陳文峰， 鞠朋朋， 劉培林， 張 歡， 周曉艷， 鄧 婷

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

水下生產(chǎn)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于深水油田以及邊際油田開(kāi)發(fā)[2]，南海某氣田項(xiàng)目水深為1 500 m，采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)和半潛平臺(tái)(SEMI)開(kāi)發(fā)方案，天然氣在半潛平臺(tái)干燥脫水處理后外輸，凝析油脫水處理合格后儲(chǔ)存在半潛平臺(tái)定期外輸。水下生產(chǎn)系統(tǒng)共有口生產(chǎn)井7個(gè)(W1～W7)，井位相對(duì)分散，采用三個(gè)水下管匯(E1～E3)和雙海管開(kāi)發(fā)方案，油氣井和出油管道通過(guò)跨接管與水下管匯相連[3]，生產(chǎn)流體回接SEMI進(jìn)行處理，具體開(kāi)發(fā)示意圖如圖1所示。

當(dāng)海管內(nèi)生產(chǎn)流體生成水合物需要維修時(shí)，需要在平臺(tái)對(duì)海管進(jìn)行泄壓操作，降低海管內(nèi)操作壓力，使其降低至水合物溶解壓力以下，從而保證生產(chǎn)操作安全。

1 水下生產(chǎn)系統(tǒng)泄壓流程

氣田水合物是由甲烷、乙烷、丙烷、氮?dú)?、二氧化碳、硫化氫等天然氣組分與水在高壓和低溫條件下產(chǎn)生的外表和機(jī)械強(qiáng)度都類(lèi)似冰的物質(zhì)，會(huì)減少管線的流動(dòng)面積，甚至阻塞管道，還有可能隨著高速流動(dòng)的氣體一起運(yùn)動(dòng)，損壞管線上的閥門(mén)、彎頭等部件[4]。水合物生成以后，國(guó)內(nèi)外項(xiàng)目基本采取降壓、注甲醇、加熱等補(bǔ)救措施。在降壓過(guò)程中為防止水合物兩側(cè)壓差過(guò)大使其在管線內(nèi)高速運(yùn)行造成危險(xiǎn)，水合物兩側(cè)需同時(shí)泄壓，針對(duì)該南海深水項(xiàng)目，可同時(shí)在雙海管出口泄壓閥進(jìn)行壓力釋放。

圖1 南海某氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)示意圖Fig.1 Schematic diagram of underwater production system development of a gas field in the South China Sea

平臺(tái)海管出口閥門(mén)關(guān)閉，水下生產(chǎn)系統(tǒng)仍生產(chǎn)直至水下采油樹(shù)達(dá)到關(guān)井壓力，此時(shí)海管出口對(duì)應(yīng)的壓力為286 bar(1 bar=105pa)，此壓力為初始泄放壓力。海管內(nèi)高壓生產(chǎn)流體通過(guò)平臺(tái)海管出口的泄壓閥進(jìn)行壓力釋放，泄放的氣體進(jìn)入火炬系統(tǒng)進(jìn)行處理，泄放的低溫流體進(jìn)入火炬分液罐儲(chǔ)存后利用增壓泵打回生產(chǎn)流程處理，其中火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)處理能力為1 176×104Sm3/d，火炬分液罐及泄放管線最低設(shè)計(jì)溫度為-99℃，增壓泵設(shè)計(jì)溫度為常溫，火炬分液罐緩沖容積為10 m3，泄放過(guò)程中各參數(shù)應(yīng)滿足上述設(shè)計(jì)參數(shù)要求。具體海管泄壓流程如圖2所示。

圖2 南海某氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)海管泄放流程Fig.2 An undertvater production system in a gas field in the South China Sea

2 海管泄壓分析

海管在泄壓過(guò)程中，低溫流體會(huì)被氣體攜帶出海管進(jìn)入火炬分液罐儲(chǔ)存，由于增壓泵及生產(chǎn)處理流程為常溫設(shè)計(jì)，泄放的低溫流體無(wú)法直接被泵打入生產(chǎn)流程進(jìn)行處理，需要在火炬分液罐內(nèi)利用電加熱器進(jìn)行升溫，待流體溫度滿足要求后再打入生產(chǎn)流程進(jìn)行處理。針對(duì)此工況要求，若采用常規(guī)直接泄放的做法，火炬分液罐儲(chǔ)存容積至少需要47.2 m3，遠(yuǎn)大于目前10 m3的緩沖容積，因而在常規(guī)項(xiàng)目直接泄放模擬的基礎(chǔ)上創(chuàng)新地提出了分級(jí)泄壓的理念，以火炬分液罐緩沖容積為限制條件，分級(jí)泄壓降低海管壓力，為操作者提供足夠的低溫流體處理時(shí)間，即溶解已生成的水合物，由此可避免增壓泵常溫設(shè)計(jì)帶來(lái)的操作難題。下面以1 in(1 in= 25.4 mm)泄壓閥為例，說(shuō)明泄壓過(guò)程的各參數(shù)變化。

泄壓過(guò)程中低溫流體的體積變化如圖3所示，當(dāng)泄放的低溫流體累計(jì)泄放體積(ACCLIQ)達(dá)到10 m3時(shí)停止泄壓，每級(jí)泄壓之間給操作者預(yù)留24 h處理時(shí)間再進(jìn)行下一次泄壓，可以看出經(jīng)兩級(jí)泄壓后低溫流體累計(jì)泄放體積基本不再變化，可一直泄壓至需要的壓力。泄壓過(guò)程中閥門(mén)開(kāi)度(VALVOP)如圖3中紅色曲線的變化。

泄壓過(guò)程中海管內(nèi)壓力變化如圖4所示，可以看出，第一級(jí)泄壓時(shí)海管內(nèi)壓力由286 bar降至208 bar，二級(jí)泄壓壓力降至138.4 bar，第三級(jí)泄壓海管壓力一直降至火炬系統(tǒng)背壓3 bar，大約需要75 h。

圖3 泄壓過(guò)程中低溫流體體積變化曲線Fig.3 The volume change curve of low-temperature fluid in the process of pressure relief

圖4 泄壓過(guò)程中海管內(nèi)壓力變化曲線Fig.4 Pressure variation curve in the mid-ocean tube during pressure relief process

泄壓過(guò)程中釋放的氣體體積(QGST)如圖5所示，可以看出，第一級(jí)泄壓最大氣體釋放體積為283×104Sm3/d，第二級(jí)泄壓最大氣體釋放體積為228×104Sm3/d，第三級(jí)泄壓最大氣體釋放體積為154×104Sm3/d，均在火炬處理能力范圍內(nèi)(1 176×104Sm3/d)，滿足設(shè)計(jì)要求。

泄壓過(guò)程中泄壓閥下游低溫(TVALVEOUT)如圖6所示，可以看出，第一級(jí)泄壓時(shí)下游最低溫度為-98.4℃，第二級(jí)泄壓時(shí)下游最低溫度為-83.4℃，第三級(jí)泄壓時(shí)下游最低溫度為-35.5℃，均在火炬系統(tǒng)最低設(shè)計(jì)溫度(-99℃)的范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

常規(guī)項(xiàng)目在進(jìn)行泄壓分析時(shí)，一般模擬海管內(nèi)高壓生產(chǎn)流體利用泄壓閥直接釋放，以泄放氣體流量不超過(guò)火炬處理能力、低溫液體流量不超過(guò)火炬分液罐增壓泵排量和泄放閥后低溫不超過(guò)泄放系統(tǒng)最低設(shè)計(jì)溫度為條件，確定合適的泄放閥尺寸和泄放時(shí)間，但此方法沒(méi)有考慮火炬分液罐增壓泵為常溫設(shè)計(jì)，無(wú)法及時(shí)輸送低溫流體，且火炬分液罐內(nèi)加熱器功率不滿足負(fù)荷要求的工況；在南海某項(xiàng)目設(shè)計(jì)的過(guò)程中，創(chuàng)新性地提出了分級(jí)泄壓概念，以火炬分液罐緩沖容積為限制條件，給操作者提供足夠的低溫流體處理時(shí)間，很好地解決了泄放低溫流體輸送和增壓泵等設(shè)備最低設(shè)計(jì)溫度之間的矛盾，為后續(xù)類(lèi)似項(xiàng)目開(kāi)發(fā)提供了借鑒。

圖5 泄壓過(guò)程中釋放氣體體積變化曲線Fig.5 Curve of gas volume change in the process of pressure relief

圖6 泄壓過(guò)程中泄壓閥下游低溫變化曲線Fig.6 The low temperature change curve of the downstream of