过盈清管球国产化新技术在清管作业中的应用

(中海石油(中国)有限公司 崖城作业公司， 广东 深圳 518067)

目前，有关海底管道清管作业过程中[1]，管内外输流量较大情况下非过盈使用的清管球的研究理论和成果较多。而有关气田开发后期，外输流量锐减情况下清管球尤其是过盈使用清管球的研究甚少。随着气田产能下降，海底管道外输气量锐减，在低外输气量工况下，清管球非过盈使用会产生旁通现象，清管球在海底管道中的运动无法形成有效的向前运行推动力。因此有必要对清管球外径相对于油气混输管道内径过盈使用的清管球作业进行研究[2]。

由清管球在海底管道的受力分析可知[3]，清管球运动的关键影响因素为清管球上、下游的压差。当管内外输气量超低时，清管球的上、下游压差受清管球本身、管壁密封性和摩擦阻力的影响很大，因此需要从这3个方面寻求解决办法[3]。以南海某气田正在使用的美国进口Maloney[4]清管球为研究对象，按照厂家说明，采用过盈配合使用的方法实现密封性。但新Maloney清管球在加注三甘醇后达到相对管道内径2%过盈量并在超低流量下使用时，有不少清管球发生破裂，造成清管作业中清管球延时到达甚至收不到球。随着时间延长，引起凝析油过多积累在管道里[5]，段塞流体积过大，有可能引发接收终端停产，下游供气中断，更有甚者会造成终端段塞流捕集器液泛或溢流[6-7]。

1 Maloney清管球注入三甘醇过盈2%使用分析

未注入三甘醇时新Maloney清管球的外径为325 mm，注入三甘醇后清管球满载时的外径为335 mm，而海底管道内径为337 mm，清管球满载时相对管道内径非过盈量为-0.6%，清管球外径明显小于管道内径，无法形成有效密封，从而造成清管旁通[8]。在出现清管旁通的情况下，低外输量运行时清管球很容易滞留在海底管道内[7]。为此，按照Maloney厂家使用说明，将清管球充三甘醇至外径344 mm，达到相对管道内径2%过盈量使用。2016-12-25清管作业结束取出清管球时，发现有些清管球合缝线处破裂，有些清管球非合缝线处有较深划痕。对其中从合缝线处破裂的清管球进行解剖，发现裂缝很深且已和内部三甘醇腔室贯通，见图1。

图1 合缝线处破裂的2%过盈量Maloney清管球内部状况

从清管作业角度看，破裂球不利于清管作业，有可能导致清管球滞留在海底管道中，增加清管作业风险。同时清管球无法重复利用，增加了成本。初步分析是注入三甘醇后达到2%的过度膨胀或者清管球本身的制作质量缺陷造成清管球破裂，需进行优化改进。

2 未注三甘醇2%过盈量国产清管球改进试验

2.1 测试试验

Maloney清管球未注入三甘醇时外径325 mm，注入三甘醇后外径达到344 mm。分析认为Maloney清管球的过盈使用是为了保持密封配合性能[9-11]，但却引起了材料过度膨胀，疲劳受损，超出了清管球自身材料所允许的承受范围。为了排除相对管道内径2%过盈量引起的过度膨胀，特别引入了国内某厂家制作国产清管球过程中在未注醇，即空载时球体外径过盈量2%、管径为344 mm的做法。国产清管球注入三甘醇前后外径均为344 mm，使用时注满三甘醇排出球体内空气，球体内保持微正压进行测试试验[12]。

在2016-12-14试验中，由于国产清管球注入三甘醇的注入点阀芯(单向阀)密封不严，导致天然气进入清管球内三甘醇液相腔室，取出清管球时清管球膨胀较多，尺寸较大，表面凹凸不平，有较深划痕(图2)，但均未破裂。清管球泄压时放出天然气气体、凝析油以及三甘醇。

图2 国产清管球表面有较多划痕和变形

2016-12-17多次对清管球外径进行测量，得出国产清管球泄压前外径为360 mm，泄压后外径为339 mm，相差21 mm，膨胀率过大。而Maloney清管球泄压前后外径最大相差4.62 mm，最小相差0.8 mm。与Maloney清管球相比，尽管国产清管球膨胀率很大，但没有胀破，可认为国产清管球在膨胀后抵抗破裂能力更强。此外，通球时能够在预定时间收到国产清管球。

对国产清管球存在的膨胀进气问题，经分析和现场查询，认为是球体上的注醇阀芯密封损坏造成的。因此，在国产清管球使用前需更换上Maloney厂家的注三甘醇阀芯。

2.2 通球试验

2.2.1低硬度清管球

清管球的主要材料为聚氨酯，其硬度相对海底钢制管道很小。如果清管球的硬度较高，在管道内运行时就容易与管道内壁磨损[13]，摩擦生热而产生凹凸不平的变形及划痕损伤。如果将清管球硬度减小[12]，其运动时就更容易产生弹性变形，可以减少因球面和管道内壁摩擦引起磨损而产生的划痕及凹凸变形。经过和清管球国内生产厂家沟通，改变了清管球材料组分配比，将清管球硬度从原来的邵氏硬度85 HA调整到71 HA。2017-03-06通球试验后在终端取出4只低硬度国产清管球，3只状态相对较好，1只有较浅划痕，可以重复利用。

2.2.2整体压制无缝清管球

Maloney清管球从合缝线处开裂的现象说明清管球的合缝线是运行过程中的薄弱环节，因此在国内生产厂家的配合下，将国产清管球制作工艺改为整体压制[14]，彻底杜绝了合缝线处粘接不牢引发破裂的问题。2017-08-19通球试验后在终端取出6只整体压制无缝国产清管球，全部状况较好，可以二次回收利用。

3 国产2%过盈量清管球应用效果

以南海某气田为例，对Maloney清管球和国产清管球进行了多次清管试验。Maloney清管球在清管作业结束收到后频繁出现破裂，已不能保障低流量下清管作业的顺利进行。国产清管球测试成功后，自2017-09-22～2017-12-31在该气田共计清管16轮次，取出的16只清管球全部状况良好，无一破裂，可以二次重复利用。国产清管球在该气田清管作业中一直沿用至今，实现了清管球国产化，现场使用效果良好。

Maloney清管球已经不能完全满足生产需要。如果继续使用，则需要提高海底管道输气量以满足通球条件。考虑最苛刻的情况，每次终端收球时需放空约113 267.2 m3/d天然气，每年排放天然气损失约1 000万元。

采用国产新型清管球可打破国外技术垄断，且国产清管球价格相对较低，每只成本仅为进口清管球成本的39%，可以实现二次利用，其采办周期短，具有较高的推广应用价值和显著的经济效益。

4 结语

清管球与海底管道的公差和配合标准与实际应用不尽相同，以及聚氨酯材料加工制造工艺的发展变化[15]，给清管球密封配合以及运行带来挑战。通过研究进口Maloney清管球在南海某气田的运行参数以及出现的实际问题，将原本非过盈配合使用的Maloney清管球改为适应气田开发后期海底管道低流量下运行的未注醇时2%过盈量的国产化清管球[16]，同时改变清管球材料配比，降低清管球硬度，对清管球实行整体压制，保证密封性的同时降低了摩擦阻力，从而实现清管球正常向前运动，保障了清管作业的有效运行。对于清管球阀芯需要改进等问题，需要行业同仁和国内制造厂家携手合作，推动设备设施的国产化进程。