失效的動態模擬結果，即平臺生產系統的壓力以及泄放閥泄放流量隨時間的變化曲線。

從圖3的動態模擬結果可以看出，海底管道入口關斷閥的關閉導致生產系統壓力急劇上升，當系統壓力達到7 000 kPa時，泄放閥起跳，泄放閥規格為4N6（2800 mm2），當最大開度達到約60%時系統壓力即穩定，此時壓力約7 240 kPa，總泄放量約2.81× 106m3/d。方案1的全負荷泄放設計可以保證系統壓力不超過泄放閥設定壓力的1.1倍。

3.1.2 方案2模擬

圖4給出了基于方案2海底管道入口關斷閥關閉，1口井關斷失效的動態模擬結果。

從圖4的動態模擬結果可以看出，海底管道入口關斷閥的關閉導致生產系統壓力急劇上升，當系統壓力達到6 000 kPa時，生產管匯上壓力傳感器觸發生產關斷，井口關斷閥（主閥、翼閥等）開始執行關斷動作，但是由于閥門關閉需要一定時間，因此壓力依然在上升，生產系統壓力很快達到7 000 kPa，此時泄放閥起跳，且很快達到全開。此時由于生產井依然沒有完全關閉，且有1口井關斷失效，而泄放閥尺寸僅是按照井的產量選取的，管路緩沖容積有限，因而導致系統壓力迅速升至9 340 kPa。

圖4 方案2的HY SY S動態模擬結果

隨著其他井口關斷閥的完全關閉，系統壓力開始下降，直到泄放閥泄放能力與1口生產井的產量相當，系統壓力穩定在7 440 kPa左右。由上述計算可見，系統瞬時超壓達到9 340 kPa，超過系統原設計壓力的1.1倍，且泄放閥瞬時泄放量也超過1口生產井的產量，瞬時最大泄放量達到1.11× 106m3/d。

由于該平臺為簡易井口平臺，生產系統僅有生產管匯和外輸管道等，根據ASME B16.5核算管道和管件在工作溫度下可承受的最高壓力為10 200 kPa，所以方案2可保證生產系統安全。

3.2 泄放閥尺寸的敏感性分析

根據動態模擬結果，為了確保生產系統的安全，可以考慮增大泄放閥的尺寸以增大泄放量，從而減小系統的最高超壓。

調整方案2的動態模型，將泄放閥尺寸規格由2H3（506.5mm2）增大一個級別至3J4（830.3mm2）[4]，得到的模擬結果見圖5。

圖5 方案2增大泄放閥尺寸的HY SY S動態模擬結果

對比圖4、圖5可見，增大泄放閥尺寸后，生產系統最高壓力明顯下降。若遇到核算系統的設計壓力滿足不了瞬時最高壓力的話，可考慮通過增大泄放閥尺寸以及泄放系統泄放能力來解決，但是泄放量將會明顯增加，所以泄放閥尺寸的選擇對于系統的安全非常關鍵。

3.3 關斷邏輯的敏感性分析

利用動態模擬技術可以方便地模擬各種事故工況，通過對事故工況的模擬，驗證目前的關斷邏輯是否能夠保證系統的安全。例如，為了防止系統關斷過程對油嘴和井下主閥的沖蝕作用，有時會考慮油嘴和主閥的延時關斷，假設方案2的油嘴和主閥延時關斷時間分別為3s和15s，則得到如圖6所示的模擬結果。

對比圖4、圖6可以看出，由于油嘴延遲關斷，井口物流沒能及時節流，進入系統的物流量明顯大于無延時關斷的情況，導致系統達到更高的壓力（11 350 kPa），超過ASME 900磅（公稱壓力15 MPa）管道和管件在工作溫度下可承受的最高壓力。所以關斷邏輯的選擇對系統的安全至關重要。

3.4 閥門特性的敏感性分析

閥門的開關閥時間以及操作特性對壓力保護系統也非常重要，選擇合適的閥門類型是提高系統可靠性的有效途徑，通過在動態模擬中研究閥門特性及開關閥時間對安全系統的影響，可以為閥門選型給出建議。

圖6 方案2延時關斷工況下的HY SY S動態模擬結果

閥門的操作特性是指閥門流通能力和閥門開度之間的關系，一般分為等百分比型、線性型、快開型和自定義型。例如油嘴閥門的特性對于系統的影響見表2。

表2 不同油嘴閥門特性下的模擬結果對比

由表2可以看出，若油嘴選用線性，則系統最高壓力已經超過了10 200 kPa，而根據廠家閥門特性曲線輸入的自定義閥門特性得到的結果則明顯減小。由此可看出，關鍵閥門的閥門特性對于系統的安全也有很大影響。

在觸發關斷后，由于關斷閥和泄放閥的關閉和開啟在實際生產中都需要時間，關鍵閥門的開關閥時間對工藝安全系統可能產生較大影響。例如表3反映了油嘴的關閥時間對系統超壓的影響。

表3 油嘴不同關閥時間下的模擬結果對比

由表3可以看出，若油嘴關閥時間縮短，則系統最高壓力和最大泄放量均有明顯降低。可見關鍵閥門的關閥時間對于系統的安全也有很大影響。

經過對比分析可以找出影響系統安全性的關鍵閥門，可選擇調整關鍵閥門的特性以及開關閥時間，在保證系統安全的基礎上指導選閥，盡量降低投資。

4 結束語

通過建立HYSYS動態模擬，分析了某井口平臺的超壓保護系統，降低泄壓負荷的可行性以及超壓保護系統的可靠性。同時利用動態模擬技術對平臺關斷邏輯、關鍵閥門的閥門特性和開關閥時間等對生產系統的影響進行了敏感性分析，從而為該井口平臺的設計提供更準確的基礎參數和建議。

[1]孫曉東，劉培林，霍有利，等.邊際油田降低井口泄壓負荷的方法開發及實踐[J].世界石油工業，2016（4）：263-268.

[2]API STD 521-2014，Pressure-relieving and Depressuring Systems[S].

[3]曹湘洪.石油化工流程模擬技術進展及應用[M].北京：中國石化出版社，2009：340-357.

[4]APISTD 526-2002，Flanged SteelPressure Relief Valves[S].

Dynamic simulation for overpressure protection ofoffshore wellhead platform

DAILei，LIU Peilin，YU Zhi，CHEN Bin，LIYu
Offshore OilEngineering Limited Company-COOEC，Tianjin 300451，China

The pressure relief system of offshore wellhead platform usually adopts the full load relief design concept，which results in a huge relief system on platform.Existing literature using numerical analysis on the wellhead system proposes a method that can accept partial failure of wellhead system to reduce the relief load，and engineering application is obtained. Based on one recent project，HYSYS is used to set up dynamic model and conduct simulation，the results are analyzed. When the shut-down valve at subsea pipeline inlet is closed and one of four wells is failed to close，the instantaneous overpressure of the system reaches 9 340 kPa which is 1.1 times of the designed pressure of the system.The instantaneous relief rate of the relief valve exceeds 1.11× 106m3/d.But the checked maximum pressure bearable for pipeline and pipe fitting is 10 200 kPa，so the production safety is ensured.The sensitivities of the relief valve dimension，shut-down logic and valve characteristic are also analyzed.

offshore platform；pressure relief system；shut-down failed；dynamic simulation；reduce cost and raise efficiency

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.03.009

戴 磊（1985-），男，安徽舒城人，工程師，2007年畢業于中國石油大學（北京）油氣儲運專業，現主要從事海洋平臺油氣處理、儲運工藝方面的研究工作。Email：dailei@mail.cooec.com.cn

2017-02-13