海上油田注水系統動態水擊模擬分析

曹浩明，張振鵬，張東鋒,羅 彭,韓 宇

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

1 前言

對于輸送單一液相的管道來說，當管路系統內閥門關閉、停泵及啟泵時均會出現流量波動，產生水擊。當水擊發生時，會導致水擊壓力疊加在管道穩態運行時的正常操作壓力上，從而造成管路沿線流體輸送不穩定。如果水擊壓力在管道系統最大允許操作壓力范圍內，水擊壓力波傳遞不會對管道系統的安全運行造成影響；如果水擊產生最大水擊壓力超出系統最大允許操作壓力，則有可能使系統管線發生破裂，為避免這種情況發生，就必須對管道系統采取有效控制和保護措施。

注水系統是海上油田注水開發過程中重要的生產工藝系統，需要將生產水或經過處理的海水注入地層以維持油藏壓力，系統操作壓力一般都比較高，整個系統一般包括高壓注水泵、調節閥、關斷閥、平臺工藝管線以及海底輸水管道等，為確保管道系統安全、經濟地運行，在做注水系統前期方案設計時，對整個系統做水擊動態模擬分析是很有必要的，以確保系統內所有管路的設計壓力都能夠承受水擊壓力，或通過采取相應的水擊保護措施，使水擊壓力能夠控制在合理范圍內。對此，文章根據某海上新開發油田的注水系統前期設計方案，應用PIPENET軟件建立了數學模型，進行了整個系統的動態水擊分析，為注水系統的方案設計提供了可靠的依據。

2 動態水擊模擬案例分析

2.1 某海上油田注水系統流程(如圖1)簡述

某海上油田平均作業水深為31 m～47 m，平均空氣溫度為32.3 ℃，平均海水溫度為26 ℃。新建井口平臺采用注水開發模式，最大注水量為7 200 m3/d，整個油田的注水系統主要由已建綜合處理平臺新增注水增壓模塊，10寸9.8 km注水海底管道以及新建井口平臺的注水分配管匯組成；該注水系統由上游綜合處理平臺的兩臺高壓注水泵、注水管匯、注水海底管道以及下游的8口高壓注水井組成，上游綜合處理平臺的注水通過注水高壓泵增壓后經10寸9.8 km注水海底管道輸送至下游井口平臺，經過井口平臺的注水分配管匯分配后，注水分別注入至8口注水井內，每個注水井井口都有一個關斷閥。

圖1 注水系統流程圖Fig.1 Flow chart of water injection system

2.2 動態模擬分析

2.2.1 模型輸入及假設

該注水系統的最大注水量為7 200 m3/d，新建平臺注水井需要注水壓力為1.85×107Pa，注水泵入口壓力為7.7×106Pa，注水海底管道入口的高高壓力關斷設定值為2.17×107Pa，海底管道入口壓力泄放閥設定點為2.30×107Pa，注水系統工藝管線設計壓力為2.56×107Pa；注水海底管道材質為復合金屬軟管，設計壓力為2.95×107Pa，軟管粗糙度為1.016 mm，彈性模量為2.18×109Pa；下游注水井4寸關斷閥的關斷時間假設為5 s，其最大流通能力按272 m3/h,在前期方案設計階段從廠家獲取注水泵性能曲線如圖2所示，泵的關停時間按10 s考慮。

圖2 注水泵性能曲線Fig.2 Performance curve of water injection pump

2.2.2 模型建立

根據該油田的注水系統流程、管線及設備物理參數，用PIPENET軟件建立了數學模型(如圖2)，包括注水系統上游兩臺注水泵，泵出口流量控制閥，注水管道入口的壓力泄放閥，管道上下游的手動關斷閥，新建平臺的注水分配管匯，注水井井口的關斷閥。

2.2.3 模擬及結果分析

根據該油田注水系統在實際操作過程可能會出現關閥、停泵以及啟泵等工況，進行如下多種工況模擬分析如圖3。

圖3 注水系統數學模型Fig.3 Mathematical model of water injection system

(1)對于新建平臺的8口注水井，當其中一個關斷閥關閉或多個關斷閥同時關閉時都會對系統造成水擊影響。當其中一個關斷閥關斷時，閥門對整個管道系統流體的阻礙作用是非常有限的，被阻礙的流體會分配至其它注水井；當隨著關閉閥門數量的增加，多個閥門關閉后對流體的阻礙作用將會變得越加明顯，被阻礙的流體進一步壓縮將分配至閥門未關閉的注水井，管路的操作壓力隨著閥門關閉數量的增加呈上升趨勢；當下游所有閥門都同時關閉時，管道系統內的流體流動完全被阻礙，管路出現非常明顯的水擊增壓波，如果這種情況下注水泵沒能夠及時停止工作，注水泵會將流體仍然輸送至管道系統內，對管道系統產生額外的充裝壓力，當泵的輸出壓力達到關泵壓力時，整個系統將會出現最大水擊壓力。根據模擬結果可以看出，當下游注水井的7個關斷閥同時關閉時，注水管道入口的最大壓力為2.078×107Pa，關斷閥處的最大壓力為1.901×107Pa；當所有注水井關斷閥同時關斷時，管道系統上下游會出現最大水擊壓力分別為2.925×107Pa和2.911×107Pa，計算結果見圖4和圖5。

圖4 不同管道位置的壓力隨時間變化趨勢圖Fig.4 Pressure trend chart of different pipeline positions with time

圖5 不同管道位置的壓力隨時間變化趨勢圖Fig.5 Pressure trend chart of different pipeline positions with time

(2)在實際生產操作過程中，當下游所有井口的關斷閥關閉時，而注水泵沒能及時停泵的工況需要避免掉，因為當泵持續在關泵壓力下運轉，會對泵的葉輪和電機造成損害，對正常生產操作造成影響；另外如果按照不停泵時動態水擊分析結果進行注水系統管道的設計，會使管路系統的設計壓力提高，相應提高工程投資。為此，在注水系統流程設計中，考慮了停泵的邏輯控制；當下游注水井所有閥門同時關閉時，注水管道入口壓力達到高高壓關泵壓力(2.17×107Pa)時觸發注水泵停泵。在此工況下，當注水井所有關斷閥同時關閉時，關斷閥處和管道入口均出現明顯的水擊增壓波，在管道入口壓力達到2.17×107Pa時會觸發注水泵停止運轉，在停泵過程中，由于泵葉輪的慣性力仍然會對管道系統產生充裝壓力，同時停泵過程中泵出口產生的減壓波與下游閥門關閉時產生的增壓波疊加碰撞，水擊壓力波會隨著時間的推移逐漸消耗掉。整個過程中，管道入口的最大水擊壓力為2.442×107Pa，下游關斷閥處的最大水擊壓力為2.422×107Pa，計算結果見圖6。

圖6 不同管道位置的壓力隨時間變化趨勢圖Fig.6 Pressure trend chart of different pipeline positions with time

(3)應用儀表信號對注水泵進行邏輯停泵操作時，也存在控制失效的可能性，也就是說注水泵會繼續運轉至關泵壓力而造成泵損壞或使管道操作壓力超過其最大允許工作壓力而破壞，為此在注水管道入口處設置了壓力泄放閥，提供水擊泄放保護。當下游所有閥門關閉時，注水泵始終保持運行，在注水管道入口壓力升高至泄壓閥設定值2.30×107Pa時，泄壓閥逐漸被打開，管道系統內的壓力波通過泄壓閥釋放出來，整個管道系統會維持在一個新的壓力平衡狀態。如圖7，通過泄壓閥泄放水擊壓力時，管道入口最大的壓力為2.439×107Pa，井口關斷閥處的最大壓力為2.43×107Pa，壓力波被完全泄放后，管道系統恢復至另一個壓力平衡時的壓力為2.40×107Pa。

圖7 不同管道位置的壓力隨時間變化趨勢圖Fig.7 Pressure trend chart of different pipeline positions with time

(4)在注水泵啟動時，往往由于泵出口流量的突然增加，管路系統會出現非常明顯的壓力上升趨勢，啟泵壓力持續時間較短一般不會對管道造成影響，在壓力達到一個峰值后會很快恢復至管道的正常操作壓力。如圖8，注水泵在啟動前的壓力保持在1.85×107Pa，當注水泵啟動后，管道入口的壓力很快達到峰值壓力2.20×107Pa，隨后便很快恢復至管道正常操作壓力2.04×107Pa。

圖8 不同管道位置的壓力隨時間變化趨勢圖Fig.8 Pressure trend chart of different pipeline positions with time

圖9 不同管道位置的壓力隨時間變化趨勢圖Fig.9 Pressure trend chart of different pipeline positions with time

(5)當泵突然停止時，由于泵出口流量的突然減小，提供給泵下游管道的能量減少而產生減壓波，一般減壓波有可能使正常操作壓力過低管段的壓力降低至液體飽和蒸汽壓，發生氣液分離，導致管道失穩變形。在注水泵突然停泵后，管道入口壓力突然從正常操作壓力2.04×107Pa下降至1.65×107Pa，隨后升高反復震蕩，直到系統壓力最后恢復至和下游壓力保持一致。

3 結語

對單相液管線開展動態水擊分析，目前已經成為一種趨勢，通過仿真模擬能夠真實再顯泵、閥門關閉時，系統管路不同位置、不同時間的水擊波傳遞情況及水擊壓力大小。通過模擬不同工況下的動態水擊，可以計算出不同工況下的最大水擊壓力，對系統管線設計壓力的最終確定，對管道系統采用何種水擊保護措施的提供了依據。在進行動態水擊模擬過程中，往往也受到部分輸入數據的限制，如泵、閥門的性能曲線及關閥時間等，在前期設計階段一般很難確定下來，需要通過咨詢廠家獲取到相關數據，對于缺失數據可以進行合理的假設，待下一設計階段有詳細完善的輸入數據時，可以開展更為詳盡的動態模擬分析。