海底长输油管道清管球破裂压力试验及矿场应用

王 威，鲁 瑜，罗 峰，张宗超，郭 庆

海底长输油管道清管球破裂压力试验及矿场应用

王 威，鲁 瑜，罗 峰，张宗超，郭 庆

（中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300452）

此文旨在研究海底长输油管道清管球运行过程中通过性、破裂性及破裂压力等特性。以渤海某油田原油外输海管为例，通过优化清管球旁通孔的设计方案，增加了流体通过率，能有效降低清管球卡堵对上游生产单元带来的安全风险。通过开展清管球的破裂压力模拟实验， 证实了泡沫清管球具有一定的承压能力、良好的通过性以及可靠的破裂性。试验表明：泡沫球清管球在管道中遇卡堵时，可根据管道中卡堵的程度以及压差的增大来调节自身的通过能力；当压差增大至破裂压力时，泡沫球自身破裂、破粹以通过卡堵。

海底；管道；清管球；破裂压力；模拟实验

海底长输油气管道清管是提高海管输送能力，减小管道的腐蚀，完善海管内检测及加强海管完整性管理的重要环节，对海上油田安全生产具有重要意义[1-2]。然而，海底长输油气管道在长期运行过程中，输送介质中夹带少量杂质、污油泥等沉积在管线内沉积[3-5]，使管道内径、压力、流通面积、输送能力等预测更加复杂，如果出现卡堵等应急情况，对海底长输油气管道清管以及油田安全生产带来极大挑战[6-8]。因此，有必要对海底长输油气管道清管球的通过性、破裂性及破裂压力等特性进行研究[9-10]。为此，以渤海某油田原油外输海管为例，根据海管运行参数及生产数据，在优化清管球的旁通设计方案的基础上，开展长输油管道清管球破裂压力模拟实验，证实了泡沫清管球具有一定的承压能力、良好的通过性以及可靠的破裂性。

1 海管参数

1.1 海管设计参数

见表1。

表1 渤海某油田外输海管设计参数表

1.2 海管运行参数

见表2。

表2 渤海某油田外输海管运行参数表

2 清管球优化设计

经海管校核计算，由于管道的长期运行，管线内泥沙沉积，造成了管线缩径，原油流通面积减小导致压差增大。为确保清管作业顺利完成，采用清管球旁通孔优化设计方案，当清管球在海管中受阻，速度发生变化时，部分流体通过旁通孔通过，增加流体通过率。

根据渤海某油田原油外输海管生产数据，海管总输量17481m3/d，清管球正常速度1.136m/s。假设清管球速度为1.1m/s，则旁通量为554.2m3/d，约占总输量的3.17%。具体分析如下：

（1）孔径20mm，孔数5个。孔内流体流速为4.08m/s，相对速度为2.98m/s，压降为0.55bar。

（2）孔径为25mm，孔数5个。孔内流体流速为2.61m/s，相对速度为1.51m/s，压降为0.18bar。

考虑到泡沫清管球中开孔，壁面摩擦系数大，因此压降会大于上述计算值，故选择开孔孔径为25mm，开孔数为5个。计算流程如图1所示。

此外，考虑到海管内可能存在积砂等问题，开孔位置位于径向2/3半径处（距清管球中心点）。

为了增加流体的通过率，在球体上进行均匀开5个孔，孔直径25mm。设计平面图如图2所示。

3 清管球破裂试验

图1 孔径计算流程图

图2 清管球设计平面图

为验证清管球在海管中遇卡或堵塞后破裂情况，需要进行一次泡沫球破碎试验，用于破裂实验的泡沫球尺寸依照20英寸泡沫球类型按比例缩小至8英寸，材质和密度相同，通过模拟泡沫球在管道中击碎的工况，为后续进行真实海管通球提供依据。试验中选用清管球为中密度光体子弹型泡沫球，直径223mm，长度315mm，过盈量为11%。具体参数如表3所示。

表3 试验清管球参数表

3.1 试验工况

压力：1～ 3MPa；介质：淡水；介质流速：0.5～ 3m/s。试验地点选在天津塘沽试验场；温度、湿度等根据试验场条件。

3.2 试验方案

将收球筒隔离阀门关闭至1/3处，发送中密度光体子弹型泡沫球。如泡沫球顺利通过仍可重复使用，则继续关闭阀门至1/4或更小，直至达到实验效果。

3.3 试验结果

球体在运行10min后到达收球筒设立的阀门卡堵处，球体到达卡堵处后，收球筒处压力经过短暂急剧下降后，由于泡沫球本身碎裂通过卡堵处使压力恢复至正常值。如图3所示。

图3 破裂试验收球筒及清管球实物

试验所收到的泡沫球球体上有明显受挤压破裂的痕迹，球体到达阀门卡堵处，在这里形成憋压，由于受压使球体前端在阀门处压出球阀的压痕。球体受压达到破裂极限后，从受压受堵处开始破裂变形。试验数据、压力变化如表4、图4所示。

清管球破裂压力试验表明，泡沫球具有非常好的通过性，当其在管道中出现卡堵时，可根据管道中卡堵的程度以及压差的增大来调节自身的通过能力；实验中泡沫球在卡堵处前后压差增大至1.71MPa，当压差进一步增大时，泡沫球自身破裂、破粹以通过卡堵，具有可靠破裂性。

表4 清管球破裂压力实验数据表

图4 破裂压力试验压力变化曲线图

4 矿场应用

渤海X油田原油外输海管设计长度69.5km，管道容积12455m3，设计压力12MPa，最大操作压力8.8MPa。选用旁路式清管球，在球体上均匀开5个孔，孔直径25mm。通球作业期间，海管入口端压力基本没有太大的波动，维持在正常压力波动范围之内，最高压力上涨至5700kPa。清管球表面有局部破损，无明显裂痕，无卡堵等应急情况发生。如图5所示，红色曲线代表外输海管的入口压力，绿色部分代表原油缓冲罐的液位调节阀阀开度变化情况，均处于正常状态，通球作业安全顺利实施。

图5 通球期间海管入口压力、液位调节阀开度变化曲线

5 结论

（1）泡沫球具有好的通过性，当其在管道中遇卡堵时，可根据管道中卡堵的程度以及压差的增大来调节自身的通过能力；

（2）泡沫球具有可靠破裂性，当压差增大至破裂压力时，泡沫球自身破裂、破粹以通过卡堵。

（3）清管球旁通孔的优化设计，增加了流体通过率，能有效降低清管球卡堵对上游单元生产带来的安全生产风险，确保通球作业安全顺利进行。

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Bursting Pressure Test and Field Application of Spherical Pig in Long Submarine Oil Pipeline

WANG Wei, LU Yu, LUO Feng, ZHANG Zongchao, GUO Qing
（Tianjin Branch of CNOOC Ltd., Tianjin 300452, China）

The paper focuses on the study of the traff i cability, disruptiveness and bursting pressure characteristics of the spherical pig in the long submarine oil pipe when it runs. Taking the oil pipeline of some oilf i eld in Bohai Sea as an example, the passing rate of fl uids is increased by optimizing the design of spherical pig by-pass orif i ce, and the safety risk to the upstream production unit caused by the blocking of spherical pig can be effectively reduced. The simulation experiment of the bursting pressure demonstrates that the foam pig has a certain pressure-bearing capacity, good traff i cability and reliable disruptiveness. The trial application also shows that the foam pig can self-adjust the passing capacity according to the blockage degree and pressure difference in the pipeline when the foam pig is blocked in the pipeline; when the pressure difference is increased to the rupture pressure, the foam pig is broken.

Seabed; oil pipeline; spherical pig; bursting pressure; simulation experiment

TE823.3+6

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2017.03.075

1008-2336（2017）03-0075-04

2016-09-29；改回日期：2017-04-05

王威，男，1983年生，工程师，博士，主要从事油气地质、油气田开发与开采、油气集输与处理技术等方面的研究。

E-mail：804367605@qq.com。