安海重 陳熾彬

中海石油（中國(guó)）有限公司崖城作業(yè)公司

崖城13-1 氣田海上平臺(tái)位于瓊東南鶯歌海，產(chǎn)出天然氣、凝析油；南山終端位于海南省三亞市，通過一條內(nèi)徑337 mm、全長(zhǎng)90.9 km的海南管線（以下簡(jiǎn)稱：海管）接收處理海上平臺(tái)的凝析油和部分天然氣。段塞流捕集器（以下簡(jiǎn)稱：捕集器）的安全容積為715 m3，天然氣處理系統(tǒng)正常處理量為86×104～172×104m3/d，凝析油處理系統(tǒng)正常處理量為87～397 m3/d。隨著崖城13-1 氣田進(jìn)入開發(fā)后期，輸送至南山終端的天然氣量和凝析油量減少，南山終端進(jìn)入超低流量生產(chǎn)工況，凝析油處理量下降至55～95 m3/d，且天然氣處理量逐年遞減至約21×104m3/d，瞬時(shí)流量波動(dòng)較大，低至0～3×104m3/d，甚至出現(xiàn)間歇供氣情況。原有的清管作業(yè)方式已不能滿足超低流量生產(chǎn)工況，勢(shì)必要對(duì)清管模式進(jìn)行研究，調(diào)整并實(shí)施新的清管作業(yè)模式。

1 原清管作業(yè)模式存在的問題

2016 年以前，南山終端天然氣平均流量大于120×104m3/d，在該工況下天然氣攜液能力強(qiáng)，海管內(nèi)流體達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，能把海管內(nèi)的凝析油穩(wěn)定地?cái)y帶到終端，海管持液量（約477 m3）小于捕集器的安全容積。此時(shí)的清管周期為14 天，并采用外徑（335 mm）略小于海管內(nèi)徑（337 mm）的非過盈量馬洛利聚氨酯清管球。

在超低流量工況下，海管的積液分布規(guī)律發(fā)生重大改變，天然氣流量大幅降低，海管持液量增加，天然氣攜液能力降低，海管持液量、清管作業(yè)時(shí)間、段塞釋放時(shí)間等作業(yè)參數(shù)都發(fā)生了變化[1-3]。如果繼續(xù)采用原有的清管周期和使用非過盈量的清管球進(jìn)行清管，將會(huì)對(duì)南山終端的安全運(yùn)行產(chǎn)生較大的影響，主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

（1）捕集器液泛導(dǎo)致供氣中斷。在超低流量工況下南山終端天然氣平均處理量為21×104m3/d，當(dāng)海管內(nèi)流體達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，海管持液量（4 610 m3）大于捕集器的安全容積，如果繼續(xù)定期清管，存在捕集器高液位關(guān)停，甚至發(fā)生液泛導(dǎo)致供氣中斷的風(fēng)險(xiǎn)[4]（圖1）。

圖1 海管持液量與天然氣流量關(guān)系Fig.1 Relationship between liquid holdup and natural gas flow of Hainan Pipeline

（2）清管效率低或清管作業(yè)失敗。受清管球外徑比海管內(nèi)徑小及海管高程變化的影響，大量液體從球體返流導(dǎo)致清管效率下降；甚至在海管膨脹彎、三通等突變點(diǎn)，出現(xiàn)清管球與海管之間旁通間隙過大，流體全部從間隙流過，清管球推動(dòng)力小、滯留在海管內(nèi)的情況，導(dǎo)致正常清管失敗。在此情況下，一般可采取在南山終端非正常排放海管天然氣約14.89×104m3/次，通過增大流速和壓差的方法使清管球到達(dá)收球筒。

（3）清管作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，增加天然氣供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)天然氣處理量為120×104m3/d時(shí)，清管球運(yùn)行時(shí)間僅需18 h；當(dāng)天然氣平均處理量下降至21×104m3/d 時(shí)，由于清管球前后壓差過小、運(yùn)行推動(dòng)力不足，導(dǎo)致清管球運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)至約90 h，給向下游管道公司穩(wěn)定供應(yīng)天然氣增加了風(fēng)險(xiǎn)（圖2）。

圖2 清管球運(yùn)行時(shí)間與天然氣流量關(guān)系Fig.1 Relationship between pigging ball running time and natural gas flow

2 HI-REAL清管作業(yè)

2.1 清管球類型的選擇

管道清管器一般有清管球、皮碗清管器、直板清管器，隨著新材料的發(fā)展，當(dāng)前普遍采用彈性和耐磨性更好的聚氨酯材料。清管器可有效清除管道內(nèi)的雜質(zhì)、污物、積液、積水等，提高管道輸送效率，減少管道內(nèi)壁腐蝕[5-6]。

不同類型的清管器各有優(yōu)缺點(diǎn)，清管球、皮碗清管器和直板清管器清管特點(diǎn)對(duì)比見表1。除密封面易形變以及密封性、旁通現(xiàn)象和清管效率取決于過盈量外，清管球在通過性、發(fā)送模式、投放及取出作業(yè)時(shí)的天然氣排放量、可重復(fù)利用性等方面優(yōu)勢(shì)明顯。并且清管球取出作業(yè)可以一次取多個(gè)，不需要頻繁開關(guān)收球筒，可保障現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員工作量最少，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。因此，海管采用具有合適過盈量的球形清管球進(jìn)行清管，可降低采用未實(shí)施過的皮碗清管器、直板清管器清管所帶來的未知風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 清管球國(guó)產(chǎn)化

清管球分空心球和實(shí)心球兩種，管徑≥100 mm為空心球，管徑＜100 mm 為實(shí)心球?？招那虮诤駷檩敋夤軆?nèi)徑的十分之一，空心球上裝有氣嘴，空心球內(nèi)充注具有防凍功能的三甘醇，并使清管球保持一定的過盈量，使其與管道內(nèi)壁貼合[7-8]。

崖城13-1 氣田之前使用美國(guó)馬洛利空心清管球。隨著國(guó)內(nèi)生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，經(jīng)調(diào)研國(guó)內(nèi)部分企業(yè)已可以生產(chǎn)出適合海管超低流量工況下清管作業(yè)要求的聚氨酯空心清管球。國(guó)產(chǎn)清管球在采購(gòu)成本、采購(gòu)周期、加工靈活性、加工技術(shù)、安全性能、售后服務(wù)響應(yīng)時(shí)間等方面占有較大的優(yōu)勢(shì)，見表2。

表1 清管球、皮碗清管器和直板清管器清管特點(diǎn)對(duì)比Tab.1 Comparison of pigging characteristics among pigging ball，leather bowl pig and straight plate pig

表2 國(guó)產(chǎn)化清管球和進(jìn)口清管球特點(diǎn)對(duì)比Tab.2 Comparison of characteristics between domestic pigging ball and imported pigging ball

2017 年海管累計(jì)使用國(guó)產(chǎn)一體成型聚氨酯空心清管球進(jìn)行清管作業(yè)55 次，回收可重復(fù)利用國(guó)產(chǎn)清管球19只，可回收利用率34.5%，且清管過程安全。因此，繼續(xù)采用該種國(guó)產(chǎn)清管球是降低清管成本、提高作業(yè)效率的較好選擇。

2.3 清管球過盈量

清管球的外徑與管內(nèi)徑之差稱為過盈量，清管球未充三甘醇時(shí)過盈量為管內(nèi)徑的-2%～2%，充注三甘醇后可達(dá)到3%～5%的過盈量，使球能緊貼管壁不致漏氣和漏液，減少流體旁通現(xiàn)象。過盈量太小，流體旁通現(xiàn)象顯著；過盈量太大，會(huì)導(dǎo)致清管球通過管道閥門縮徑時(shí)發(fā)生擠壓破裂，為了確保清管球能順利通過發(fā)球筒及收球筒的縮徑閥芯、管線三通、膨脹彎等，需要確定合適的過盈量。為此，在海管進(jìn)行了12 只國(guó)產(chǎn)一體成型聚氨酯空心過盈清管球測(cè)試，其中5只過盈量為3%，7只過盈量為2%。測(cè)試結(jié)果見表3，過盈量為3%的清管球4 只破裂，破損率80%；過盈量為2%的清管球破裂1只，破損率14%。

由表3 可知，采用過盈量為2%的清管球，清管球破損率從80%下降至14%，提高了清管效率及安全性。

2.4 優(yōu)化清管作業(yè)程序

海管使用過盈量為2%的一體成型聚氨酯國(guó)產(chǎn)化清管球后，作業(yè)程序也需要隨之調(diào)整，以保證清管作業(yè)安全[9]。作業(yè)程序的優(yōu)化調(diào)整主要從清管周期、操作要點(diǎn)、清管球運(yùn)行滯后的應(yīng)對(duì)措施等方面開展。

表3 過盈量清管球測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of interference pigging ball test results

（1）清管周期[10]。國(guó)內(nèi)外管道清管周期的確定以管道輸送效率下降為依據(jù)，清管周期一般每個(gè)季度1次，海管清管周期為14天，如果繼續(xù)按照此周期，海管持液量將大于捕集器安全容積。為了解決此問題，將定期清管改為定量清管，即海管持液量達(dá)到捕集器安全容積的60%（即429 m3）時(shí)進(jìn)行一次清管，預(yù)留安全容積的40%（即286 m3）應(yīng)對(duì)清管球未按預(yù)定時(shí)間到達(dá)南山終端收球筒的突發(fā)情況。

（2）操作要點(diǎn)。根據(jù)多輪清管測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，探索出適用于海管低流量生產(chǎn)工況的清管操作要訣。平臺(tái)“三確保”：海上平臺(tái)操作員發(fā)球前檢查確保清管球過盈量為2%，確保清管球體內(nèi)充滿三甘醇不留空氣，確保發(fā)球后清管球進(jìn)入海管直管段，以此保證發(fā)球成功率。終端“六提前”：南山終端操作員提前計(jì)算海管凝析油持液量以確定發(fā)球時(shí)間，提前計(jì)算球運(yùn)行時(shí)間，提前與下游管道公司溝通需求計(jì)劃量，提前處理降低捕集器液位，提前做好清管球滯后運(yùn)行的處理措施，提前做好收球準(zhǔn)備工作，以此確保通球作業(yè)成功。

（3）清管球運(yùn)行滯后的應(yīng)對(duì)措施。2016 年清管球不能按理論時(shí)間到達(dá)收球筒的比例約16%，為此創(chuàng)新提出了發(fā)送“增援球”模式：如果清管球在海管里停滯或運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)超過72 h且海管持液量達(dá)到捕集器安全容積的90%（即643.5 m3），則平臺(tái)操作員再次發(fā)送一只清管球，兩只清管球同時(shí)在海管運(yùn)行，使清管球運(yùn)行壓差大于35 kPa，增加清管球運(yùn)行推動(dòng)力。應(yīng)防止海管持液量超過捕集器安全容積，導(dǎo)致海上平臺(tái)停產(chǎn)或南山終端捕集器高液位關(guān)停。

2018 年按照以上作業(yè)程序?qū)９芾塾?jì)實(shí)施清管64次，成功率100%。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

采取“增援球”措施后，避免了清管球停滯時(shí)通過排放海管內(nèi)天然氣來增加清管球的推動(dòng)力。按照2018 年清管作業(yè)數(shù)據(jù)，超低流量生產(chǎn)工況下平均清管作業(yè)64次/a，可減少非正常天然氣排放量約952.96×104m3/a，即減少經(jīng)濟(jì)損失1 238.85×104元/a。

通過對(duì)國(guó)產(chǎn)清管球與進(jìn)口馬洛利清管球進(jìn)行對(duì)比可知（表4），按照國(guó)產(chǎn)清管球可回收利用率34.5%，與進(jìn)口馬洛利清管球相比，可減少清管球成本支出41.92×104元/a，成本下降約57%，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

表4 國(guó)產(chǎn)清管球與進(jìn)口馬洛利清管球成本對(duì)比Tab.4 Cost comparison of domestic pigging ball and imported Mallory pigging ball

4 結(jié)論

（1）HI-REAL 清管模式是在海管所實(shí)施的以改進(jìn)清管球及優(yōu)化清管作業(yè)程序?yàn)橹饕獎(jiǎng)?chuàng)新內(nèi)涵的兩個(gè)層面、六項(xiàng)措施，操作安全性高，成功率高，可最大程度保證清管作業(yè)的安全有效。

（2）HI-REAL 清管模式作為崖城13-1 氣田“三新三化”的重要成果之一，有效降低了清管作業(yè)成本，避免了天然氣處理系統(tǒng)液泛導(dǎo)致天然氣處理質(zhì)量不合格，可提高供氣可靠性，減少天然氣排放量，提質(zhì)增效和節(jié)能環(huán)保效果顯著，提高了氣田開發(fā)后期的經(jīng)濟(jì)效益。

（3）HI-REAL 清管模式成功解決了氣田開發(fā)后期天然氣超低流量生產(chǎn)工況下清管作業(yè)的難題，保證了氣田安全生產(chǎn)，可應(yīng)用于類似海上氣田進(jìn)入后期開發(fā)超低流量生產(chǎn)工況的海底油氣混輸管道清管作業(yè)。