海上采油注水系統水錘效應分析與控制措施

王佳中

(中海石油(中國)有限公司秦皇島32-6/渤中作業公司 天津300452)

0 引 言

石油開采進程以向產油地層注水補充驅油能量為標志進入二次采油階段，海水、地下淡水和油氣田生產水是常見的注入介質。近十年來隨著國家環保立法的逐步完善和企業環保意識的普遍增強，生產水回注地層自然而然地成為石油企業首選的石油開發生產工藝，既可以實現油氣增產和減少污染物排放的雙重目標，又能夠開創企業經濟效益和國家環境保護同步雙贏的局面。然而嚴重的水錘效應對大型壓力管道系統和設備有巨大破壞力，是影響系統安全運行的重大隱患。從20世紀60年代起國內水動力專業和相關行業就進行了大量的水錘理論研究和工程防護措施實踐，近年來取得了很大進展。海上采油生產水注水系統具有自動化程度高、長距離海底管道輸送、末端高壓、隔離空氣環境運行等特點，較陸地一般給水行業而言其水錘引發因素更加多樣化，加之海上作業場地規模受限、安全環保因素敏感度高等因素，海上采油生產水注水系統水錘效應控制措施研究意義愈顯重大。本文基于水錘理論研究成果和海上陸地各行業的成功經驗，通過建立典型模型分析系統內水錘效應的影響范圍和嚴重程度，從全系統、各專業、各階段綜合調控角度歸納、總結了以下兩個問題的解決措施：①閥門快速關閉、水泵驟停時水錘效應引起的管道系統超壓；②生產水回注井口平臺水錘效應導致的生產水緊急舷外排放。

1 水錘簡介

當壓力管道中流體流速因外界原因而發生急劇變化時，液體的內部會產生壓強迅速升降，以縱向波的形式沿管道系統往復傳播的現象，就像錘子敲打一樣，所以這種現象稱為水錘，是體現流體的可壓縮性、慣性和管道材料彈性的一種物理現象，由水錘效應引起的系統瞬時高壓對管道和設備有極大的破壞性[1]。

水錘分類方式有多種[2]，從水錘成因角度又可分為啟停泵水錘和開關閥水錘。根據水錘相是否大于閥門關閉歷時的關系，關閥水錘分為直接水錘和間接水錘。根據壓力的變化趨勢，當管內流速急劇下降、壓強迅速上升時為正水錘；管內流速急劇上升、壓強迅速下降時為負水錘。根據管道內是否發生氣液兩相分離，將水錘分為斷流彌合水錘和無斷流水錘。本文重點分析對海上采油注水系統危害較大的停泵、關閥引起的正水錘效應。

圖1 典型模型系統Fig.1 Typical model

水錘理論研究和工程實踐表明，除人為操作因素外，水錘效應還受管材、介質流速、閥門種類、管道長度、管道布置方式、水泵轉動慣量、已采取的防護措施等多種因素影響[1]：在同一管道系統中管道材質、尺寸、上下游工況相同時，系統內流速變化值越大水錘壓力增幅越大[3]，流速變化越慢水錘壓力增幅越小[4]，因此流速變化值相同的情況下管道直接水錘的壓力增幅大于間接水錘的壓力增幅。如發生間接水錘，管道閥門距上游泄壓閥的長度越長，閥門完全關閉歷時越短，系統內壓力增幅越大[1]。

2 各種工況下水錘影響分析

2.1 注水系統模型

海上采油注水系統由濾器、水泵、采油樹等多種機械設備、閥門和地面及海上管道組成，在不影響分析結果的前提下，筆者將其進行必要簡化后構建了具有代表性的典型模型，系統簡圖如圖1所示。

日常運行時系統中關斷閥、注水井井上安全閥、壓力調節閥、液位調節閥、各設施注水增壓泵和注水泵都接受中央控制系統信號遠程控制，僅FPSO液位調節閥由FPSO中控室值班人員手動調控，信號源包括設置于注水海底管道兩端和泵兩端管道的壓力超低/超高信號、緩沖罐液位超低信號、電力系統卸載以及中控系統生產、火災、撤離平臺 3級逐級升高的關斷信號，不同的各關斷信號關閉不同的閥門和泵，典型的因果邏輯關斷動作參見表1。

2.2 影響分析

筆者采用理論指導結合實踐的方法，依照水泵和設施關停范圍從小到大的順序對停泵、關閥水錘效應對上述注水系統模型系統造成的不同影響分別進行分析，發現低級別單個水泵或設施的關停在壓力保護值設置不當、閥門關閉過快的情況下也可能引起單平臺、單系列、雙系列及全油田設施注水系統關停，對系統管道、設備造成嚴重影響。

2.2.1 單泵關停

由于本系統多臺泵、多注水設施平臺并聯，單泵關停后流量變化和相應的管道內流速變化都相對較小，只影響對應單泵進出口管線，對整個系統影響范圍和嚴重程度都較小，遠端注水平臺停泵影響更小，一般情況下不會引起上或下游水泵連續關停，但若保護值設定不當，可能引起并聯泵關停，進而擴大影響范圍到整個平臺。

2.2.2 單平臺關斷

2.2.2.1 并聯設施系統

并聯設施注水系統中單設施注水泵、注水增壓泵由于排出口壓力異常全部關停，將引起泵吸入口一側管道壓力升高，如果是泵出口壓力高則泵出口壓力調節閥打開，一定量生產水排舷外；單平臺停泵的影響與平臺的水泵總注入量及與 FPSO增壓泵的距離有關，通過科學計算和實踐檢驗確定上游平臺的壓力高高保護值可以將其影響限制在單個平臺。最小流量保護閥有止回閥的特性，又可在壓力升高到設定值時開啟，使一定量流體回流到泵吸口管道，對緩解泵出口閥門關閉引起的水錘效應有一定的作用，同時能防止水泵倒轉，作用類似于緩閉止回閥。

2.2.2.2 串聯設施系統

串聯設施系統中注水增壓平臺 WHPA或下游WHPC注水關斷，將間接導致A系列全部關斷，這種情況下FPSO至WHPA、WHPA至C上游水錘情況比較嚴重。

2.2.3 單系列關斷

并聯設施系列關斷工況下，A或 B側注水系統全關斷，對 FPSO到近端平臺 WHPA/B供水管道的影響較嚴重。

2.2.4 雙系列關斷

注水泵、注水增壓泵關停或關斷閥關閉，FPSO至 WHPA/B的管道系統將受到嚴重的水錘影響，是水錘最嚴重的工況，模型中采用了壓力調節閥泄壓回流控制措施，泄放的超壓水排入緩沖罐，有緩沖罐內液位高可溢流排入水處理系統。

2.2.5 油田注水系統關斷

FPSO注水增壓泵關停，下游各平臺由于水系統壓力降低分別停泵，這種情況下，FPSO增壓泵出口至下游各平臺發生負水錘，無超壓風險，其上游為緩沖罐，大量的生產水返回緩沖罐。

表1 典型的因果邏輯關斷動作Tab.1 Typical cause-and-effect logic shutdown actions

3 水錘控制措施

①新建油田開發項目在設計階段應依照系統中流量最大工況作為最不利情況進行計算分析，進而確定油田管道、海底管道系統及設備壓力等級，在海管首末端和大型濾器進出口均設置安全閥。在系統中水錘最嚴重的部位——FPSO增壓泵止回閥下游設置緩沖氣體壓力罐[5-6]，充入氮氣或油田伴生氣，增強對FPSO和單點之間的跨接軟管及海底管道的保護效果，改、擴建項目則需進行必要的水錘壓力升限計算、管道壓力等級校核及防控措施補充。

②安全閥和調壓閥是保護管道設備的有力措施[7]，通過計算比較排出的液體，保留其中排液較少的方式，設置兩個同一種閥門互相備用，增加系統安全可靠性，井口平臺水錘應急排放液進入閉排罐或獨立應急排放緩沖罐[4]，或者利用低壓高注入量注水井或停產油井作為應急儲液設施。

③并聯供水主管道上設置緩閉止回閥代替自力式壓力調節閥，水泵出口管道用最小流量保護閥代替止回閥[4]，回流到水泵吸入口。

④并聯運行的泵各泵出口分別設置壓力高高和低低傳感器，根據水泵數量和水錘壓力將壓力高高值分檔，依次關停各水泵，降低流量變化絕對值和變化速度。

⑤發生高別級關斷后，中控系統發出停泵信號后延時 30～50,s或現場控制儀表氣供給速度緩閉關斷閥和注水井井上安全閥[7-8]，變直接水錘為間接水錘，具體延時時長根據計算確定，對于超過兩臺并聯運行的泵，設定延時調整器分別、依次關停各水泵。

⑥并聯運行管網系統泵吸口方向海底管道壓力高高信號不引起相對應的關斷閥關閉和水泵關停，遠端注水泵與近端注水泵吸入口壓力低低保護值設定相同，這樣一旦供水端壓力降低，將先關停遠端平臺注水泵，避免單系列、雙系列和油田注水系統關斷，降低水錘的破壞力，同時減小其影響范圍。

⑦海底輸水管道關斷閥關閉結合泄漏監測執行手動關閥控制方式，減少關閥水錘發生的可能性并控制事故工況下生產水泄漏量。

⑧增壓泵引入采用變頻技術自動控制流量、壓力。

⑨優化管道配管設計控制流速、流向突變[9]。

⑩優化常規啟停泵、開關閥門及 SDV閥的操作規程[7,10]。

4 結 論

海上采油注水系統受自身特點和海上空間環境的約束，使陸地一般給水系統防護水錘的空氣閥、調壓塔等措施在海上并不適宜，在成本、安全和可靠性優化的條件下，應采取盡可能多種形式的控制措施，才能達到理想的防護效果。在中心平臺 CEP或FPSO——生產水源供給端、場地空間條件相對較好、且水錘影響最嚴重的大型設施上推薦采用防護效果較好的充氣壓力緩沖罐；各類增壓泵、注水泵都用最小流量保護閥或緩閉止回閥代替普通的止回閥。除了在硬件管道、設備方面采取措施外，在電力、控制系統方面控制潛力巨大，通過調整運行參數值、優化控制邏輯等方法結合電機變頻驅動技術的引入，將簡化停泵關閥動作，變成自動化條件下的局部的、有序的、一定節奏的可控關停，降低系列和多系列關斷的可能性。在井口平臺采用雙安全閥或調節加安全閥的防護方式，使水錘現象發生頻率及其對安全、環保和油田生產的影響范圍、嚴重程度均最小化。

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