過盈清管球國產(chǎn)化新技術(shù)在清管作業(yè)中的應(yīng)用

(中海石油(中國)有限公司 崖城作業(yè)公司， 廣東 深圳 518067)

目前，有關(guān)海底管道清管作業(yè)過程中[1]，管內(nèi)外輸流量較大情況下非過盈使用的清管球的研究理論和成果較多。而有關(guān)氣田開發(fā)后期，外輸流量銳減情況下清管球尤其是過盈使用清管球的研究甚少。隨著氣田產(chǎn)能下降，海底管道外輸氣量銳減，在低外輸氣量工況下，清管球非過盈使用會(huì)產(chǎn)生旁通現(xiàn)象，清管球在海底管道中的運(yùn)動(dòng)無法形成有效的向前運(yùn)行推動(dòng)力。因此有必要對(duì)清管球外徑相對(duì)于油氣混輸管道內(nèi)徑過盈使用的清管球作業(yè)進(jìn)行研究[2]。

由清管球在海底管道的受力分析可知[3]，清管球運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵影響因素為清管球上、下游的壓差。當(dāng)管內(nèi)外輸氣量超低時(shí)，清管球的上、下游壓差受清管球本身、管壁密封性和摩擦阻力的影響很大，因此需要從這3個(gè)方面尋求解決辦法[3]。以南海某氣田正在使用的美國進(jìn)口Maloney[4]清管球?yàn)檠芯繉?duì)象，按照廠家說明，采用過盈配合使用的方法實(shí)現(xiàn)密封性。但新Maloney清管球在加注三甘醇后達(dá)到相對(duì)管道內(nèi)徑2%過盈量并在超低流量下使用時(shí)，有不少清管球發(fā)生破裂，造成清管作業(yè)中清管球延時(shí)到達(dá)甚至收不到球。隨著時(shí)間延長(zhǎng)，引起凝析油過多積累在管道里[5]，段塞流體積過大，有可能引發(fā)接收終端停產(chǎn)，下游供氣中斷，更有甚者會(huì)造成終端段塞流捕集器液泛或溢流[6-7]。

1 Maloney清管球注入三甘醇過盈2%使用分析

未注入三甘醇時(shí)新Maloney清管球的外徑為325 mm，注入三甘醇后清管球滿載時(shí)的外徑為335 mm，而海底管道內(nèi)徑為337 mm，清管球滿載時(shí)相對(duì)管道內(nèi)徑非過盈量為-0.6%，清管球外徑明顯小于管道內(nèi)徑，無法形成有效密封，從而造成清管旁通[8]。在出現(xiàn)清管旁通的情況下，低外輸量運(yùn)行時(shí)清管球很容易滯留在海底管道內(nèi)[7]。為此，按照Maloney廠家使用說明，將清管球充三甘醇至外徑344 mm，達(dá)到相對(duì)管道內(nèi)徑2%過盈量使用。2016-12-25清管作業(yè)結(jié)束取出清管球時(shí)，發(fā)現(xiàn)有些清管球合縫線處破裂，有些清管球非合縫線處有較深劃痕。對(duì)其中從合縫線處破裂的清管球進(jìn)行解剖，發(fā)現(xiàn)裂縫很深且已和內(nèi)部三甘醇腔室貫通，見圖1。

圖1 合縫線處破裂的2%過盈量Maloney清管球內(nèi)部狀況

從清管作業(yè)角度看，破裂球不利于清管作業(yè)，有可能導(dǎo)致清管球滯留在海底管道中，增加清管作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)清管球無法重復(fù)利用，增加了成本。初步分析是注入三甘醇后達(dá)到2%的過度膨脹或者清管球本身的制作質(zhì)量缺陷造成清管球破裂，需進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

2 未注三甘醇2%過盈量國產(chǎn)清管球改進(jìn)試驗(yàn)

2.1 測(cè)試試驗(yàn)

Maloney清管球未注入三甘醇時(shí)外徑325 mm，注入三甘醇后外徑達(dá)到344 mm。分析認(rèn)為Maloney清管球的過盈使用是為了保持密封配合性能[9-11]，但卻引起了材料過度膨脹，疲勞受損，超出了清管球自身材料所允許的承受范圍。為了排除相對(duì)管道內(nèi)徑2%過盈量引起的過度膨脹，特別引入了國內(nèi)某廠家制作國產(chǎn)清管球過程中在未注醇，即空載時(shí)球體外徑過盈量2%、管徑為344 mm的做法。國產(chǎn)清管球注入三甘醇前后外徑均為344 mm，使用時(shí)注滿三甘醇排出球體內(nèi)空氣，球體內(nèi)保持微正壓進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)[12]。

在2016-12-14試驗(yàn)中，由于國產(chǎn)清管球注入三甘醇的注入點(diǎn)閥芯(單向閥)密封不嚴(yán)，導(dǎo)致天然氣進(jìn)入清管球內(nèi)三甘醇液相腔室，取出清管球時(shí)清管球膨脹較多，尺寸較大，表面凹凸不平，有較深劃痕(圖2)，但均未破裂。清管球泄壓時(shí)放出天然氣氣體、凝析油以及三甘醇。

圖2 國產(chǎn)清管球表面有較多劃痕和變形

2016-12-17多次對(duì)清管球外徑進(jìn)行測(cè)量，得出國產(chǎn)清管球泄壓前外徑為360 mm，泄壓后外徑為339 mm，相差21 mm，膨脹率過大。而Maloney清管球泄壓前后外徑最大相差4.62 mm，最小相差0.8 mm。與Maloney清管球相比，盡管國產(chǎn)清管球膨脹率很大，但沒有脹破，可認(rèn)為國產(chǎn)清管球在膨脹后抵抗破裂能力更強(qiáng)。此外，通球時(shí)能夠在預(yù)定時(shí)間收到國產(chǎn)清管球。

對(duì)國產(chǎn)清管球存在的膨脹進(jìn)氣問題，經(jīng)分析和現(xiàn)場(chǎng)查詢，認(rèn)為是球體上的注醇閥芯密封損壞造成的。因此，在國產(chǎn)清管球使用前需更換上Maloney廠家的注三甘醇閥芯。

2.2 通球試驗(yàn)

2.2.1低硬度清管球

清管球的主要材料為聚氨酯，其硬度相對(duì)海底鋼制管道很小。如果清管球的硬度較高，在管道內(nèi)運(yùn)行時(shí)就容易與管道內(nèi)壁磨損[13]，摩擦生熱而產(chǎn)生凹凸不平的變形及劃痕損傷。如果將清管球硬度減小[12]，其運(yùn)動(dòng)時(shí)就更容易產(chǎn)生彈性變形，可以減少因球面和管道內(nèi)壁摩擦引起磨損而產(chǎn)生的劃痕及凹凸變形。經(jīng)過和清管球國內(nèi)生產(chǎn)廠家溝通，改變了清管球材料組分配比，將清管球硬度從原來的邵氏硬度85 HA調(diào)整到71 HA。2017-03-06通球試驗(yàn)后在終端取出4只低硬度國產(chǎn)清管球，3只狀態(tài)相對(duì)較好，1只有較淺劃痕，可以重復(fù)利用。

2.2.2整體壓制無縫清管球

Maloney清管球從合縫線處開裂的現(xiàn)象說明清管球的合縫線是運(yùn)行過程中的薄弱環(huán)節(jié)，因此在國內(nèi)生產(chǎn)廠家的配合下，將國產(chǎn)清管球制作工藝改為整體壓制[14]，徹底杜絕了合縫線處粘接不牢引發(fā)破裂的問題。2017-08-19通球試驗(yàn)后在終端取出6只整體壓制無縫國產(chǎn)清管球，全部狀況較好，可以二次回收利用。

3 國產(chǎn)2%過盈量清管球應(yīng)用效果

以南海某氣田為例，對(duì)Maloney清管球和國產(chǎn)清管球進(jìn)行了多次清管試驗(yàn)。Maloney清管球在清管作業(yè)結(jié)束收到后頻繁出現(xiàn)破裂，已不能保障低流量下清管作業(yè)的順利進(jìn)行。國產(chǎn)清管球測(cè)試成功后，自2017-09-22～2017-12-31在該氣田共計(jì)清管16輪次，取出的16只清管球全部狀況良好，無一破裂，可以二次重復(fù)利用。國產(chǎn)清管球在該氣田清管作業(yè)中一直沿用至今，實(shí)現(xiàn)了清管球國產(chǎn)化，現(xiàn)場(chǎng)使用效果良好。

Maloney清管球已經(jīng)不能完全滿足生產(chǎn)需要。如果繼續(xù)使用，則需要提高海底管道輸氣量以滿足通球條件。考慮最苛刻的情況，每次終端收球時(shí)需放空約113 267.2 m3/d天然氣，每年排放天然氣損失約1 000萬元。

采用國產(chǎn)新型清管球可打破國外技術(shù)壟斷，且國產(chǎn)清管球價(jià)格相對(duì)較低，每只成本僅為進(jìn)口清管球成本的39%，可以實(shí)現(xiàn)二次利用，其采辦周期短，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語

清管球與海底管道的公差和配合標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際應(yīng)用不盡相同，以及聚氨酯材料加工制造工藝的發(fā)展變化[15]，給清管球密封配合以及運(yùn)行帶來挑戰(zhàn)。通過研究進(jìn)口Maloney清管球在南海某氣田的運(yùn)行參數(shù)以及出現(xiàn)的實(shí)際問題，將原本非過盈配合使用的Maloney清管球改為適應(yīng)氣田開發(fā)后期海底管道低流量下運(yùn)行的未注醇時(shí)2%過盈量的國產(chǎn)化清管球[16]，同時(shí)改變清管球材料配比，降低清管球硬度，對(duì)清管球?qū)嵭姓w壓制，保證密封性的同時(shí)降低了摩擦阻力，從而實(shí)現(xiàn)清管球正常向前運(yùn)動(dòng)，保障了清管作業(yè)的有效運(yùn)行。對(duì)于清管球閥芯需要改進(jìn)等問題，需要行業(yè)同仁和國內(nèi)制造廠家攜手合作，推動(dòng)設(shè)備設(shè)施的國產(chǎn)化進(jìn)程。