海底管道在線清管監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)與應用

程 濤，朱夢影， 金 秋， 薄 昭，王越淇，孔令雷

(1 中海石油(中國)有限公司天津分公司蓬勃作業(yè)公司，天津 300459；2 中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 塘沽 300459)

在海底管道運行中，清管是一項風險較大但又必不可少的作業(yè)[1-2]。清管作業(yè)不僅可以清除管道內積砂、結蠟等，提高管道輸送效率，而且可以清除管壁附著的垢片等沉積物等[3]，減小細菌存在條件，減小管道腐蝕，保障海底管道的完整性，尤其在日趨嚴格的管道完整性管理下[4]，清管頻次越來越高。但是目前渤海地區(qū)海底管道清管作業(yè)中清管器位置監(jiān)測和清管時間計算均是基于穩(wěn)態(tài)的經驗手動計算，其操作精度低、誤差大，不能實時顯示清管器速度、時間、位置，特別是對于流量變化的管道，誤差更大。

清管作業(yè)必須掌握清管器的運行情況,以便于控制清管器的運行速度,及時發(fā)現和處理各種問題[1]。如果速度控制不當，可能會造成清管器破裂等情況，且一旦出現卡住狀態(tài)不知道大體卡球位置。調研了目標油田后發(fā)現其注水管線清管作業(yè)，為保證清管時產生的臟水不污染注水井，都會在清管作業(yè)時關閉下游平臺注水井，造成注水損失，從而影響產量。輸氣管線清管作業(yè)時停止供氣，造成燃氣透平需要在此期間切換柴油，增加操作費。若能在準確的位置和時間接收清管器并及時排污,即可減少注水損失挽回產量、降低操作費以及減輕平臺人員的工作量[1]。

1 在線清管監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)

1.1 技術路線

為了及時了解清管器的運行情況，以便于控制清管器的運行速度,及時發(fā)現和處理各種問題[1]，同時配合調整清管策略，減少注水損失挽回產量損失、降低操作費以及減輕人員的工作量等，研發(fā)一種海底管道清管作業(yè)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，可以實現以下功能:

(1)實時顯示清管器運行速度，協助提高清管作業(yè)效果[5]。

(2)實時顯示清管器到下游的時間，為下游做好收球準備工作提供指導基礎，提高海上人員利用率。

(3)實時顯示清管器在海管中的實時位置，準確和直觀的顯示，及時發(fā)現卡球等狀況。

(4)協助優(yōu)化清管控制策略，對于注水海管精確了解和控制清管器對下游的時間，減少停注時間，挽回產量損失。對于輸氣海管精確了解和控制清管器對下游的時間，減少切換柴油用量，降低操作費。

設計一款智能便捷、適用于海上平臺DCS系統(tǒng)、一鍵式操作顯示的在線清管動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，可實時顯示清管器位置和到達下游的時間，具有可視化和提醒功能，實現清管作業(yè)在線實時監(jiān)測，為清管作業(yè)中管道上下游平臺之間配合和聯動提供參考依據。

具體技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線Fig.1 Technical route

1.2 清管動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設計

1.2.1 建立計算模型

利用瞬時積分原理創(chuàng)建不同類型海管計算模型，數據現場實時抓取，用積分法計算運行距離，通過以下模型計算出各類海管中清管球運行實時速度、實時到達下游平臺剩余時間以及實時距下游平臺距離。

(1)注水管道

對于注水海管，其實時速度、距下游平臺實時距離以及清管作業(yè)剩余時間分別可由下列模型表示。

(1)

(2)

(3)

式中，Qliq為注水海管輸量，m3/h；d為注水海管內徑，m；vliq清管器運行速度；Lsum為注水海管總長度，m；Lr注水海管清管作業(yè)剩余長度，m；Tr為注水海管清管作業(yè)剩余時間，h。

(2)天然氣管道

對于天然氣海管，其實時速度、距下游平臺實時距離以及清管作業(yè)剩余時間分別可由下列模型表示。

(4)

(5)

(6)

(7)

式中，Ps為天然氣海管上游壓力，kPa；Pt為天然氣海管下游壓力，kPa；Paver為天然氣海管計算壓力，kPa；Qg為天然氣海管輸量，Nm3/h；T為計算溫度，K；d為注水海管內徑，m；vgas清管器運行速度；Lsum為天然氣海管總長度，m；Lr天然氣海管清管作業(yè)剩余長度，m；Tr為海管清管作業(yè)剩余時間，h。

(3)混輸管道

對于混輸海管，其實時速度、距下游平臺實時距離以及清管作業(yè)剩余時間分別可由下列模型表示。

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

式中，Ps為天然氣海管上游壓力，kPa；Pt為天然氣海管下游壓力，kPa；Paver為天然氣海管計算壓力，kPa；Qg為天然氣海管輸量，Nm3/h；Qliq為液相輸量m3/h，T為計算溫度，K；d為注水海管內徑，m；vmix清管器運行速度；Lsum為混輸海管總長度，m；Lr為海管清管作業(yè)剩余長度，m；Tr為海管清管作業(yè)剩余時間，h。

1.2.2 邏輯主體設計

在上述計算模型的基礎上，根據現場需求和實際情況設計海底管道清管作業(yè)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，實現以下功能。

(1)實時顯示清管器運行速度、剩余距離、剩余時間；

(2)實時顯示清管器在海管中的實時位置，準確和直觀的顯示，及時發(fā)現卡球等狀況；

(3)清管器到之前10 min提醒，現場做好收球準備。

海底管道清管作業(yè)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)邏輯框圖如圖2所示。

圖2 海底管道清管作業(yè)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)邏輯框圖Fig.2 Logic block diagram of dynamic monitoring system for subsea pipeline pigging operation

1.2.3 界面設計

該系統(tǒng)鑲嵌至DCS系統(tǒng)中，設計友好的人機界面，圖3注水海管清管界面。

根據實際情況做相應調整，可以實現以下功能:

(1)在上述計算模型的基礎上，匯總現場需求和實際情況，設計該海底管道清管作業(yè)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)邏輯。該系統(tǒng)鑲嵌至平臺中控DCS系統(tǒng)中，設計友好的人機界面。

(2)可以直觀實時顯示清管器速度、預計到達時間、距下游平臺位置信息。

(3)封裝清管器運行計算環(huán)節(jié)，操作時一鍵操作即可進行計算，整個環(huán)節(jié)方便快捷。

(4)設置速度系數輸入框，根據實際情況調整減少偏差率。

(5)利用現場各類變送器，提高數據精度。

圖3 注水管線清管動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)可視化界面Fig.3 Visual interface of pigging dynamic monitoring system for water injection pipelin

1.2.4 標準模塊化程序建立

根據設計的邏輯框圖和計算模型，在現場DCS系統(tǒng)內建立標準模塊化程序，可以方便不同設施之間修改和下裝。在模塊化計算程序中，數據計算比如指示剩余時間、剩余距離、清管器達到前10分鐘提醒、到達指示等都是全部由內部計算塊完成，利用糾錯以及后續(xù)修改公式。壓力等數據在不同設施數據通信，提高計算精度。

2 調整和效果

目標油田平臺負責該油田17條海管的收發(fā)球作業(yè)。該油田注水管線清管作業(yè)時，為了防止臟水進入注水井而造成水井污染，需一直關閉下游注水井，從而造成注水損失從而影響產量損失。手動算法無法準確計算動態(tài)的流量，清管作業(yè)時清管器到達下游時間預計誤差大，而且無法直觀顯示清管器在海管中位置。為了控制清管器的運行速度,及時發(fā)現和處理各種問題，同時配合調整清管策略，減少注水損失挽回產量損失、減少操作費以及減輕人員工作量等[1]，研發(fā)海底管道清管作業(yè)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

2.1 注水海管清管動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)應用情況

對該油田7條注水管道實際運行情況進行統(tǒng)計分析，系統(tǒng)剛開始投用時系統(tǒng)偏差率在±12%之間，通過5個批次的清管作業(yè)優(yōu)化和調整，目前注水海管清管監(jiān)測計算總時間與實際時間誤差優(yōu)化至±3%(2 min)之內。

主要采取以下手段降低偏差率：①公式優(yōu)化，使用DCS內部計算模塊替換原設計的循壞模塊；②優(yōu)化速度系數，根據每條海管中清管器類型和磨損情況調整速度系數。

圖4 不同注水海管清管作業(yè)偏差率統(tǒng)計Fig.4 Statistics of deviation rate of pigging operation of different water injection subsea pipelines

2.2 輸氣海管清管動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)應用情況

對該目標油田2條天然氣管道實際運行情況進行統(tǒng)計分析，系統(tǒng)剛開始投用時系統(tǒng)偏差率高達18%之間，經過調試，目前清管時間偏差優(yōu)化至±10%(5 min)。

其偏差存在的主要問題有以下2點：①由于天然氣管道無實時顯示流量計，流量顯示靠用戶使用量反算，誤差較大；②上游由于段塞流等原因，天然氣壓力周期性波動[6]。

圖5 不同輸氣海管清管作業(yè)偏差率統(tǒng)計Fig.5 Statistics of deviation rate of pigging operation of different gas transmission subsea pipelines

2.3 混輸海管清管動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)應用情況

對該目標油田8條混輸管道實際運行情況進行統(tǒng)計分析，系統(tǒng)剛開始投用時系統(tǒng)偏差率±15%，通過5個批次的清管作業(yè)優(yōu)化和調整，目前混輸海管清管監(jiān)測計算總時間與實際時間誤差優(yōu)化至±5%(5 min)之內。

調整時采取用以下手段降低偏差率：①精準輸量，采用前一天測試的平臺產量作為輸量；②獲取上下游壓力、溫度參數，精準獲得計算參數；③根據每條海管上一次實際運行時間調整速度系數，目前每條海管速度系數從0.85～0.94不等。

圖6 不同混輸海管清管作業(yè)偏差率統(tǒng)計Fig.6 Statistics of deviation rate of pigging operation of different mixed transportation offshore pipelines

2.4 經濟社會效益

通過對目標油田清管作業(yè)應用實踐，注水海管清管監(jiān)測計算時間偏差在±3%、天然氣海管偏差在10%、混輸海管偏差在±5%。

清管作業(yè)油田損失注水量從4000方/次降低至1000方/次，天然氣清管節(jié)省燃氣消耗1.3萬方/次；清管器到達前10 min要求下游平臺做好收球準備，平均每條海管清管作業(yè)節(jié)省1 h，可節(jié)省人力成本600人工時/年。目前海管完整性管理日趨嚴格，清管頻次日趨頻繁，且該系統(tǒng)是封裝計算程序，可以直接嵌套至平臺DCS系統(tǒng)中，運行流暢穩(wěn)定，標準模塊化的設計方便拓展，后續(xù)推廣應用前景廣闊。

3 結 論

(1)實現清管動態(tài)監(jiān)測和可視化系統(tǒng)來輔助清管作業(yè)，實時顯示清管作業(yè)時清管器速度、時間、位置，降低了工作量和工作難度，提高了工作效率和準確性。

(2)海底管道清管作業(yè)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)優(yōu)化形成包括計算模型、運行界面、DCS系統(tǒng)標準模塊化程序在內的成果，該系統(tǒng)已在目標油田順利實施，具有可推廣性。

(3)面對清管作業(yè)日趨嚴格和頻繁，此海底管道清管作業(yè)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)封裝清管器運行計算環(huán)節(jié)，可在海上平臺DCS中穩(wěn)定流暢運行，后續(xù)推廣應用前景廣闊。