李文英，張寧寧

（1. 中海石油（中國）有限公司 深圳分公司, 廣東 深圳518000；2. 中石化節(jié)能環(huán)保工程科技有限公司, 山東 東營257000）

隨著海上油氣田開發(fā)水深的不斷增加，海底管線的鋪設(shè)深度和長度也不斷增加，深水惡劣的海洋環(huán)境不僅對深水浮式平臺、水下生產(chǎn)系統(tǒng)、海上作業(yè)等提出了苛刻的要求，也給連接各個衛(wèi)星井、邊際油田、海上平臺及陸上終端之間的從幾公里至數(shù)百公里海底管線提出了更為嚴峻的考驗。由于多相流輸送、海底地勢起伏、運行操作等因素，在深水氣田中出現(xiàn)的水合物、段塞流、多相流沖蝕等問題對海底混輸管線的安全運行產(chǎn)生了顯著影響[1]。

針對上述油氣田出現(xiàn)的流動安全保障問題，在“十三五”國家科技重大專項支持下，擬依托中海石油深水天然氣珠海高欄終端，建立國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進的海上油氣田流動安全中試評價基地—大型海底混輸管道多相流水合物實驗環(huán)道，逐步突破制約海上油氣田安全開發(fā)和運行的流動安全技術(shù)瓶頸，為保障我國海上油氣田的安全運行提供技術(shù)手段和技術(shù)支撐[2]。

該大型海底混輸管道多相流水合物實驗環(huán)道依托珠海高欄終端，采用荔灣3-1 氣田實際介質(zhì)，開展深水低溫、高壓條件下天然氣凝析液多相流流動規(guī)律、輸送工藝等技術(shù)研究，實現(xiàn)水合物、起伏段塞和清管段塞、清管、停輸再啟動等瞬態(tài)工況模擬、化學(xué)藥劑評價以及儀表設(shè)備性能評價等實驗的能力，為深水氣田流動安全保障關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)提供支撐。

本實驗環(huán)道功能定位：

（1）模擬天然氣、凝析液管內(nèi)流型變化規(guī)律，優(yōu)化流動安全設(shè)計，為流動安全管理提供指導(dǎo)，包括段塞流、清管、停輸再啟動等瞬態(tài)工況，為管線安全運行提供支持。

（2）模擬深水環(huán)境下水合物生成、水合物防控技術(shù)以及抑制水合物藥劑的篩選與評價。

（3）為多相計量、分離等產(chǎn)品研發(fā)提供實驗手段，實現(xiàn)多相流動計量儀表標定功能，并進行性能、精度等效果評價，對于多相流分離設(shè)備性能檢測考慮預(yù)留接口。

（4）為將來新技術(shù)和新設(shè)備國產(chǎn)化研發(fā)預(yù)留接口，如水下分離器、濕氣增壓、水下自動發(fā)球、旁通清管器等。

1 設(shè)計背景

目前國際上較為著名和規(guī)模較大的多相流水合物環(huán)道實驗裝置多集中在歐美發(fā)達國家，我國中國石油大學(xué)（華東）以及中國科學(xué)院廣州能源研究所等機構(gòu)也有相關(guān)實驗環(huán)道。為了能夠保障深海油氣流動安全，更好地對水合物進行風(fēng)險預(yù)防與控制，研究者們在反應(yīng)釜或流動環(huán)路中開展了一系列的實驗，對水合物的生成機理、漿液流動特性以及水合物堵塞管路的機理等進行研究[3]。而在流動環(huán)路中所開展的實驗，能夠模擬多相流管道中的水合物生成、漿液流動及管道堵塞現(xiàn)象，因而受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視[4]。

根據(jù)不完全統(tǒng)計的結(jié)果，目前國內(nèi)外已先后建設(shè)了數(shù)十條流動實驗環(huán)路來進行水合物的實驗研究?；诖?，本文列表總結(jié)了部分國內(nèi)外水合物流動實驗環(huán)路近期的發(fā)展概況及環(huán)路參數(shù)，并與中海油擬建的大型海底混輸管道多相流水合物實驗環(huán)道進行對比，找出以往環(huán)道設(shè)計的不足之處，并以此論證該中試實驗環(huán)道建設(shè)的重要性和必要性[5]。

國內(nèi)外部分水合物實驗環(huán)路與本實驗環(huán)路參數(shù)對比如表1 所示[6]。由表1 可知，目前以模擬介質(zhì)為實驗對象的中低壓和小管徑的水合物環(huán)道實驗研究在國內(nèi)外較為普遍，我國南海氣田多處于深水高壓的區(qū)域，而天然氣凝析液需要建設(shè)的輸送管道口徑大，且所需壓力較高，天然氣、凝析油、地層水等成分也更為復(fù)雜，對水合物的生成條件、水合物生成后懸浮于水中的漿液的聚集和流動特性、水合物抑制藥劑的開發(fā)和篩選都有重要影響。因此建設(shè)符合我國南海油氣田開發(fā)條件的大口徑、高壓力、長距離的大型海底混輸管道多相流水合物實驗環(huán)道是很必要的。

表1 各國水合物實驗環(huán)路參數(shù)對比Table 1 Comparison of parameters of hydrate experiment loop in different countries

續(xù)表1

2 實驗環(huán)路建設(shè)

本系統(tǒng)設(shè)計是為了實現(xiàn)海上油氣田流動安全中試評價實驗的各類實驗功能，整個實驗平臺為深水氣田流動安全實驗評價子平臺，在此平臺上建立了大型海底混輸管道多相流水合物實驗環(huán)道。

本實驗環(huán)路是一套多相流循環(huán)系統(tǒng)，能夠在最高達到21 MPa 的壓力條件下以油-水-氣三相進行實驗，允許溫度為3～60 ℃。按照功能分區(qū)，整個流程分為介質(zhì)供應(yīng)系統(tǒng)、介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)、測試環(huán)道系統(tǒng)和其他配套系統(tǒng)（自控系統(tǒng)、消防給排水等）組成。工藝流程示意如圖1 所示。

圖1 工藝流程示意Fig.1 Process flow diagram

2.1 介質(zhì)供應(yīng)系統(tǒng)

深水氣田流動安全實驗評價子平臺實驗采用珠海高欄終端凈化后的天然氣，凝析油和清水也均依托珠海高欄終端，其中油品和天然氣也可通過罐車外運的方式提供。

實驗介質(zhì)需要的油和水分別由介質(zhì)供應(yīng)系統(tǒng)的儲油罐和儲水罐通過輸油泵、輸水泵輸送至介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)的兩相分離器、三相分離器；充液完成后關(guān)閉油水供應(yīng)系統(tǒng)的動力設(shè)備；實驗需要的天然氣，由高欄終端預(yù)留接口經(jīng)過介質(zhì)供應(yīng)單元的充壓壓縮機從氣液分離器入口管線充入，進而使兩相分離器、三相分離器增壓至實驗壓力。

實驗平臺介質(zhì)接口條件：

（1）天然氣接口：①引自脫碳裝置出口：壓力6.6 MPa，夏季32 ℃、冬季25 ℃；②引自外輸氣壓縮機空冷器出口：壓力9.0 MPa，溫度50 ℃。

（2）凝析油接口：壓力0.2 MPa，溫度45 ℃。

（3）清水接口：壓力0.3 MPa，溫度為常溫。

（4）蒸汽接口：壓力0.7 MPa，溫度165 ℃。

（5）循環(huán)水接口：壓力0.45 MPa，溫度32 ℃。

2.2 閉式循環(huán)實驗系統(tǒng)

如圖1 所示，將實驗氣液介質(zhì)充入實驗環(huán)路系統(tǒng)，使用充壓壓縮機對環(huán)路進行充壓，當兩相分離器、三相分離器內(nèi)壓力增至實驗所需壓力后，關(guān)閉充壓壓縮機，啟動介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)的油循環(huán)泵、水循環(huán)泵和循環(huán)壓縮機，將三相分離器中分離出的油、氣、水經(jīng)混合器混合后進入實驗環(huán)道，經(jīng)過實驗測試后從實驗環(huán)道出來的油氣水多相流進入兩相分離器，從兩相分離器分出來的液進入三相分離器，分出來的氣連同三相分離器分出來的氣一同進入氣液分離器，進一步分液后經(jīng)循環(huán)壓縮機增壓進入混合器重新開始循環(huán)。三相分離器分出來的油和水分別經(jīng)油、水循環(huán)泵進入混合器重新開始循環(huán)。

從混合器流出的介質(zhì)是按比例配置好的油氣水混合物。三者的比例分別通過介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)的氣、油、水流量計信號來連鎖控制；實驗溫度分別通過加熱和冷卻設(shè)備來控制；實驗壓力通過兩相分離器氣出口壓力信號連鎖壓力調(diào)節(jié)閥來實現(xiàn)。

2.3 實驗環(huán)道系統(tǒng)

通過混合器的油氣水實驗介質(zhì)進入實驗環(huán)道，如圖2 所示，環(huán)道內(nèi)管為雙相不銹鋼鋼管，管道內(nèi)徑約為150 mm，設(shè)計溫度為60 ℃，實驗溫度為0～50 ℃。 設(shè) 計 壓 力 為21 MPa，實 驗 壓 力 為4～20 MPa。

根據(jù)南海深水及陵水氣田開發(fā)項目調(diào)研數(shù)據(jù)，海管集輸管線操作壓力為18～20 MPa，考慮到某些極端工況，例如在生產(chǎn)關(guān)停時，若某些生產(chǎn)井沒能關(guān)閉Wing 閥和Choke 閥，恢復(fù)生產(chǎn)時，深水海管壓力將有可能達到30 MPa（關(guān)井壓力），但該壓力為靜態(tài)工況下的壓力值，在實際海管動態(tài)流動中不會出現(xiàn)；另一方面，4 MPa 以下實驗壓力下的各種管徑的多相流實驗數(shù)據(jù)，目前業(yè)內(nèi)相對比較齊全，故對于4 MPa 以下的多相流實驗可不作為重點研究。根據(jù)經(jīng)驗，對于氣田的高壓實驗條件，15 MPa 實驗壓力就可以滿足多相流流態(tài)變化、水合物生成及多相流分離、標定等實驗功能。同時根據(jù)目前南海深水及陵水氣田開發(fā)項目調(diào)研的海管集輸管線操作壓力為18～20 MPa。因此，本實驗環(huán)路的實驗壓力確定為4～20 MPa，根據(jù)機理性模型，由于21.9 MPa與20.0 MPa 的壓比僅為1.1，故壓力外推至22 MPa仍能保證很高的準確度。

最大氣量為11.67×104m3/h，最大液量為154 m3/h。最大液相流速考慮海底管道實際輸送情況，其中3 m/s 基本涵蓋絕大多數(shù)海底管線生產(chǎn)工藝，因此，推薦液相最大流速為3 m/s。

在實際海管設(shè)計中，管道內(nèi)介質(zhì)流速需同時滿足以下要求：

（1）根據(jù)API RP 14E 規(guī)范2.5 條中要求，為避免海管管道壁厚因輸送過程中腐蝕減薄，對于氣液混輸管道，其流速不能超過對應(yīng)壓力下的沖蝕流速，工程上一般控制在0.8 倍以內(nèi)。

（2）根據(jù)API RP 14E 規(guī)范2.4 條中要求，對于單獨氣相輸送，為保證下游壓力同時，減小流速過快引起的噪音，因此實際操作中氣相速度一般控制不超過18 m/s。

按照API RP 14E 規(guī)范中沖蝕流速計算公式可知，沖蝕流速與管道內(nèi)輸送多相流的密度成反比，本次環(huán)路以純氣相密度作為邊界條件，計算沖蝕流速。

其中，Ve為流體沖蝕流速，m/s；C 為經(jīng)驗常數(shù)，C=150；ρ 為對應(yīng)壓力及溫度下的氣液相混合密度，kg/m3。

按照高欄終端來純天然氣介質(zhì)組分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及API 規(guī)范中的沖蝕流速計算公式，分別計算4～20 MPa 內(nèi)的管道沖蝕流速，具體結(jié)果如表2 所示。

表2 實驗環(huán)路氣相沖蝕流速計算Table 2 Calculation of gas phase erosion velocity in test loop

綜上所述，多相流實驗中氣液混合相的沖蝕流速會小于表2 中純氣相流速范圍。因此，本次實驗環(huán)路中實驗介質(zhì)氣相流速按照表2 中計算流速作為其邊界條件，可以滿足實際操作工況模擬要求。

實驗環(huán)道所采用的溫控方式為在實驗管路上八處安裝夾套換熱器，總換熱面積達223.6 m2，套管中的冷卻液進口處乙二醇水溶液來自制冷機組，蒸汽來自減溫減壓撬，出口處乙二醇水溶液回制冷機組，蒸汽冷凝液回冷凝液儲罐；套管總管長為212 m，介質(zhì)走向為冷卻液乙二醇水溶液走夾層，實驗介質(zhì)混合物走管程，夾套換熱器可以采用多段并聯(lián)冷卻夾套換熱器，達到快速冷卻或者精確控溫的目的[21]。

本實驗環(huán)路實驗段也可進行傾斜管段多相流水合物實驗，起伏角度為0°～±5°，如圖2 所示。

實際生產(chǎn)運行中海管需要適應(yīng)海底起伏環(huán)境，在建設(shè)中存在一定的坡度起伏，需要在實驗環(huán)路設(shè)計時模擬這種情況。海底管道通常采用S-Lay 鋪管船法和岸托法進行施工，采用彎頭在海中施工時，無法進行連續(xù)的鋪管船施工作業(yè)，因此在海洋管道工程中主要利用管道的彈性，通過彈性敷設(shè)的方式實現(xiàn)管道的水平或豎向彎轉(zhuǎn)，考慮到海底管道環(huán)境本身的復(fù)雜多變，結(jié)合海洋管道工程經(jīng)驗，對于管道豎向彈性敷設(shè)角度最大不應(yīng)超過5°。同時參考國外大型實驗環(huán)路傾角絕大多數(shù)在5°以內(nèi)，因此本次實驗基地實驗環(huán)路最大傾角按±5°設(shè)計，可以涵蓋海管實際傾角范圍。

在測試環(huán)道系統(tǒng)上若干位置安裝了壓力、溫度、壓差傳感器進行實驗測量，從而對所獲得的大量實驗數(shù)據(jù)進行分析。實驗環(huán)路還安裝了X 光層析成像測量系統(tǒng)等，并且預(yù)留有可視窗替換段、內(nèi)窺鏡替換段以及電容電阻探針替換段等，以便相關(guān)實驗的進一步展開。測試段垂直立管部分高約30 m，如圖3 所示。

圖3 環(huán)道測試段垂直立管部分Fig.3 Vertical riser of loop test section

垂直立管部分管徑、設(shè)計壓力與設(shè)計溫度同水平管段部分，立管與水平管段連接處設(shè)置切換閥門，即進行相關(guān)立管實驗時，將閥門切換至立管，水平管段同理。

3 實驗設(shè)備與測量儀表

深水氣田流動安全實驗評價子平臺主要實驗設(shè)備包括兩相分離器、三相分離器、氣液分離器、壓縮機出口分離器、閉排罐、儲油罐、儲水罐、充壓壓縮機、循環(huán)壓縮機、凝析油循環(huán)泵、清水循環(huán)泵、污油泵、油循環(huán)泵和水循環(huán)泵等；測量儀表包括配套檢測儀表、配套流量、壓力、溫度傳感器等。

3.1 實驗設(shè)備

環(huán)路實驗設(shè)備計算按液相最高設(shè)計流量154 m3/h，氣相最高設(shè)計流量280×104Nm3/d，系統(tǒng)設(shè)計壓力為21 MPa，實驗壓力為4～20 MPa。

（1）兩相分離器。兩相分離器按照液體停留時間1 min 計算，液體流量154 m3/h，氣體流量280×104Nm3/d，需要兩相分離器的有效容積為：6.77 m3。 選用兩相分離器規(guī)格為Ф 1 600 mm×6 400 mm。

（2）三相分離器。三相分離器按照液體停留時間8 min 設(shè)計，液體流量154 m3/h，氣體流量280×104Nm3/d，需要三相分離器的有效容積為22.8 m3。選用1 臺Ф2 000 mm×8 000 mm 三相分離器。

（3）充壓壓縮機。本實驗環(huán)路充壓壓縮機僅作為補氣充壓使用，壓比大，排量小，且間歇運行，故推薦采用國產(chǎn)往復(fù)式壓縮機。選用壓縮機入口壓力6.6 MPa ，最大出口壓力20 MPa ，氣體流量為2 000 Nm3/h。

（4）循環(huán)壓縮機。選用往復(fù)式壓縮機?？紤]實驗流量范圍波動大，選用2 臺（65～140）×104Nm3/d 的壓縮機，往復(fù)壓縮機通過變頻調(diào)節(jié)壓縮機負荷，小氣量實驗時采用回流調(diào)節(jié)。

（5）凝析油循環(huán)泵。 凝析油循環(huán)泵采用屏蔽泵，循環(huán)泵進口壓力4～20 MPa，進出口壓差1.25 MPa，流 量 為0～154 m3/h。 按大小泵 方 案 配 置2臺，1 臺 流 量 為6～30 m3/h，1 臺 流 量 為20～154 m3/h。

（6）水循環(huán)泵。 選用離心泵，進口壓力4～20 MPa，進出口壓差1.25 MPa，流量為0～154 m3/h，考慮不同流量的實驗需要，按大小泵方案配置2臺，1 臺 流 量 為6～30 m3/h，1 臺 流 量 為20～154 m3/h。

3.2 測量儀表

（1）兩相、三相分離器等設(shè)備設(shè)置液位及界面檢測、油氣水管線壓力、溫度、流量檢測及調(diào)節(jié)；油水加熱器、冷卻器等設(shè)備設(shè)置壓力、溫度、流量檢測及溫度調(diào)節(jié)；實驗環(huán)道設(shè)置溫度、壓力、差壓檢測、流量及溫度調(diào)節(jié)；低壓儲罐及泵類設(shè)備設(shè)置液位、壓力、溫度檢測。所有的遠傳檢測點信號上傳至中控室的控制系統(tǒng)。

（2）設(shè)置X 射線層析成像系統(tǒng)，實現(xiàn)流型觀察，并提供體積比、持液率等測試，可以實現(xiàn)分辨管內(nèi)介質(zhì)固體顆粒以及測量粒徑等功能。

目前，水合物的形成、生長速率以及有效體積的測量手段仍然以光學(xué)顯微鏡為主，但這種方法并不能觀察到水合物的生成與其內(nèi)部物質(zhì)的分布規(guī)律，難以計算水合物生成速率以及有效體積，因此X射線層析成像技術(shù)越發(fā)成為熱門研究內(nèi)容。X 射線成像技術(shù)可以對流動介質(zhì)進行實時成像，且時間分辨率、空間分辨率都很高，所以X 射線對多相流水合物的生成和流動狀態(tài)的測量在此環(huán)路中有很高的應(yīng)用價值。

（3）在中控室設(shè)置工藝控制系統(tǒng)（PCS）和安全儀表系統(tǒng)（SIS）。實現(xiàn)工藝系統(tǒng)參數(shù)的顯示、數(shù)據(jù)處理、報警和數(shù)據(jù)歸檔，在中控室實現(xiàn)全站的集中控制和管理。

（4）本實驗裝置配備在線粒度分析儀（也稱聚焦光束反射測量儀，F(xiàn)ocused Beam Reflectance Measurement，F(xiàn)BRM）顯示管道中水合物顆粒的動態(tài)變化，并且對其顆粒與液滴的變化程度進行追蹤，測量顆粒、液滴的數(shù)目與粒徑大小，為實驗管道中水合物的生成以及水合物漿液流動的微觀特性方面的研究提供了重要的依據(jù)[22]。

4 結(jié) 論

海上油氣田流動安全中試評價基地—大型海底混輸管道多相流水合物實驗環(huán)道總長350 m，內(nèi)徑約150 mm，設(shè)計壓力為21 MPa，其環(huán)道建設(shè)規(guī)格已達國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進的水平，這將逐步突破制約我國海上油氣田安全開發(fā)和運行的流動安全技術(shù)瓶頸，為保障我國海上油氣田的安全運行提供技術(shù)手段和技術(shù)支撐。本實驗系統(tǒng)規(guī)模較大、建設(shè)復(fù)雜并且系統(tǒng)的調(diào)試也比較繁瑣，因此必須通過不斷的實驗和測試才能完成。與此同時，此多相流水合物實驗環(huán)道所具備的拓展性較強，對實驗人員的操作能力和實驗設(shè)計的創(chuàng)新能力提出了更高的要求[6]。