海底管线清管球运动影响因素

(中国海洋石油(中国)有限公司 崖城作业公司， 广东 深圳 518067)

经验交流

海底管线清管球运动影响因素

崔攀

(中国海洋石油(中国)有限公司 崖城作业公司， 广东 深圳 518067)

从清管球在海底管线上升段的受力分析出发，得出影响清管球在海底管线中向前运动的因素主要是海管内清管球下游积液、污物的量，管内壁对清管球的摩擦力，清管球前后压差以及清管球材料、质量和类型等。结合崖城13-1气田海南海底管线的实际清管作业工况，在低外输气量工况下，采用注入外直径相对管道内直径过盈量2%的美国进口Maloney清管球、减小清管球下游积液量以及改变清管球类型和质量等方法，促进清管球向前运动，达到了高效清管和安全推送凝析油的目的。

海底管线； 清管球； 低外输气量； 影响因素

崖城13-1海上气田生产天然气和凝析油，拥有从气田通往香港和海南的2条海底输送管线。香港管线输送符合要求的干气，海南管线混输天然气和凝析油。至2016年，崖城13-1气田已经稳产超过20 a，步入产能递减期。目前气田的主力用户为香港终端，海南终端主要接收海上气田生产的凝析油，同时接收少量的湿天然气经过终端净化输给海南用户。由于海南管线外输气量锐减，低流量生产工况时，下游用户用气量由130万m3/d锐减至14～28万m3/d，靠将凝析油掺入天然气携液混输到海南终端已不能实现[1]。为此，在海南终端采取了发送清管球的方式，依靠清管球实现推送凝析油和海底管线清管目的[2，3]。然而，在低外输天然气量条件下，清管球收球作业比预期模拟的情况明显滞后，甚至收不到清管球[4，5]。有时会出现发送第2只清管球时，第1只清管球还没有收到的情况，管线内油气受到多只清管球的阻滞作用。清管球推送过来的凝析油也会随着清管球的到来在短时间内连续推送[6]，造成凝析油大量涌入段塞流捕集器中，处理不及时会导致捕集器溢流和供气中断。因此，判断清管球运动状态显得尤为重要，有必要对清管球在海底管线中的运动影响因素进行研究，尤其需要研究低外输气量条件下清管球在管线内保持向前运行的影响因素。

1 清管球在海底管线上升段内受力

根据崖城13-1海上气田至海南陆地终端的水力坡降图可知，海底管线始发端从平台下入海底大约100 m到海床，然后顺着海床逐步上升，到岸上的陆地终端经过距离约90.9 km，管线沿着海床铺设过程中其高程逐渐升高。清管球在倾斜海底管线上升段内受力情况见图1。

图1 清管球在倾斜海底管线上升段受力情况

由图1进行受力分析得出清管球所受外力的计算公式：

(1)

式中，F为清管球所受外力，N；Δp为清管球前后压差，Pa；D为管道内径，m；m为清管球质量，m1为污物积液质量，kg；f为管道中清管球与管内壁的摩擦阻力，N；g为物体重力常数9.8 N/kg；θ为海底管线的坡度，(°)。

当F>0时，清管球能保持正常运动状态；当F=0时，清管球将保持静止状态或者匀速向前运动[7]。当F<0时，清管球反向运动。可见海底管线内清管球下游积液、污物的量，管内壁对清管球的摩擦力，清管球前后压差以及清管球质量和类型等都会影响清管球向前运行状态。

2 海底管线清管球运动影响因素

2.1清管球上下游压差

2.1.1下游外输气体积流量

清管球在海底管线运行过程中，上下游压差是清管球保持运行的主要影响因素。调取以往的清管球作业测试记录，得到了清管球在海底管线内的运行时间和下游外输气体积流量，见表1。

从表1可以看出，在平台供气量不发生较大变化的情况下，忽略其它因素的影响[8]，以清管球下游的用户取气量即外输气体积流量为研究对象，外输气体积流量越大，则清管球上下游压差越大，清管球运动速度越快，清管球在管线中运行时间越短。反之，外输气体积流量越小，压差越小，清管球运动速度越慢，清管球在海底管线中运行时间越长。由此可知，外输气体积流量大小影响清管球上下游压差大小，进而影响清管球运动状态和运行时间长短[9]。

表1 清管球在海底管线内运行时间及下游外输气体积流量

2.1.2清管球和管内壁密封性

清管球和管内壁的密封性影响清管球的上下游压差，从而影响清管球运动状态和运行时间长短。密封不严，会导致清管球上下游压差减小，在外输气量较小的情况下发生旁通现象[9]。即清管球上游的气体窜入下游，使上下游压差减小，推动力减小，清管球运行减缓或者停滞不前。

2014-12-26T14：03崖城13-1气田海上平台在低外输量下发送了1只非过盈清管球，2015-01-13海南管线恢复正常外输量1 316 887 m3/d后，清管球仍然没有到达海南陆上终端，发出清管球后海南管线外输气体积流量见图2。按照低外输气量通球作业工况模拟，当外输量约为143 765 m3/d时，应该在清管球运行110.9 h后收到清管球。

图2 发出清管球后海南管线外输气体积流量

在清管作业期间，下游供气量没有受到影响，初步判断是发生了旁通现象，导致收球时间明显滞后[10]。进一步分析认为，在海底管线压力状态下，该清管球外径小于管道内径，无法形成有效密封，所以滞留在管线内。

2015-01-19T20：15再次试验性发送了1只清管球外径与管内径相等的清管球，01-20T09：28收到2只，对比2只清管球，后面1只清管球直径略大于前面1只。因此，推测在低外输气量下，所需清管球直径最好等于或大于管道直径，更有利于清管球和管内壁的密封，有利于清管球向前运行。

经过数次发送清管球外径大于管道内径过盈量2%和3%的满载清管球试验，得出清管球外径大于管道内径过盈量2%较为合适，清管过程中只偶尔出现清管球破裂现象，过盈量为3%时清管球破裂较多。查阅相关资料，相对于海底管线内径，清管球外径大于管道内径过盈量为1.0%～3.0%符合《海上采油工程手册》中2%～5%的要求[4]，可见选择清管球外径大于管道内径过盈量2%的清管球可以实现清管球和管内壁有效密封并符合标准，满足现有作业工况。

2.2发球时海底管线中凝析油存量

调取的某段时间海底管线内积液量和清管球运行时间对比记录见表2。在海上平台供气量变化不大、海南终端外输气体积流量较低的情况下，每次发球时海底管线内凝析油存量不同，收球时间也会有差异[11]。

表2 海底管线内积液量和清管球运行时间对比

测试证明，同等条件下，发球时海底管线内存液量越少，清管球向下游运动的阻力越小，运动速度越快。一般情况下，发球时海底管线内凝析油的存量是以段塞流捕集器的容量为标准，低外输量下推力减小，收球时间明显推后，甚至收不到清管球[12]。如果选择海底管线内存液量由556 m3减小到477 m3甚至更低时发球，可减少清管球运行阻力，有助于低外输气量下清管球在海底管线内加速向前运行。

2.3清管球材料、类型和质量

从海上平台至海南终端海底管线的里程和高程图来看[13]，管线上升段在海床上的坡度已经固定，管线倾角无法改变[14]，通过改变管线坡度影响清管球运动既不经济也不现实。

清管球在海底管线内的滑动摩擦由清管球和海底管线本身的材料性质决定，材料不同，滑动摩擦阻力亦不同。管内壁和清管球表面越光滑，滑动摩擦阻力越小，清管球越容易向下游运动。管内壁的光滑度还有赖于周期性的通球作业，从而清出管线内污物和沉积物，减少管内壁积液产生腐蚀，进而保持海管内壁洁净光滑，减小摩擦阻力[15，16]。

清管球类型和质量对清管球运动亦有影响[17]。清管球球型包括球状、直板型和皮碗型等。皮碗型、直板型清管球与管内壁的接触面积比球状清管球的大，克服摩擦力和所需驱动力也大，对清管球运行有减慢的影响。另外，清管球质量越大，运动过程中克服重力沿海管轴向流动阻力就越大，也对清管球运行有阻滞作用。可以设法改变清管球类型和质量，从而促进清管球在低流量下向前运动。

3 结语

海底天然气长输管线清管作业风险较大，投资也较大，完善清管作业各项技术和标准，确定经济清管方案非常必要。海底管线清管球运行状态受到清管球上下游压差的影响，而上下游压差与下游用户外输气量大小以及清管球与管线内壁的密封程度有关。实践证明，针对本段海底管线，在低外输量的工况下，采用清管球外径过盈量2%清管球可以实现有效密封，正常清管。

在低外输量工况下，清管球下游积液量是清管球运行状态的重要影响因素，积液量阻滞清管球向下游运行，减小积液量有助于通球。海底管线清管球运行状态还受到清管球类型和质量的影响，可以设法改变清管球类型和质量，促进清管球在低外输量下向前运动，从而达到高效清管和安全推送凝析油的目的。

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(张编)

InfluencingFactorsofPigMovingForwardandRunningRulesofPiggingOperationProcessinSub-seaPipeline

CUIPan

(Yacheng Operation Company， CNOOC (China) Limited， Shenzhen 518067， China)

Based on the analysis of the force from the pig in the sub-sea pipeline in the climbing section，the influencing factors of the running forward pig at the pigging time were rolled out. The critical influencing factors contained the volumes of accumulated liquid and sediment from pig’s downstream，the friction from pipeline internal surface to pig body，the differential pressure between the upstream and downstream of the pig surface，the weight and the type of the pig etc. Through the practice and the experiment of the Y13-1 gas field pipeline pigging operation， in the low sales gas flow rate condition，we increased the 2% larger of the U.S.A. Maloney pig outside diameter than pipeline internal diameter when pig was injected to the triethylene glycol， decreased the volumes of accumulated liquid from pig’s downstream，changed the weight and the type of the pig so as to pushing the pig forward，cleaning the pipeline and transferring the condensate in the sub-sea multiphase pipeline.

sub-sea pipeline； pig； low sales gas flow rate； effect factor

TQ055.8； TE973

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.03.012

1000-7466(2017)03-0057-04①

2016-11-30

崔 攀(1981-)，男，陕西西安人，工程师，学士，从事油气开采研究和油气田生产管理工作。