長(zhǎng)距離海底管道清管技術(shù)研究

汪智峰，曹聚杭，閔 兵，林守強(qiáng)，唐 豫，劉春水，張 婕

深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東深圳 518000

在海洋石油工程中，海底管道（以下簡(jiǎn)稱海管）將海上油氣田、儲(chǔ)油設(shè)施或陸上處理終端連接成一個(gè)有機(jī)的整體，使海上生產(chǎn)設(shè)施的各個(gè)環(huán)節(jié)通過管道形成相互關(guān)聯(lián)、相互協(xié)調(diào)作業(yè)的生產(chǎn)操作系統(tǒng)[1]。隨著海上油氣田不斷開發(fā)，新建海管投產(chǎn)前的預(yù)調(diào)試（包括清管測(cè)徑、試壓和排水干燥惰化等）進(jìn)展順利與否將直接影響油氣田的投產(chǎn)[2]。

1 東方13-2氣田海底管道概況

長(zhǎng)距離海管清管技術(shù)一直被國外公司壟斷，其中南海荔灣3-1項(xiàng)目直徑30 in（1 in=25.4 mm）、長(zhǎng)261 km海管清管作業(yè)與崖城13-2平臺(tái)至香港的直徑28 in、長(zhǎng)778 km海管清管作業(yè)全部由外國公司實(shí)施。在東方13-2氣田群開發(fā)項(xiàng)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(zhǎng)195 km海管清管作業(yè)，這是我國首次自主實(shí)施的平臺(tái)間長(zhǎng)距離海管清管作業(yè)。該項(xiàng)目涉及東方13-2 CEPB平臺(tái)與崖城13-1 AWA平臺(tái)之間一條直徑為24 in、長(zhǎng)195 km的主干氣海底管道，水下三通至樂東22-1平臺(tái)直徑18 in、長(zhǎng)1.5 km的支氣管道，如圖1所示。

圖1 東方13-2項(xiàng)目海底管道

長(zhǎng)距離海管清管過程中存在諸多難點(diǎn)。海管長(zhǎng)度增加導(dǎo)致內(nèi)部雜質(zhì)累積量增大，清管器運(yùn)行阻力增加，進(jìn)而增大清管器卡堵的風(fēng)險(xiǎn)，如何降低雜質(zhì)累積導(dǎo)致的卡堵風(fēng)險(xiǎn)是長(zhǎng)距離海管清管的難點(diǎn)之一；清管器密封板與海管內(nèi)壁間存在摩擦損耗，長(zhǎng)距離的摩擦損耗影響清管效果甚至出現(xiàn)密封失效導(dǎo)致卡堵，如何評(píng)判清管器密封板的耐磨性能是長(zhǎng)距離清管的又一難點(diǎn)；清管過程中存在多種阻力影響清管器的運(yùn)行，如何降低這些阻力以及設(shè)置準(zhǔn)確的輸入動(dòng)力也是長(zhǎng)距離清管的難點(diǎn)；清管過程中，準(zhǔn)確判斷清管器的具體位置以及清管器進(jìn)入收球筒的時(shí)間至關(guān)重要，而采用什么方法判斷也是長(zhǎng)距離清管的難點(diǎn)。本文結(jié)合東方13-2項(xiàng)目清管技術(shù)，針對(duì)上述難點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)分析，為長(zhǎng)距離海管清管提供技術(shù)指導(dǎo)。

2 清管器受力分析

清管器在傾斜海底管道上升段內(nèi)的受力情況見圖2。清管器的受力主要分為兩類：動(dòng)力部分與阻力部分。其中動(dòng)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(zhì)重量的軸向分量、清管器與管內(nèi)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(jì)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(nèi)徑，m；m為清管器質(zhì)量，kg；m1為清管器前部雜質(zhì)質(zhì)量，kg；f為清管器與管內(nèi)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(yùn)行過程中出現(xiàn)卡堵[4]。根據(jù)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(dòng)力[5]。清管器在運(yùn)行的過程中可能會(huì)因?yàn)橄铝星闆r而卡堵在管道內(nèi)。

（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(shè)施，如閥門、法蘭、變徑管等的內(nèi)徑與管道內(nèi)徑不一致甚至相差很大；管道彎頭曲率半徑未達(dá)到清管要求（彎頭的曲率半徑應(yīng)≥1.5D）；管道焊接施工結(jié)束后管道內(nèi)壁焊瘤未及時(shí)清除；管道施工后期，在管道整體焊接時(shí)不慎遺留在管道中的較大雜物。

（2）清管作業(yè)準(zhǔn)備不夠。清管器的運(yùn)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(huì)導(dǎo)致清管器停滯不前；管道上截?cái)嚅y門未達(dá)到全開的狀態(tài)。

（3）清管器故障。清管器在管道內(nèi)運(yùn)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(dǎo)致清管器卡堵。

4 防卡堵措施

4.1 清管動(dòng)力保障

當(dāng)清管過程中動(dòng)力大于阻力時(shí)，清管過程可以順利進(jìn)行，因此準(zhǔn)確計(jì)算清管過程中的壓力損失至關(guān)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(dǎo)致的壓力損失、海管和注水軟管內(nèi)水與管壁摩擦導(dǎo)致的壓力損失、收球端與發(fā)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(nèi)壁摩擦而產(chǎn)生的壓力損失ΔPmin與清管器的類型、管道尺寸有關(guān)[7]，在工程實(shí)踐中一般通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

式中：ΔPmin為驅(qū)動(dòng)清管器的最小前后壓差，Pa；K為摩阻因子，可根據(jù)圖3取值。

圖3 不同類型清管器對(duì)應(yīng)的摩阻因子

4.1.2 清管過程壓力損失分析

根據(jù)工程實(shí)踐可知，對(duì)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(duì)于整個(gè)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(nèi)水與管壁摩擦導(dǎo)致的壓力損失、發(fā)球端與收球端的高程差等，因此，加載到清管器上的動(dòng)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(dòng)力。

當(dāng)雷諾數(shù)＜2 000時(shí)：

當(dāng)雷諾數(shù)≥2 000時(shí)：

式中：P為最小清管動(dòng)力，bar（1 bar=105Pa）；n為清管器個(gè)數(shù)，個(gè)；L為管道長(zhǎng)度，m；Re為雷諾數(shù)，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(xiàng)目中195 km海管清管計(jì)算依據(jù)的參數(shù)見表1。

表1 東方13-2項(xiàng)目中195 km海管清管計(jì)算依據(jù)參數(shù)

由于計(jì)算得出的雷諾數(shù)大于2 000，所以將表1中的參數(shù)代入式（4），計(jì)算得到最小清管動(dòng)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(jù)最小清管動(dòng)力選擇清管泵出口壓力為25 bar，流量為500 m3/h，滿足當(dāng)清管器速度為0.5m/s時(shí)對(duì)應(yīng)的流量為457m3/h的要求。

4.2 降低清管阻力

4.2.1 優(yōu)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(guān)，因此優(yōu)化注水軟管的尺寸對(duì)清管過程至關(guān)重要。通過式（4）計(jì)算相同長(zhǎng)度（50m）不同管徑的軟管在相同管流流速時(shí)的壓力損失，其輸入?yún)?shù)見表2，計(jì)算結(jié)果見圖4。

表2 50 m長(zhǎng)度不同管徑軟管參數(shù)

圖4 相同長(zhǎng)度不同管徑軟管在相同管流流速時(shí)的壓力損失

從圖4可以看出，當(dāng)管流流速相同時(shí)，4 in軟管的壓力損失遠(yuǎn)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(duì)軟管和設(shè)備的要求也更高，施工的危險(xiǎn)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(yīng)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(yōu)選6 in的軟管進(jìn)行清管施工。

4.2.2 分段清管

整條海管長(zhǎng)度較長(zhǎng)（195 km），且距離崖城13-1平臺(tái)47 km處存在直徑18 in、長(zhǎng)1.5 km的支管，清管器由崖城13-1平臺(tái)經(jīng)過47 km海管后，前部的雜質(zhì)累積較多，一方面增加了卡球的風(fēng)險(xiǎn)，另一方面雜質(zhì)可能在三通處進(jìn)入支線管路，對(duì)三通撬閥門造成損壞。因此，此次采用分段清管作業(yè)方式，如圖5所示，即：①崖城13-1平臺(tái)至三通處47 km單獨(dú)清管；②18 in、1.5 km的支管單獨(dú)清管；③崖城13-1平臺(tái)至東方13-2平臺(tái)148 km單獨(dú)清管。這種分段清管方法既可以避免累積雜質(zhì)過多造成清管器卡堵，又可以防止雜質(zhì)進(jìn)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(cè)試清管器性能

清管器的密封板與鋼管內(nèi)壁直接接觸，隨著清管器運(yùn)行距離的增加，密封板將出現(xiàn)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(dá)到要求的清潔效果，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致清管器卡堵。

長(zhǎng)距離海管清管作業(yè)對(duì)清管器密封板的耐磨性能提出了更高的要求，因此測(cè)試密封板的密封性能尤為重要。圖6為東方13-2項(xiàng)目中使用的清管器與測(cè)試密封板耐磨性能的阿克隆磨耗試驗(yàn)機(jī)。

圖6 東方13-2項(xiàng)目中使用的清管器與阿克隆磨耗試驗(yàn)機(jī)

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(shí)刻清管器的位置對(duì)收球時(shí)間的預(yù)判有指導(dǎo)作用，而且一旦清管器出現(xiàn)卡堵，ROV尋找清管器卡堵位置時(shí)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(cè)工具對(duì)該范圍內(nèi)的海管進(jìn)行巡線，最終確定清管器的準(zhǔn)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(jù)表1中的管道參數(shù)與流量計(jì)顯示的注水體積反算清管器的位置：

式中：Lp為時(shí)間t清管器所在位置，m；t為清管器發(fā)出后經(jīng)歷的時(shí)間，h；Q為清管泵實(shí)際輸出流量，m3/h。

清管器密封板與海管內(nèi)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(shí)際位置有一定的差距。

4.4.2 跟蹤定位器定位

東方13-2項(xiàng)目中首、尾清管器配備Online跟蹤器。根據(jù)注水體積計(jì)算得到大致位置，MSV攜帶探測(cè)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(gè)極其關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，通過發(fā)球端的壓力變化準(zhǔn)確判斷所有清管器到達(dá)收球筒的時(shí)間非常重要。東方13-2項(xiàng)目中采用KELLER數(shù)字壓力記錄表采集清管過程中發(fā)球端的壓力變化，壓力隨時(shí)間的變化曲線如圖7所示。

從圖7可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)清管器到達(dá)末端前，記錄的壓力為6.9～7.3 bar，這與本文4.1.2計(jì)算得到的最小輸入清管動(dòng)力（7.241 6 bar）一致，驗(yàn)證了計(jì)算的正確性。之所以會(huì)出現(xiàn)壓力波動(dòng)，是清管器運(yùn)行過程中管道高程起伏導(dǎo)致的，根據(jù)式（1）可知，當(dāng)清管器在管道上升段運(yùn)行時(shí)，清管器的重力軸向分量為阻力，因此發(fā)球端的壓力略微升高；當(dāng)清管器在管道下降段運(yùn)行時(shí)，清管器的重力軸向分量為動(dòng)力，因此發(fā)球端的壓力略微降低。

圖7 清管過程中發(fā)球端壓力變化曲線

根據(jù)發(fā)球端壓力變化曲線可以準(zhǔn)確得知收球時(shí)間：當(dāng)清管器到達(dá)立管彎頭時(shí)，阻力急劇增加，由于阻力較大使得發(fā)球端的壓力上升；當(dāng)清管器經(jīng)過立管彎頭后，壓力迅速下降。壓力變化曲線中每個(gè)壓力峰值的出現(xiàn)即表示有一個(gè)清管器經(jīng)過立管彎頭進(jìn)入發(fā)球筒。

6 結(jié)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(yù)防清管器卡堵的措施，主要包括清管動(dòng)力保障、降低清管阻力、測(cè)試清管器性能、清管器跟蹤定位等，提出了根據(jù)收球過程中發(fā)球端的壓力變化判斷清管器到達(dá)末端的方法。

東方13-2項(xiàng)目直徑24 in、長(zhǎng)195 km海管清管作業(yè)是國內(nèi)公司首次自主實(shí)施的平臺(tái)間最長(zhǎng)距離海管清管施工作業(yè)，該項(xiàng)目的實(shí)施積累了豐富的長(zhǎng)距離海管清管經(jīng)驗(yàn)，初步掌握了長(zhǎng)距離清管防卡堵技術(shù)，為國內(nèi)公司全面掌握長(zhǎng)距離海管清管技術(shù)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。