濕天然氣管道緊急停輸放空速率研究

苗　建　王　凱　劉政洪　付　峻

1.中海石油(中國)有限公司深圳分公司,　廣東　深圳　518067；2.中海油研究總院,　北京　100028

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濕天然氣管道緊急停輸放空速率研究

苗建1王凱2劉政洪1付峻1

1.中海石油(中國)有限公司深圳分公司,廣東深圳518067；2.中海油研究總院,北京100028

濕天然氣管道；緊急停輸；水合物；放空速率

0　前言

流花19-5氣田(以下簡稱氣田)位于南海珠江口盆地,平均水深約185 m,2013年12月底投產,高峰日產氣82×104m3,并伴有一定量的凝析油和生產水。氣田最高井口壓力19 MPa,最低環境溫度14.4 ℃,處于水合物生成區域。水下回接管道如采用單層管輸送,則有水合物生成。由于依托的番禺30-1平臺(以下簡稱平臺)不具備安裝乙二醇再生裝置的空間,并考慮大量甲醇注入涉及到經濟、環保、安全等問題,故采用雙層保溫管方案(預留的平臺立管未保溫)。盡管如此,管道在某些特殊工況下,尤其是發生緊急停輸時,如果操作不當存在水合物生成風險,引發“冰堵”事故,給氣田的安全經濟運行造成十分不利的影響[1-5]。根據管道運行參數以及水合物生成的條件,通過預測或監測管道內水合物生成情況,在管道產生“冰堵”時,放空可作為一種有效的水合物抑制、解堵措施[6-14]。鑒于此,氣田應充分利用泄壓放空系統[15-18],實現對水合物風險的有效控制。

本文針對流花19-5海底管道,停輸時間不超過12 h的緊急停輸工況,利用PVTsim 8.0和OLGA 7.2商用軟件,研究了不同放空速率時,管道在停輸過程中沿線溫度、壓力的變化特征,以及對應的水合物生成風險,推薦了最佳放空速率及其匹配的放空閥開度,為現場放空速率的控制提供理論依據。

1　氣田生產流程

1.1氣田水下處理工藝

該氣田采用水下生產系統,依托平臺進行開發。氣田2口水下井口采氣樹(A 1 H、A 2 H),生產的濕天然氣經氣嘴節流后,通過跨接管(JUMPER)分別連接到水下管匯(PLEM),再進入到DN 300、11.7 km雙層保溫海管,輸送至已建的中心平臺,與平臺生產的流體共同進入相應的工藝流程進行處理。氣田水下總體流程示意圖見圖1,氣田水下工藝流程見圖2。

圖1　氣田水下總體流程示意圖

1.2氣田水上處理工藝

平臺上各生產井生產的流體經氣嘴節流后匯合,經生產管匯進入生產分離器進行油、氣、水三相分離。生產分離器分離出的天然氣,經冷卻器冷卻至40 ℃后,與段塞流捕集器分離出的氣體混合,然后進入三甘醇脫水系統進行脫水處理；生產分離器和段塞流捕集器分離出的凝析油分別進入對應的凝析油處理系統中進行脫水處理。生產分離器和段塞流捕集器分離出的生產水匯合后,進入水力旋流器處理達標后排入大海。

經三甘醇脫水系統處理的合格干氣與經凝析油聚結分離器脫水合格后的凝析油混合,通過365 km海底管線輸至陸地天然氣終端處理廠作進一步處理。氣田水上工藝流程圖見圖3。

1.3火炬放空系統

平臺火炬放空系統主要包括高壓火炬分液罐、高/低壓火炬頭、點火盤和回收泵。作為平臺的生產安全泄壓系統,來自生產處理系統、燃料氣系統和閉式排放罐的氣體各自進入高/低壓火炬頭燃燒排放,高壓氣體分液罐分出的液體由回收泵打回生產分離器入口作進一步處理。氣體放空速率由放空調節閥控制。

圖2　氣田水下工藝流程

圖3　氣田水上工藝流程圖

2　基礎數據

2.1流體性質

2.1.1天然氣性質

表1平臺段塞流捕集器出口氣體組分取樣分析結果

A01HA02H組分體積含量/(%)組分體積含量/(%)CO25.57CO23.93N20.35N20.36C186.98C187.77C24.47C24.79C31.66C31.88iC40.34iC40.39nC40.36nC40.44iC50.12iC50.17nC50.08nC50.12C6+0.07C6+0.15 注:C6+的平均摩爾質量為120,相對密度0.75。

2.1.2凝析油性質

該氣田的凝析油含量較低,為41.0～39.6 g/m3。取樣分析表明,地面凝析油密度0.775 2～0.764 1 g/cm3,黏度0.715～0.773 mPa·s,凝固點<-27 ℃。

2.1.3地層水性質

該氣田總水礦化度2 620～2 690 mg/L,密度1.005 7～1.005 9 g/cm3,按照蘇林分類為氯化鈣型水。生產分離器的水樣總礦化度低,各種離子含量少,可以判斷為凝析水。

2.2管道數據

管道相關數據見表2,管道路由見圖4。

表2管道數據表

參數數值外管外徑/mm457.0內管外徑/mm342.9保溫層厚度/mm35保溫層密度/(kg·m-3)50±10防腐層厚度/mm3防腐層密度/(kg·m-3)940內腐蝕余量/mm6設計壓力/MPa24.61設計溫度/℃92介質密度/(kg·m-3)181.8安裝溫度/℃14.4 注:管道保溫層材料采用聚氨酯泡沫,防腐層材料采用3層PE。

圖4　海管路由

2.3環境數據

氣田海域泥溫統計數據見表3。選取14.4 ℃作為環境溫度。

表3氣田海域泥溫統計數據

海底層次/m最大/℃最小/℃平均/℃016.514.415.4-116.714.715.7-217.015.016.0-317.315.816.5

2.4運行工況

管道停輸前主要運行數據見表4。

表4管道停輸前主要運行數據

參數數值氣量/(m3·d-1)412000凝析油/(m3·d-1)29水/(m3·d-1)6.3入口壓力/MPa10.3入口溫度/℃60出口壓力/MPa10.0出口溫度/℃23.5凝析油/m320水/m36

3　模擬研究

3.1停輸分析

圖5給出了不同停輸時刻管道沿線溫度分布的變化曲線。由圖5可見,在停輸開始時刻,海底管道沿線溫度緩慢下降,末端立管由于未加保溫層,溫度下降較快；隨著停輸時間的延長,管道沿線溫度整體下降,但在海底管道和立管交匯處出現小幅“隆起”,其原因是海底管道沿途地形呈下傾分布(參見圖4),停輸后管道積液在重力作用下不斷向平臺端聚集,不同時刻管道沿線持液率分布見圖6,由于凝析油和水的容積比熱遠大于天然氣,故比前段海底管道和后段立管中氣體冷卻得慢,出現了溫度峰值,且停輸時間越長,液體聚集越徹底,溫降差別越大,“隆起”越明顯；需要特別指出的是,在停輸各時刻,管道出口溫度均是沿線溫度的最低值,而管道壓力在停輸后很快達到平衡,沿線差別不大,因此,管道出口位置是水合物生成風險的最高點,出口壓力、溫度可作為放空速率大小控制的判別依據。

圖5　不同停輸時刻管道沿線溫度分布

圖6　不同停輸時刻管道沿線持液率分布

圖7給出了停輸開始及1 h后管道沿線溫度壓力曲線及水合物生成曲線。結果顯示,停輸剛開始(等同于“正常輸送”)時,溫度壓力曲線處于水合物生成區域之外,且距水合物曲線尚有一段距離,此時管道沒有水合物生成風險；停輸1 h后,溫度壓力曲線向左移動,接近水合物曲線邊緣,此時若繼續停輸,且不采取任何措施,管道將有水合物生成風險。因此,如果緊急停輸持續時間在1 h內,管道可不放空,否則應立即啟動放空程序或其他水合物防止措施。

3.2放空速率分析

a) 停輸開始

b) 停輸1 h圖7　不同時刻管道沿線溫度壓力曲線及水合物生成曲線

圖8　不同放空速率條件下管道出口溫度隨時間的變化

圖8給出了0～5 000 m3/h放空速率條件下,管道出口溫度隨時間的變化曲線。由圖8可見,管道放空時,可將管道前段溫度相對較高的氣體(見圖5)送至管道后段,延緩溫度的下降,故管道出口溫度均比不放空時要高,該模擬特征同現場運行經驗一致。當放空速率為1 000 m3/h時,泄壓較慢,管道前段氣體到達后段的量較少,故在前8 h相比較3 000～5 000 m3/h的高放空速率,溫度下降得更快而同時因管道前段“流失”的氣體較少,溫度在8 h后反而超過高放空速率的溫度。當放空速率為3 000～5 000 m3/h時,隨放空速率的變化管道出口溫度差異并不明顯。當放空速率為2 000 m3/h時,與1 000 m3/h的低放空速率相比,出口溫度在前9 h明顯較高,9 h后兩者接近；與3 000～5 000 m3/h的高放空速率相比,出口溫度在前6 h稍低,但在6 h后發生明顯逆轉,故在整體上高于高放空速率溫度。因此,從延緩溫度降低的角度,在停輸12 h內,放空速率控制在2 000 m3/h附近能取得相對較好的效果。

不難理解,在管道泄壓放空過程中,壓力和溫度同時下降,兩者共同作用是否會產生水合物。顯然,放空速率不同,溫度和壓力的下降速度也不同。圖9給出了在不同放空速率條件下,典型時刻管道沿線溫度壓力曲線及水合物生成曲線。由圖9可見,當放空速率為1 000 m3/h時,溫度壓力曲線與水合物生成曲線相交,表明放空速率過小,壓力降低效應不夠補償溫度降低效應,會生成水合物；當放空速率為3 000～5 000 m3/h時,溫度壓力曲線距水合物生成曲線外側一定距離,表明放空速率偏快,壓力降低效應除抵消溫度下降效應之外,還有一定的富余,此范圍內的放空速率雖能抑制水合物產生,但放氣量較多,造成天然氣的浪費,放空速率越大,浪費的天然氣越多；當放空速率維持在2 000 m3/h時,溫度壓力曲線分布于水合物生成曲線外側附近,表明放空速率適中,壓力降低效應與溫度降低效應大致相當,在確保不會生成水合物的前提下,放氣量略有盈余,同時結合圖8中2 000 m3/h放空速率體現出的溫度優勢,最佳放空速率宜選擇2 000 m3/h。

a) 1 000 m3/h放空速率

b) 2 000 m3/h放空速率

c) 3 000 m3/h放空速率

d) 4 000 m3/h放空速率

e) 5 000 m3/h放空速率圖9　不同放空速率條件下典型時刻管道沿線溫度壓力曲線及水合物生成曲線

3.3放空閥開度分析

在該氣田的實際操作中,需要通過調整放空閥開度來控制放空速率及放空氣量。當放空閥開度一定時,放空速率q(t)隨時間不斷衰減,如果保證在任意時刻t,通過放空閥的累積放氣量QV與按恒定最佳放空速率q0折算的累積放氣量Q0的差值f(t)不小于0,即

(1)

式中：f為氣量差值,m3；t為時間,h；QV為t時間內實際放空氣量,m3；Q0為t時間內理論放空氣量,m3；q為實際放空速率,m3/h；q0為理論放空速率,m3/h。

f(t)≥0則能保證在放空過程中不產生水合物,f(t)越小,天然氣的浪費也越少。需要指出的是,式(1)同樣適用于放空閥開度調整的情形。

圖10　不同放空閥開度對應的累積放氣量

a) 放空閥開度5

b) 放空閥開度10圖11　不同放空閥開度對應的典型時刻管道沿線溫度壓力曲線及水合物生成曲線

4　結論

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2015-11-09

中國海洋石油總公司京直地區青年創新課題“流花19-5氣田水下回接管道水合物風險在線檢測管理系統研制及實施”(JZTW 2015 KJ 14)

苗建(1983-)，男，江蘇連云港人，工程師，碩士，現主要從事海上石油天然氣開發工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.02.001