曹學(xué)文，曹忠正，謝振強(qiáng)，王軍，鄭松賢

1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東青島 266000

2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300450

在油氣管道投產(chǎn)之前，均需對(duì)管道內(nèi)部進(jìn)行預(yù)調(diào)試工作。通過(guò)海底管道預(yù)調(diào)試中的水壓試驗(yàn)、排水、干燥、惰化等工藝，實(shí)現(xiàn)海底管道的清潔和干燥，減少管道腐蝕，同時(shí)可以減少天然氣管道水合物的形成，提高海底管道流動(dòng)效率。

與淺水海底管道預(yù)調(diào)試不同，深水油氣開發(fā)中常采用半潛式平臺(tái)和水下生產(chǎn)系統(tǒng)相結(jié)合的開發(fā)模式[1]，如圖1 所示，井口、管匯、管道等都置于海床上，通過(guò)立管實(shí)現(xiàn)管匯與平臺(tái)的連接。同時(shí)，深水海底管道的外壓巨大，這不僅對(duì)管道選材和連接工藝產(chǎn)生影響，也對(duì)預(yù)調(diào)試工藝提出了相應(yīng)的要求[2]。

圖1 我國(guó)南海某深水氣田開發(fā)系統(tǒng)示意

1 預(yù)充水工藝

深水海底管道預(yù)調(diào)試過(guò)程中的預(yù)充水工藝可以利用深水高壓控制充水量的方法進(jìn)行，在壓力平衡之后再啟用泵[3]。

管道預(yù)充水工藝所使用的海水需要經(jīng)過(guò)過(guò)濾和添加化學(xué)藥劑兩步進(jìn)行預(yù)處理，化學(xué)藥劑包括緩蝕劑、除氧劑、殺菌劑、染色劑等[4]。在充水過(guò)程中，至少需要兩個(gè)清管器來(lái)隔絕氣、液兩相，以滿足DNV 規(guī)范中對(duì)水壓試驗(yàn)含氣量不超過(guò)0.2%的要求。

預(yù)充水工藝的主要設(shè)備包括遠(yuǎn)程充水模塊（如圖2 所示）和化學(xué)藥劑加注模塊（如圖3 所示），先通過(guò)這兩個(gè)模塊對(duì)海水進(jìn)行預(yù)處理，然后用處理過(guò)的海水推動(dòng)預(yù)置在管道入口的清管球（一般是由直板清管球和泡沫清管球組成的清管列車）沿管道前進(jìn)。通常當(dāng)充水體積達(dá)到管容的95%時(shí)，管內(nèi)壓力與海水靜壓達(dá)到平衡，預(yù)充水過(guò)程結(jié)束，之后通過(guò)泵增壓的方式使海水充滿管道。

圖2 遠(yuǎn)程充水模塊

圖3 化學(xué)藥劑加注模塊

2 充水、清洗、測(cè)徑工藝

泵增壓充水往往與清洗、測(cè)徑和內(nèi)檢工藝一同進(jìn)行[5]。通常利用清管列車完成這些工藝，清管器之間的介質(zhì)和動(dòng)力通過(guò)下放軟管（downline）傳送。

針對(duì)不同管道，采用的清潔方法和要求不同，這取決于管道長(zhǎng)度、是否有內(nèi)涂層、預(yù)計(jì)輸送規(guī)模等因素。規(guī)范要求測(cè)徑和內(nèi)檢測(cè)工藝必須進(jìn)行[6]。

充水、清洗、測(cè)徑工藝采用的清管列車如圖4所示。其中1 ～4 號(hào)清管器為帶有清潔刷的高密封板式清管器，5 ～6 號(hào)清管器為用于測(cè)徑的量規(guī)清管器。

圖4 充水、清洗、測(cè)徑工藝采用的清管列車

3 水壓試驗(yàn)

深水海底管道的水壓試驗(yàn)必須通過(guò)使用水下機(jī)器人（ROV）操作水下試壓管匯（見圖5）來(lái)實(shí)現(xiàn)[7]。在管道充滿水之后，一般需要一段時(shí)間使已充入的水與管道環(huán)境換熱，使得溫度趨于穩(wěn)定，然后開始對(duì)管內(nèi)的水進(jìn)行加壓。

圖5 水下試壓管匯

利用加壓初始階段的壓力-容量曲線可估算充入水的殘余空氣含量，規(guī)范要求水壓試驗(yàn)的最大空氣含量為0.2%。繼續(xù)加壓至最大試驗(yàn)壓力（一般定為設(shè)計(jì)壓力的1.25 倍）[8]。然后保持24 h，在此期間連續(xù)監(jiān)測(cè)并記錄壓力和溫度。在溫度穩(wěn)定的情況下，若管道壓力在24 h 內(nèi)維持穩(wěn)定，說(shuō)明管道通過(guò)了水壓試驗(yàn)。

4 排水工藝

在深水海底管道預(yù)調(diào)試工藝流程中，為了操作方便、提高效率，排水、干燥、惰化等工藝往往通過(guò)清管列車實(shí)現(xiàn)。排水、干燥、惰化等工藝采用的清管列車如圖6 所示。其中，1 號(hào)清管器為用于測(cè)徑的量規(guī)清管器，2 ～6 號(hào)清管器為用于清潔和隔離介質(zhì)的高密封板式清管器。淡水介質(zhì)用于管道除鹽，乙二醇用于干燥管道，氮?dú)庥糜诙杌艿馈?/p>

由于深水海底管道往往存在很大沿程高差，所以排水工藝所需推力較大。其推力由平臺(tái)或船舶上的壓縮機(jī)組提供，經(jīng)downline 送入管內(nèi)[9]。對(duì)于深水項(xiàng)目，一般采用大型船舶，雖然價(jià)格高，但可以明顯縮短工作時(shí)間，并且抗風(fēng)浪能力更強(qiáng)。

圖6 排水、干燥、惰化工藝采用的清管列車

5 干燥工藝

受深水項(xiàng)目工作條件的限制，注醇干燥是最適合深水海底管道的干燥技術(shù)[10-17]。其具體操作方法是：在除水過(guò)程中，將醇注入到水、氣分界處的清管列車中，在氣體推動(dòng)下前進(jìn)，殘余水被醇吸收，從而對(duì)整個(gè)管道進(jìn)行干燥處理。

由于醇類對(duì)海洋生物都是有毒性的，因此，在深水項(xiàng)目中醇類排放有嚴(yán)格限制，必須回收或經(jīng)處理后排放。

甘醇用量的計(jì)算主要取決于對(duì)管道排水后殘留的水膜中殘余水量的估計(jì)。采用甘醇類吸濕劑，干燥后管道末端排出的甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)不得低于85%。其計(jì)算可采用濃度均勻分布和濃度線性分布兩種方法。

5.1 按濃度均勻分布計(jì)算清管后的三甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)[18]

假設(shè)VL體積的三甘醇和水的混合物同時(shí)進(jìn)入隔室并與VT體積的三甘醇充分混合，VL體積混合物同時(shí)進(jìn)入下一個(gè)隔室。假設(shè)水和三甘醇均勻分布在整個(gè)管道中（Cw，0=100%），每個(gè)隔室的最終平均水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：

式中：Cw，i為第i 間隔室的水質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值；CTw，i為第i 間隔室三甘醇原始水質(zhì)量分?jǐn)?shù)，假設(shè)取CTw，i=1%；VT為三甘醇原始體積（隔室體積）；VL為泄漏的液體體積；i 為隔室號(hào)，從清管球之前的試壓水到清管球之后的干空氣（空管道）依次編號(hào)為0，1，…，N（N 為清管球的個(gè)數(shù)）。

于是各隔室中最后的平均三甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：CT，i=100%-Cw，i。

這種計(jì)算方法偏保守，因?yàn)榛旌弦旱酿ざ容^大，進(jìn)入下一隔室的液量會(huì)少于VL。

5.2 按濃度線性分布計(jì)算清管后的三甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)[19]

假設(shè)VL1體積的三甘醇和水的混合物逐漸進(jìn)入隔室，并且與VT體積的三甘醇均勻混合，然后又有VL2體積的混合物逐漸進(jìn)入下一個(gè)隔室。假設(shè)在整個(gè)管道中水和三甘醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都是線性分布的（Cw，F(xiàn)，0=100%），如圖7 所示。

圖7 三甘醇和水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)線性分布示意

則各隔室中最后的水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：

式中：CwF，i為第i 間隔室最終水質(zhì)量分?jǐn)?shù)；CwI，i為第i 間隔室三甘醇原始水質(zhì)量分?jǐn)?shù)，假設(shè)三甘醇取CwI，i=1%；VT為三甘醇原始體積（隔室體積）；VL1為進(jìn)入隔室的液體體積，VL1=VF+（i-1）·s·VT（此時(shí)i=1）；VL2為流出隔室的液體體積，VL2=VF+i·s·VT；VF為泄漏的液體體積；s 為滑脫比率（經(jīng)驗(yàn)值），s=（隔室中原來(lái)的體積-后來(lái)的體積）/原來(lái)的體積。

6 惰化工藝

惰化工藝一般指在干燥管道內(nèi)注入氮?dú)?，用于隔絕干燥用氣和投產(chǎn)的天然氣，而且可以進(jìn)一步干燥、惰化管道[20-21]。

在注氮的工藝中，可以利用液氮蒸發(fā)獲得氮?dú)狻D8 表示在不同的壓力下獲得100 m3的氮?dú)馑璧囊旱牧俊?/p>

在管道置換過(guò)程中，應(yīng)盡可能保持紊流，這有利于置換操作[22]。若管道容積為VP（m3），考慮氮?dú)鈸p失及壓力平衡過(guò)程，同時(shí)參考輸氣管氮?dú)庵脫Q經(jīng)驗(yàn)，氮?dú)庥昧繎?yīng)該為3VP（m3）[23]。

圖8 不同壓力下獲得100 m3 的氮?dú)馑璧囊旱牧?/p>

7 結(jié)束語(yǔ)

深水油氣開發(fā)常采用半潛式平臺(tái)和水下生產(chǎn)系統(tǒng)相結(jié)合的開發(fā)模式，因此深水海底管道預(yù)調(diào)試工作受水深和作業(yè)平臺(tái)面積的限制，與傳統(tǒng)海底管道預(yù)調(diào)試作業(yè)相比具有較大的不同，深水海底管道的預(yù)充水工藝可利用管外海水高壓自由充水，干燥工藝最宜采用注醇干燥等。同時(shí)，充水清洗測(cè)徑工藝和水壓試驗(yàn)工藝需要采用水下清管（試壓）撬+ROV 的方式，減少了人員和設(shè)備的投入。

本文通過(guò)總結(jié)現(xiàn)有預(yù)調(diào)試工藝，改進(jìn)了管道干燥甘醇用量的計(jì)算方法，合理選擇適合深水海底管道預(yù)調(diào)試技術(shù)方案，可對(duì)高效實(shí)現(xiàn)深水海底管道的預(yù)調(diào)試作業(yè)起到技術(shù)參考作用。