長距離海底管道清管技術研究

汪智峰，曹聚杭，閔 兵，林守強，唐 豫，劉春水，張 婕

深圳海油工程水下技術有限公司，廣東深圳 518000

在海洋石油工程中，海底管道（以下簡稱海管）將海上油氣田、儲油設施或陸上處理終端連接成一個有機的整體，使海上生產設施的各個環節通過管道形成相互關聯、相互協調作業的生產操作系統[1]。隨著海上油氣田不斷開發，新建海管投產前的預調試（包括清管測徑、試壓和排水干燥惰化等）進展順利與否將直接影響油氣田的投產[2]。

1 東方13-2氣田海底管道概況

長距離海管清管技術一直被國外公司壟斷，其中南海荔灣3-1項目直徑30 in（1 in=25.4 mm）、長261 km海管清管作業與崖城13-2平臺至香港的直徑28 in、長778 km海管清管作業全部由外國公司實施。在東方13-2氣田群開發項目中，海洋石油工程股份有限公司成功地完成了直徑24 in、長195 km海管清管作業，這是我國首次自主實施的平臺間長距離海管清管作業。該項目涉及東方13-2 CEPB平臺與崖城13-1 AWA平臺之間一條直徑為24 in、長195 km的主干氣海底管道，水下三通至樂東22-1平臺直徑18 in、長1.5 km的支氣管道，如圖1所示。

圖1 東方13-2項目海底管道

長距離海管清管過程中存在諸多難點。海管長度增加導致內部雜質累積量增大，清管器運行阻力增加，進而增大清管器卡堵的風險，如何降低雜質累積導致的卡堵風險是長距離海管清管的難點之一；清管器密封板與海管內壁間存在摩擦損耗，長距離的摩擦損耗影響清管效果甚至出現密封失效導致卡堵，如何評判清管器密封板的耐磨性能是長距離清管的又一難點；清管過程中存在多種阻力影響清管器的運行，如何降低這些阻力以及設置準確的輸入動力也是長距離清管的難點；清管過程中，準確判斷清管器的具體位置以及清管器進入收球筒的時間至關重要，而采用什么方法判斷也是長距離清管的難點。本文結合東方13-2項目清管技術，針對上述難點進行重點分析，為長距離海管清管提供技術指導。

2 清管器受力分析

清管器在傾斜海底管道上升段內的受力情況見圖2。清管器的受力主要分為兩類：動力部分與阻力部分。其中動力部分包括清管器前后壓差力，阻力部分包括清管器重力的軸向分量、清管器前端雜質重量的軸向分量、清管器與管內壁的摩擦阻力。

圖2 清管器在海管上傾段受力分析

清管器所受外力的計算公式[3]：

式中：F為清管器所受外力，N；ΔP為清管器前后壓差，Pa；D為管道內徑，m；m為清管器質量，kg；m1為清管器前部雜質質量，kg；f為清管器與管內壁的摩擦阻力，N；g為重力加速度，取9.8 N/kg；θ為海底管道坡度，°。

3 清管器卡堵原因

清管過程中最致命的問題是清管器在運行過程中出現卡堵[4]。根據式（1）可知，清管器卡堵直接原因是其受到的阻力大于最大推動力[5]。清管器在運行的過程中可能會因為下列情況而卡堵在管道內。

（1）管道自身問題。施工過程中由于外力破壞造成的管道變形；管道上的附屬設施，如閥門、法蘭、變徑管等的內徑與管道內徑不一致甚至相差很大；管道彎頭曲率半徑未達到清管要求（彎頭的曲率半徑應≥1.5D）；管道焊接施工結束后管道內壁焊瘤未及時清除；管道施工后期，在管道整體焊接時不慎遺留在管道中的較大雜物。

（2）清管作業準備不夠。清管器的運行速度控制不好，球速太慢造成球被卡在彎頭、爬坡、三通等處；清管器尺寸選擇不合適；管道中含有大量泥沙，隨著清管器行走距離的不斷增加，清管器前端的泥沙會導致清管器停滯不前；管道上截斷閥門未達到全開的狀態。

（3）清管器故障。清管器在管道內運行過程中由于安裝不牢靠、受外力破壞致皮碗密封性能降低[6]或者干脆破裂，這樣清管器不能維持其前行所需的最小前后壓差導致清管器卡堵。

4 防卡堵措施

4.1 清管動力保障

當清管過程中動力大于阻力時，清管過程可以順利進行，因此準確計算清管過程中的壓力損失至關重要。清管過程中的壓力損失主要包括清管器與管壁摩擦導致的壓力損失、海管和注水軟管內水與管壁摩擦導致的壓力損失、收球端與發球端間的高程差。

4.1.1 清管器與管壁摩擦壓力損失

清管器與管內壁摩擦而產生的壓力損失ΔPmin與清管器的類型、管道尺寸有關[7]，在工程實踐中一般通過經驗公式計算：

式中：ΔPmin為驅動清管器的最小前后壓差，Pa；K為摩阻因子，可根據圖3取值。

圖3 不同類型清管器對應的摩阻因子

4.1.2 清管過程壓力損失分析

根據工程實踐可知，對清管器而言，清管阻力主要為清管器與管道的摩擦阻力。然而對于整個清管過程而言，清管過程中不僅包括清管器與管道的摩擦阻力，還包括海管和注水軟管內水與管壁摩擦導致的壓力損失、發球端與收球端的高程差等，因此，加載到清管器上的動力需大于等于上述阻力的總和，即清管過程中存在最小清管動力。

當雷諾數＜2 000時：

當雷諾數≥2 000時：

式中：P為最小清管動力，bar（1 bar=105Pa）；n為清管器個數，個；L為管道長度，m；Re為雷諾數，無量綱；e為管道粗糙度，m；u為清管器速度，m/s；ρ為海水密度，kg/m3；ΔH為高程差，m；μ為海水黏度，m2/s。

東方13-2項目中195 km海管清管計算依據的參數見表1。

表1 東方13-2項目中195 km海管清管計算依據參數

由于計算得出的雷諾數大于2 000，所以將表1中的參數代入式（4），計算得到最小清管動力P=7.241 6 bar，其中海管的壓力損失為0.67 bar，注水軟管的壓力損失為3.27 bar。根據最小清管動力選擇清管泵出口壓力為25 bar，流量為500 m3/h，滿足當清管器速度為0.5m/s時對應的流量為457m3/h的要求。

4.2 降低清管阻力

4.2.1 優化注水軟管尺寸

由式（4）可知，清管過程中注水軟管的壓力損失與注水軟管直徑選取密切相關，因此優化注水軟管的尺寸對清管過程至關重要。通過式（4）計算相同長度（50m）不同管徑的軟管在相同管流流速時的壓力損失，其輸入參數見表2，計算結果見圖4。

表2 50 m長度不同管徑軟管參數

圖4 相同長度不同管徑軟管在相同管流流速時的壓力損失

從圖4可以看出，當管流流速相同時，4 in軟管的壓力損失遠高于6 in與7 in軟管。軟管的壓力損失越高就需要更高輸出壓力的清管泵，高壓力對軟管和設備的要求也更高，施工的危險程度和難度也將增加。另外，6in與7in軟管的壓力損失相差不大，隨著軟管直徑的增加，軟管的重量相應增加，這加大了安裝與施工難度。綜合考慮壓力損失與軟管重量的影響，優選6 in的軟管進行清管施工。

4.2.2 分段清管

整條海管長度較長（195 km），且距離崖城13-1平臺47 km處存在直徑18 in、長1.5 km的支管，清管器由崖城13-1平臺經過47 km海管后，前部的雜質累積較多，一方面增加了卡球的風險，另一方面雜質可能在三通處進入支線管路，對三通撬閥門造成損壞。因此，此次采用分段清管作業方式，如圖5所示，即：①崖城13-1平臺至三通處47 km單獨清管；②18 in、1.5 km的支管單獨清管；③崖城13-1平臺至東方13-2平臺148 km單獨清管。這種分段清管方法既可以避免累積雜質過多造成清管器卡堵，又可以防止雜質進入支管，提高了整條管道的潔凈度。

圖5 分段清管示意

4.3 測試清管器性能

清管器的密封板與鋼管內壁直接接觸，隨著清管器運行距離的增加，密封板將出現不同程度的磨損，而密封性能的降低或者破裂，將使得清管器不能維持其前行所需的最小前后壓差，不僅無法達到要求的清潔效果，嚴重時導致清管器卡堵。

長距離海管清管作業對清管器密封板的耐磨性能提出了更高的要求，因此測試密封板的密封性能尤為重要。圖6為東方13-2項目中使用的清管器與測試密封板耐磨性能的阿克隆磨耗試驗機。

圖6 東方13-2項目中使用的清管器與阿克隆磨耗試驗機

4.4 清管器跟蹤定位

清管器的跟蹤定位[8]也是清管防卡堵的保障措施之一。確定某一時刻清管器的位置對收球時間的預判有指導作用，而且一旦清管器出現卡堵，ROV尋找清管器卡堵位置時將更有目的性。清管器的定位思路一般為：首先，推算清管器位置的大致范圍（0～2 km）；隨后，通過MSV下放ROV攜帶探測工具對該范圍內的海管進行巡線，最終確定清管器的準確位置，并確定清管器卡堵的原因。

4.4.1 注水體積法定位

根據表1中的管道參數與流量計顯示的注水體積反算清管器的位置：

式中：Lp為時間t清管器所在位置，m；t為清管器發出后經歷的時間，h；Q為清管泵實際輸出流量，m3/h。

清管器密封板與海管內壁之間并不是完全密封，因此存在少量水的泄漏，所以注水體積推算得到的清管器位置與實際位置有一定的差距。

4.4.2 跟蹤定位器定位

東方13-2項目中首、尾清管器配備Online跟蹤器。根據注水體積計算得到大致位置，MSV攜帶探測器可以快速找到清管器位置[9]。

5 收球壓力分析

清管過程中收球是一個極其關鍵的環節，通過發球端的壓力變化準確判斷所有清管器到達收球筒的時間非常重要。東方13-2項目中采用KELLER數字壓力記錄表采集清管過程中發球端的壓力變化，壓力隨時間的變化曲線如圖7所示。

從圖7可以發現，當清管器到達末端前，記錄的壓力為6.9～7.3 bar，這與本文4.1.2計算得到的最小輸入清管動力（7.241 6 bar）一致，驗證了計算的正確性。之所以會出現壓力波動，是清管器運行過程中管道高程起伏導致的，根據式（1）可知，當清管器在管道上升段運行時，清管器的重力軸向分量為阻力，因此發球端的壓力略微升高；當清管器在管道下降段運行時，清管器的重力軸向分量為動力，因此發球端的壓力略微降低。

圖7 清管過程中發球端壓力變化曲線

根據發球端壓力變化曲線可以準確得知收球時間：當清管器到達立管彎頭時，阻力急劇增加，由于阻力較大使得發球端的壓力上升；當清管器經過立管彎頭后，壓力迅速下降。壓力變化曲線中每個壓力峰值的出現即表示有一個清管器經過立管彎頭進入發球筒。

6 結論

本文基于清管過程中清管器的受力情況，分析了清管器卡堵的主要原因，提出了預防清管器卡堵的措施，主要包括清管動力保障、降低清管阻力、測試清管器性能、清管器跟蹤定位等，提出了根據收球過程中發球端的壓力變化判斷清管器到達末端的方法。

東方13-2項目直徑24 in、長195 km海管清管作業是國內公司首次自主實施的平臺間最長距離海管清管施工作業，該項目的實施積累了豐富的長距離海管清管經驗，初步掌握了長距離清管防卡堵技術，為國內公司全面掌握長距離海管清管技術奠定了堅實的基礎。