水下生產(chǎn)系統(tǒng)多級(jí)泄壓分析

陳文峰， 鞠朋朋， 劉培林， 張 歡， 周曉艷， 鄧 婷

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

水下生產(chǎn)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于深水油田以及邊際油田開發(fā)[2]，南海某氣田項(xiàng)目水深為1 500 m，采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)和半潛平臺(tái)(SEMI)開發(fā)方案，天然氣在半潛平臺(tái)干燥脫水處理后外輸，凝析油脫水處理合格后儲(chǔ)存在半潛平臺(tái)定期外輸。水下生產(chǎn)系統(tǒng)共有口生產(chǎn)井7個(gè)(W1～W7)，井位相對(duì)分散，采用三個(gè)水下管匯(E1～E3)和雙海管開發(fā)方案，油氣井和出油管道通過跨接管與水下管匯相連[3]，生產(chǎn)流體回接SEMI進(jìn)行處理，具體開發(fā)示意圖如圖1所示。

當(dāng)海管內(nèi)生產(chǎn)流體生成水合物需要維修時(shí)，需要在平臺(tái)對(duì)海管進(jìn)行泄壓操作，降低海管內(nèi)操作壓力，使其降低至水合物溶解壓力以下，從而保證生產(chǎn)操作安全。

1 水下生產(chǎn)系統(tǒng)泄壓流程

氣田水合物是由甲烷、乙烷、丙烷、氮?dú)狻⒍趸?、硫化氫等天然氣組分與水在高壓和低溫條件下產(chǎn)生的外表和機(jī)械強(qiáng)度都類似冰的物質(zhì)，會(huì)減少管線的流動(dòng)面積，甚至阻塞管道，還有可能隨著高速流動(dòng)的氣體一起運(yùn)動(dòng)，損壞管線上的閥門、彎頭等部件[4]。水合物生成以后，國(guó)內(nèi)外項(xiàng)目基本采取降壓、注甲醇、加熱等補(bǔ)救措施。在降壓過程中為防止水合物兩側(cè)壓差過大使其在管線內(nèi)高速運(yùn)行造成危險(xiǎn)，水合物兩側(cè)需同時(shí)泄壓，針對(duì)該南海深水項(xiàng)目，可同時(shí)在雙海管出口泄壓閥進(jìn)行壓力釋放。

圖1 南海某氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)開發(fā)示意圖Fig.1 Schematic diagram of underwater production system development of a gas field in the South China Sea

平臺(tái)海管出口閥門關(guān)閉，水下生產(chǎn)系統(tǒng)仍生產(chǎn)直至水下采油樹達(dá)到關(guān)井壓力，此時(shí)海管出口對(duì)應(yīng)的壓力為286 bar(1 bar=105pa)，此壓力為初始泄放壓力。海管內(nèi)高壓生產(chǎn)流體通過平臺(tái)海管出口的泄壓閥進(jìn)行壓力釋放，泄放的氣體進(jìn)入火炬系統(tǒng)進(jìn)行處理，泄放的低溫流體進(jìn)入火炬分液罐儲(chǔ)存后利用增壓泵打回生產(chǎn)流程處理，其中火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)處理能力為1 176×104Sm3/d，火炬分液罐及泄放管線最低設(shè)計(jì)溫度為-99℃，增壓泵設(shè)計(jì)溫度為常溫，火炬分液罐緩沖容積為10 m3，泄放過程中各參數(shù)應(yīng)滿足上述設(shè)計(jì)參數(shù)要求。具體海管泄壓流程如圖2所示。

圖2 南海某氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)海管泄放流程Fig.2 An undertvater production system in a gas field in the South China Sea

2 海管泄壓分析

海管在泄壓過程中，低溫流體會(huì)被氣體攜帶出海管進(jìn)入火炬分液罐儲(chǔ)存，由于增壓泵及生產(chǎn)處理流程為常溫設(shè)計(jì)，泄放的低溫流體無法直接被泵打入生產(chǎn)流程進(jìn)行處理，需要在火炬分液罐內(nèi)利用電加熱器進(jìn)行升溫，待流體溫度滿足要求后再打入生產(chǎn)流程進(jìn)行處理。針對(duì)此工況要求，若采用常規(guī)直接泄放的做法，火炬分液罐儲(chǔ)存容積至少需要47.2 m3，遠(yuǎn)大于目前10 m3的緩沖容積，因而在常規(guī)項(xiàng)目直接泄放模擬的基礎(chǔ)上創(chuàng)新地提出了分級(jí)泄壓的理念，以火炬分液罐緩沖容積為限制條件，分級(jí)泄壓降低海管壓力，為操作者提供足夠的低溫流體處理時(shí)間，即溶解已生成的水合物，由此可避免增壓泵常溫設(shè)計(jì)帶來的操作難題。下面以1 in(1 in= 25.4 mm)泄壓閥為例，說明泄壓過程的各參數(shù)變化。

泄壓過程中低溫流體的體積變化如圖3所示，當(dāng)泄放的低溫流體累計(jì)泄放體積(ACCLIQ)達(dá)到10 m3時(shí)停止泄壓，每級(jí)泄壓之間給操作者預(yù)留24 h處理時(shí)間再進(jìn)行下一次泄壓，可以看出經(jīng)兩級(jí)泄壓后低溫流體累計(jì)泄放體積基本不再變化，可一直泄壓至需要的壓力。泄壓過程中閥門開度(VALVOP)如圖3中紅色曲線的變化。

泄壓過程中海管內(nèi)壓力變化如圖4所示，可以看出，第一級(jí)泄壓時(shí)海管內(nèi)壓力由286 bar降至208 bar，二級(jí)泄壓壓力降至138.4 bar，第三級(jí)泄壓海管壓力一直降至火炬系統(tǒng)背壓3 bar，大約需要75 h。

圖3 泄壓過程中低溫流體體積變化曲線Fig.3 The volume change curve of low-temperature fluid in the process of pressure relief

圖4 泄壓過程中海管內(nèi)壓力變化曲線Fig.4 Pressure variation curve in the mid-ocean tube during pressure relief process

泄壓過程中釋放的氣體體積(QGST)如圖5所示，可以看出，第一級(jí)泄壓最大氣體釋放體積為283×104Sm3/d，第二級(jí)泄壓最大氣體釋放體積為228×104Sm3/d，第三級(jí)泄壓最大氣體釋放體積為154×104Sm3/d，均在火炬處理能力范圍內(nèi)(1 176×104Sm3/d)，滿足設(shè)計(jì)要求。

泄壓過程中泄壓閥下游低溫(TVALVEOUT)如圖6所示，可以看出，第一級(jí)泄壓時(shí)下游最低溫度為-98.4℃，第二級(jí)泄壓時(shí)下游最低溫度為-83.4℃，第三級(jí)泄壓時(shí)下游最低溫度為-35.5℃，均在火炬系統(tǒng)最低設(shè)計(jì)溫度(-99℃)的范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié) 語

常規(guī)項(xiàng)目在進(jìn)行泄壓分析時(shí)，一般模擬海管內(nèi)高壓生產(chǎn)流體利用泄壓閥直接釋放，以泄放氣體流量不超過火炬處理能力、低溫液體流量不超過火炬分液罐增壓泵排量和泄放閥后低溫不超過泄放系統(tǒng)最低設(shè)計(jì)溫度為條件，確定合適的泄放閥尺寸和泄放時(shí)間，但此方法沒有考慮火炬分液罐增壓泵為常溫設(shè)計(jì)，無法及時(shí)輸送低溫流體，且火炬分液罐內(nèi)加熱器功率不滿足負(fù)荷要求的工況；在南海某項(xiàng)目設(shè)計(jì)的過程中，創(chuàng)新性地提出了分級(jí)泄壓概念，以火炬分液罐緩沖容積為限制條件，給操作者提供足夠的低溫流體處理時(shí)間，很好地解決了泄放低溫流體輸送和增壓泵等設(shè)備最低設(shè)計(jì)溫度之間的矛盾，為后續(xù)類似項(xiàng)目開發(fā)提供了借鑒。

圖5 泄壓過程中釋放氣體體積變化曲線Fig.5 Curve of gas volume change in the process of pressure relief

圖6 泄壓過程中泄壓閥下游低溫變化曲線Fig.6 The low temperature change curve of the downstream of