深水海底管道預調試流動保障分析

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(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

近年來，深水油氣田開發愈發迫切。如何安全高效地將油氣資源從地層輸送到處理設施，并最終供給用戶成為流動保障設計的目標[1-4]。海底管道預調試是確保海底管道順利運行的重要環節，有必要對預調試過程中的流動安全問題進行分析。海底管道的預調試基本包括清管、測徑、試壓、排水、干燥及惰化等過程[5]。新建海底管道投產之前必須通過預調試作業對其進行檢查，確保海底管道達到水下油氣田投產要求。預調試作業能夠清除管內鐵銹等雜質，減少海底管道腐蝕，提高海底管道使用壽命[6]。海底管道預調試中清管、測徑等操作都需要用到清管器，因此清管器的運行情況，以及壓力、溫度的變化成為流動保障分析的重點。國內外對清管技術已經開展了諸多研究，包括管道清管器的類型、清管器選型依據、清管質量控制、清管周期、清管器速度控制、清管器跟蹤、清管器卡阻和清管安全措施以及清管方案選擇等[7-12]，但對深水海底管道預調試階段清管技術研究有限。本文以南海東部某深水氣田回接管道預調試為例，基于當今世界領先的全動態多相流模擬計算軟件OLGA[13-14]，對預調試過程進行數值模擬，分析海底管道在預調試過程中的流動保障問題并加以控制解決。

1 海底管道預調試方案

1.1 海底管道基本情況

南海東部某深水氣田包含7口叢式氣井，全部以鋼質跨接管連接到水下中心管匯，再通過長約27 km的海底管道回接到已有水下設施，最終回接到中心處理平臺進行處理。水下井口所處位置的海水溫度約為4.2～6.6 ℃。新建中心生產管匯水深約為680 m。回接設施為已建水下中心生產管匯，水深約為1 100 m。用于連接新建中心管匯和下游已有設施的海底管道規格為?323.9 mm×11.1 mm，設計壓力為29 000 kPa。

深水海底管道路由概況見圖1，管道橫斷面結構見圖2。

圖1 深水海底管道路由概況

圖2 深水海底管道橫斷面結構

1.2 預調試流程

水下增壓模塊是一種用于深水海底管道預調試操作的新型設備[15]。它可以坐落在海床上，將經化學藥劑處理過的海水增壓后注入到發球筒內，并監測發球過程中海底管道內的壓力、溫度及流量等數據。深水海底管道預調試操作流程見圖3。

圖3 深水海底管道預調試操作流程

1.2.1清管、測徑

海底管道空管鋪設完成后需對海底管道進行清管、測徑作業。為節約成本，充分利用海水靜水壓力與海底管道內大氣壓力間的壓差推動清管器進行清管和測徑作業。

將水下注水增壓模塊放置在海床上并連接到海底管道入口(淺水側)的發球筒，通過此模塊注入經過濾和化學藥劑處理過的海水，并用模塊內節流裝置控制海水流入量，確保清管器在合理的速度內前進，直到清管器移動到海底管道出口(深水側)附近，海底管道內外壓力達到平衡，清管器停止運動。

由于海底管道路由起伏不定，下傾角度較大時清管器前阻力較小，容易使球速過快撞擊管壁造成清管器損壞和管壁受損，因此需要在清管器前充入一定長度的水塞來增大阻力，防止事故的發生。

最后打開海底管道出口收球筒上的閥門排出空氣，并利用水下注水增壓模塊注入海水，直到清管器進入收球筒完成清管、測徑工作。回收收球筒，檢查測徑情況。

1.2.2試壓

清管、測徑完成后進行試壓作業，試壓作業所需設施見圖4。

支持船上的增壓泵通過水下軟管向海底管道中注入海水，注入時在輸送介質中加入染色劑。當溫度平衡后增加系統壓力，待達到100%試壓壓力后穩壓30 min，若壓力無變化則開始正式穩壓24 h。若壓力發生變化，應仔細檢查打壓系統是否存在漏點并重新試壓。當系統壓力變化在試壓壓力的±0.2%內且經檢查沒有發現漏點時，穩壓結果可以接受。最后以100 kPa/min的泄壓速率泄壓，完成試壓工作。

圖4 試壓作業所需設施

1.2.3排水、干燥

試壓完成后對海底管道進行排水作業。支持船先航行至海底管道出口側下放收球筒，并將收球筒連接至海底管道出口端，打開管路上的閥門準備收球。然后支持船航行至海底管道入口側下放發球筒，并將發球筒連接至海底管道入口端。通過水下軟管連接支持船上的注入泵和發球筒發射清管器。當清管器進入收球筒后，回收收球筒完成排水作業。

此海底管道連接水下中心管匯，如果用干空氣干燥法或氮氣干燥法干燥管道，實際投產時管道內存留的氣體將進入下游海底管道與下游生產介質混合，給中心平臺處理造成困難。經過方案比選后，采用從支持船上注入水合物抑制劑乙二醇溶液推球排水的方法。存留在海底管道內的乙二醇溶液在投產時可以起到防止水合物生成的作用，此部分乙二醇溶液還可以回到中心處理平臺進行回收，節約成本。

2 海底管道預調試流動保障分析

基于OLGA動態模擬軟件對海底管道進行數值模擬。將海底管道所處環境溫度、管道路由、規格、內壁粗糙度、傳熱系數、管內流體的性質及流量以及海底管道進出口邊界條件等作為輸入參數。

2.1 清管、測徑

海水靜壓推動清管器由淺水端向深水端移動，為了控制清管器的速度小于1.5 m/s，需要在清管器前注入一定長度的水塞增加球前的阻力，避免速度過快造成清管器損壞和管壁受損。

將海底管道入口體積流量基本控制穩定在190 m3/h，使液體流速基本為0.8 m/s。清管器前充入水塞長度分別為2 km、5 km和8 km時清管器的速度變化見圖5～圖7。從圖中可以看出，只有水塞長度為8 km的清管器最大速度小于1.5 m/s，滿足要求。水塞長度為2 km、5 km時清管器最大速度分別為3.2 m/s和2.5 m/s，球速過快易與管壁碰撞并會對球體造成損壞。9.4 h后管內外壓力基本達到平衡，清管器停止移動。

圖5 2 km水塞長度下清管器速度變化

圖6 5 km水塞長度下清管器速度變化

圖7 8 km水塞長度下清管器速度變化

2.2 試壓

按照海水表層溫度為30 ℃考慮，支持船從海面處取水注入到海底管道。海底管道內部水溫隨時間變化模擬結果見圖8。由圖8可以看出，注水后海底管道入口溫度約為19 ℃，海底管道入口處水溫從停止注水時算起到與水下環境溫度6 ℃一致，大約需要8.3 h。根據此時間可以指導現場合理安排試壓前準備工作，防止因溫度未達到平衡就進行試壓作業而造成試壓壓力波動過大，從而提高現場工作效率。

圖8 深水海底管道內部水溫隨時間變化模擬結果

2.3 排水、干燥

支持船通過下放軟管連接至深水海底管道入口處的發球筒(圖4)。乙二醇溶液通過支持船上的注入泵加壓后推動清管器置換存留在海底管道內的海水，進行排水作業。為滿足支持船上注入泵的排壓要求，需要對水下軟管管徑進行比選。

動態模擬得到的不同管徑軟管入口壓力隨時間變化曲線見圖9。從圖9可以看出，在已有泵的額定排量(150 m3/h)下，管徑76.2 mm軟管的入口壓力最高可以達到10 500 kPa，遠高于管徑101.6 mm軟管的入口壓力3 560 kPa，且遠高于泵的額定排壓。管徑101.6 mm軟管的入口壓力滿足泵排壓要求，所以軟管管徑選擇101.6 mm。

圖9 不同管徑軟管入口壓力隨時間變化曲線

模擬得到的清管器運行情況見圖10。從圖10中可以看出，在已有泵的額定排量(150 m3/h)下，清管器的運行基本平穩， 只有管道路由下傾角度較大段清管器的速度波動劇烈。清管器速度平均0.65 m/s，最高達1.3 m/s，能夠滿足要求。清管時間約為11.5 h。

圖10 清管器運行情況

3 結語

深水氣田海底管道預調試工作包括清管、測徑、試壓、排水和干燥等階段。通過動態模擬可以分析各階段的流動保障問題。在南海多個深水項目中已成功應用此技術，為預調試作業者提供操作指導。實際應用中應重點關注預調試過程中清管器的速度、運行時間以及海底管道內流體溫度、壓力的變化，確保流動安全。可根據數值模擬結果優選下放軟管管徑和支持船上注入泵型號，評估清管器的運行狀況，節約采購及操作成本。