海底長(zhǎng)輸管道序列清管運(yùn)行速度規(guī)律研究

李井洋，田明磊

(東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，大慶 黑龍江 163318）

海底長(zhǎng)輸管道序列清管運(yùn)行速度規(guī)律研究

李井洋，田明磊

(東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，大慶 黑龍江 163318）

海上油田在投產(chǎn)前需要對(duì)海底管線進(jìn)行清管作業(yè)，防止管內(nèi)腐蝕，抑制水合物的形成，以保證生產(chǎn)順利進(jìn)行。因此，海底管線排水及干燥作業(yè)是海上氣田順利投產(chǎn)至關(guān)重要的一步。針對(duì)南海某氣田海底輸氣管線破裂復(fù)產(chǎn)作業(yè)要求，選用較為合適的排水及干燥方案。運(yùn)用 OLGA多相流瞬態(tài)流動(dòng)模擬軟件、Multiflash物性分析軟件對(duì)整個(gè)序列清管作業(yè)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。通過(guò)數(shù)值模擬方法分析排水及干燥過(guò)程中出現(xiàn)的清管球運(yùn)行速度不可控及，清管球運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)拖延復(fù)產(chǎn)時(shí)間等問(wèn)題，達(dá)到縮短復(fù)產(chǎn)周期，使清管和生產(chǎn)同時(shí)進(jìn)行的目的。

序列清管；水合物預(yù)測(cè)；數(shù)值模擬； OLGA多相流瞬態(tài)模擬

海底天然氣管道在采用水壓試驗(yàn)投入運(yùn)行之前，必須進(jìn)行排水、干燥處理，徹底除去海管中的游離水和絕大部分的水蒸氣[1]。避免引起管道內(nèi)壁以及附屬設(shè)備的腐蝕、污染天然氣以及抑制水合物的形成。

南海某邊界氣田，氣田海域水深70 m，天然氣儲(chǔ)量996.8×108m3，純烴儲(chǔ)量612×108m3，屬于干氣田。由于該氣田海管登入地區(qū)填海施工改造，導(dǎo)致海管登陸點(diǎn)附近受損斷裂。因此，需要對(duì)該管線進(jìn)行安全復(fù)產(chǎn)作業(yè)[2,3]。

1 復(fù)產(chǎn)方案合理性分析

由于該氣田海管復(fù)產(chǎn)任務(wù)重、工作周期短，因此在眾多方案的對(duì)比下選用該氣田某氣井產(chǎn)出的高含烴天然氣（N2：16.72，CO2：8，C1,：73.56，C2,：1.22，C3+：0.5）作為介質(zhì)推動(dòng)清管球進(jìn)行排水及干燥作業(yè)。此方案操作過(guò)程先進(jìn)行單個(gè)球排水作業(yè)，之后應(yīng)用清管列車(chē)模型進(jìn)行干燥作業(yè)，清管列車(chē)相鄰兩球的距離為50 km，見(jiàn)圖1。應(yīng)用此方案進(jìn)行海管復(fù)產(chǎn)作業(yè)不但可以節(jié)省復(fù)產(chǎn)成本，更可以使海管復(fù)產(chǎn)作業(yè)及天然氣投產(chǎn)同時(shí)進(jìn)行。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)給出的管道出口處天然氣水露點(diǎn)最大值進(jìn)行計(jì)算天然氣的含水量，經(jīng)OLGA計(jì)算在此次模擬運(yùn)行條件下并不生成水合物（本文主要針對(duì)速度規(guī)律研究，不對(duì)預(yù)測(cè)水合物過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明）。

圖1 高含烴天然氣推動(dòng)吸水序列Fig.1 High hydrocarbon nature gas driving water-suction sequence

2 序列清管工程數(shù)值模擬

復(fù)產(chǎn)管線為CEP平臺(tái)至陸地終端部分的管線，全長(zhǎng)109 km，管徑22 in，設(shè)計(jì)壓力為7.5 MPa，管道持液率為25%。

2.1 序列清管模型的建立

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)給定的實(shí)際地質(zhì)情況在OLGA中進(jìn)行管道走向圖繪制，如圖2圖3所示。

圖2 序列清管模型Fig.2 Sequence of pigging model

圖3 管道走向圖Fig.3 Piping routing drawing

2.2 單清管排水過(guò)程

圖4 入口質(zhì)量流量值對(duì)運(yùn)行速度的影響Fig.4 The influence of inlet mass flow rate on operating speed

圖5 不同入口質(zhì)量流量下清管器的運(yùn)行速度對(duì)比圖Fig.5 The comparison chart of the operation of the pig under different inlet mass flow rate

改變?nèi)肟谫|(zhì)量流量值，確定清管球最佳運(yùn)行速度是排水過(guò)程的關(guān)鍵[4]。入口質(zhì)量流量越大時(shí)，清管運(yùn)行時(shí)間越短，但接近出口處的最大速度值明顯偏高，如圖4圖5所示。

通過(guò)對(duì)不同入口質(zhì)量流量值進(jìn)行試算得到：當(dāng)入口質(zhì)量流量值大于70 kg/s時(shí)，清管球運(yùn)行過(guò)程中很多時(shí)刻的瞬時(shí)速度均超過(guò)1m/s（排水過(guò)程0.3～1.0 m/s），考慮到清管周期，因此確定初始入口質(zhì)量流量為70 kg/s，見(jiàn)圖6。

圖6 入口質(zhì)量流量為70 kg/s時(shí)運(yùn)行速度及時(shí)間Fig.6 The operation speed and time when the inlet flow rate is 70 kg/s

清管球運(yùn)行30 h左右時(shí)，清管球速度發(fā)生突變，并且最大清管速度已經(jīng)達(dá)到1.79 m/s，超出工程要求1.0 m/s，需對(duì)入口質(zhì)量流量值再次進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)計(jì)算分析得到圖7所示，無(wú)論怎么改變?nèi)肟谫|(zhì)量流量值，速度都會(huì)發(fā)生突變。因此，后期需要再次對(duì)入口質(zhì)量流量進(jìn)行調(diào)整。為保證清管周期在預(yù)計(jì)時(shí)間內(nèi)，在運(yùn)行時(shí)刻為 29.869 h時(shí)，選擇改變?nèi)肟谫|(zhì)量流量為60 kg/s。

圖7 29.869 h時(shí)改變質(zhì)量流量為60、50、40 kg/s速度對(duì)比圖Fig.7 The velocity contrast figure when changing the mass flow rate to 60, 50, 40 kg/s at the point of 29.869 h

經(jīng)過(guò)多次對(duì)入口質(zhì)量流量值進(jìn)行修改，得到運(yùn)行相對(duì)平穩(wěn)的清管過(guò)程，見(jiàn)圖8-11。清管球的最大運(yùn)行速度為0.94 m/s，整個(gè)管線的排水過(guò)程共用時(shí)36.4 h。管道全程壓力最大值為6.9 MPa，而實(shí)際工程壓力為 7.5 MPa，符合管道運(yùn)行壓力的要求。通過(guò)PVTsim得到水合物生成曲線加載到OLGA中對(duì)水合物進(jìn)行預(yù)測(cè)，整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中均不產(chǎn)生水合物。

圖8 在32.426 h改變質(zhì)量流量為30 kg/s后運(yùn)行圖Fig.8 The operating figure after changing the mass flow rate to 30 kg/s at the point of 32.426 h

圖9 在32.95 h改變質(zhì)量流量為20 kg/s后運(yùn)行圖Fig.9 The operating figure after changing the mass flow rate to 20 kg/s at the point of 32.95 h

圖10 在33.264 h改變質(zhì)量流量為3 kg/s后運(yùn)行圖Fig.10 The operating figure after changing the mass flow rate to 3 kg/s at the point of 33.264 h

2.3 多清管球干燥過(guò)程

通過(guò)控制清管干燥運(yùn)行速度，選取最佳的入口質(zhì)量流量值[5，6，7]。通過(guò)圖12-17可知，入口質(zhì)量流越大，清管運(yùn)行速度越快，清管時(shí)間越短。通過(guò)平均運(yùn)行速度的曲線可以得到，入口質(zhì)量流量與運(yùn)行速度基本成線性關(guān)系。為保證最大運(yùn)行速度不超過(guò)1.5 m/s（干燥過(guò)程最大運(yùn)行速度不超過(guò)1.5 m/s），因此，確定入口質(zhì)量流為88 kg/s。

整個(gè)復(fù)產(chǎn)過(guò)程由高含烴天然氣驅(qū)動(dòng)序列清管，見(jiàn)圖18。

全過(guò)程壓力、溫度均符合運(yùn)行條件。共運(yùn)行109.5 h（4.5 d），其中排水過(guò)程消耗36.4 h，干燥過(guò)程消耗73.1 h，符合運(yùn)行時(shí)間要求。全過(guò)程不生成水合物，累計(jì)排液量為6 489 m3，可實(shí)現(xiàn)安全復(fù)產(chǎn)[8]。

圖11 在33.918 h改變質(zhì)量流量為0.5 kg/s后運(yùn)行圖Fig.11 The operating figure after changing the mass flow rate to 0.5 kg/s at the point of 33.918 h

圖12 不同質(zhì)量流值下清管球的運(yùn)行速度圖Fig.12 The pigging speed figure under different mass flow rate

圖13 不同質(zhì)量流清管運(yùn)行速度及路程圖Fig.13 The pigging speed and path figure under different mass flow rate

圖14 加入第一個(gè)干燥清管器后清管運(yùn)行圖Fig.14 The pigging operating figure after adding the first drying pig

圖15 加入第二個(gè)干燥清管器后清管運(yùn)行圖Fig.15 The pigging operating figure after adding the second drying pig

圖16 加入第三個(gè)干燥清管器后清管運(yùn)行圖Fig.16 The pigging operating figure after adding the third drying pig

圖17 加入第四個(gè)干燥清管器后清管運(yùn)行圖Fig.17 The pigging operating figure after adding the forth drying pig

圖18 復(fù)產(chǎn)全過(guò)程示意圖Fig.18 The whole reproduction process schematic diagram

3 結(jié) 論

本文運(yùn)用了 OLGA多相流瞬態(tài)模擬軟件和Multiflash軟件，對(duì)南海某邊界氣田進(jìn)行序列清管過(guò)程數(shù)值模擬研究。

（1）整個(gè)操作過(guò)程中，如何控制清管球的速度是復(fù)產(chǎn)作業(yè)的關(guān)鍵[9]。運(yùn)行速度過(guò)快會(huì)使管道中壓力及溫度變化較大，產(chǎn)生水合物堵塞管道；運(yùn)行速度過(guò)慢會(huì)拖延復(fù)產(chǎn)時(shí)間。因此，在整個(gè)復(fù)產(chǎn)過(guò)程中，需不斷改變某時(shí)刻入口質(zhì)量流量大小，保證清管球瞬時(shí)速度始終在設(shè)計(jì)速度之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)周期內(nèi)安全的完成復(fù)產(chǎn)作業(yè)。

（2）與普通單清管工藝相比，序列清管工藝可縮短作業(yè)時(shí)間，提高作業(yè)效率，大幅度降低了海上氣田的投產(chǎn)或復(fù)產(chǎn)時(shí)間。

（3）與傳統(tǒng)的清管方式相比，海管引入介質(zhì)驅(qū)動(dòng)序列清管對(duì)管道進(jìn)行排水、干燥作業(yè)方案，可實(shí)現(xiàn)將清管與投產(chǎn)同時(shí)進(jìn)行。因此，可將此作業(yè)方式推廣并運(yùn)用到海上其他氣田投產(chǎn)、復(fù)產(chǎn)清管過(guò)程。

［1］ 姜平，何巍，成濤.東方1-1氣田經(jīng)濟(jì)高效開(kāi)發(fā)實(shí)踐及認(rèn)識(shí)[J].天然氣工業(yè)，2012,32(8)：16-21.

［2］ 徐孝軒，宮敬.富氣輸送管道清管模擬研究[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2008,27(2)：18-22.

［3］ 李華，成濤，陳建華，管琳，薛國(guó)慶，劉凱.南海西部海域鶯歌海盆地東方 1-1氣田開(kāi)發(fā)認(rèn)識(shí)及增產(chǎn)措施研究[J].天然氣勘探與開(kāi)發(fā)，2014,37(4)：33-37.

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Research on Running Speed Law of Pigging in Sequence Inside Submarine Pipelines

LI Jing-yang,TIAN Ming-lei

（Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318，China）

Pigging operation should be carried out before offshore oil field putting into production to prevent corrosion inside the pipeline, inhibit the hydrate formation and ensure the safety of production. Therefore, it is a crucial step to drain and dry the subsea pipeline to make the offshore oil field put into production successfully. In this paper, based on the submarine pipeline rupture and reproduction requirements of a gas field in the South China Sea, a suitable drainage and drying scheme was chosen. OLGA multiphase flow transient flow stimulation software and Multiflash petrophysical analysis software were used to stimulate the whole pigging operation of sequence process, and the stimulation method was used to analyze the problems that the pigging ball speed was uncontrolled, pigging operation time was too long in the process of drainage and drying, in order to shorten the reproduction cycle, make the pigging and production run at the same time.

Pigging in sequence; Hydrate prediction; Numerical simulation; Olga simulation

TE 823

A

1671-0460（2017）04-0689-04

2017-02-19

李井洋（1994-），女，遼寧省撫順市人，在校研究生，研究方向：油氣儲(chǔ)運(yùn)工程。E-mail：876240783@qq.com。