水下生产系统多级泄压分析

陈文峰， 鞠朋朋， 刘培林， 张 欢， 周晓艳， 邓 婷

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

水下生产系统广泛应用于深水油田以及边际油田开发[2]，南海某气田项目水深为1 500 m，采用水下生产系统和半潜平台(SEMI)开发方案，天然气在半潜平台干燥脱水处理后外输，凝析油脱水处理合格后储存在半潜平台定期外输。水下生产系统共有口生产井7个(W1～W7)，井位相对分散，采用三个水下管汇(E1～E3)和双海管开发方案，油气井和出油管道通过跨接管与水下管汇相连[3]，生产流体回接SEMI进行处理，具体开发示意图如图1所示。

当海管内生产流体生成水合物需要维修时，需要在平台对海管进行泄压操作，降低海管内操作压力，使其降低至水合物溶解压力以下，从而保证生产操作安全。

1 水下生产系统泄压流程

气田水合物是由甲烷、乙烷、丙烷、氮气、二氧化碳、硫化氢等天然气组分与水在高压和低温条件下产生的外表和机械强度都类似冰的物质，会减少管线的流动面积，甚至阻塞管道，还有可能随着高速流动的气体一起运动，损坏管线上的阀门、弯头等部件[4]。水合物生成以后，国内外项目基本采取降压、注甲醇、加热等补救措施。在降压过程中为防止水合物两侧压差过大使其在管线内高速运行造成危险，水合物两侧需同时泄压，针对该南海深水项目，可同时在双海管出口泄压阀进行压力释放。

图1 南海某气田水下生产系统开发示意图Fig.1 Schematic diagram of underwater production system development of a gas field in the South China Sea

平台海管出口阀门关闭，水下生产系统仍生产直至水下采油树达到关井压力，此时海管出口对应的压力为286 bar(1 bar=105pa)，此压力为初始泄放压力。海管内高压生产流体通过平台海管出口的泄压阀进行压力释放，泄放的气体进入火炬系统进行处理，泄放的低温流体进入火炬分液罐储存后利用增压泵打回生产流程处理，其中火炬系统设计处理能力为1 176×104Sm3/d，火炬分液罐及泄放管线最低设计温度为-99℃，增压泵设计温度为常温，火炬分液罐缓冲容积为10 m3，泄放过程中各参数应满足上述设计参数要求。具体海管泄压流程如图2所示。

图2 南海某气田水下生产系统海管泄放流程Fig.2 An undertvater production system in a gas field in the South China Sea

2 海管泄压分析

海管在泄压过程中，低温流体会被气体携带出海管进入火炬分液罐储存，由于增压泵及生产处理流程为常温设计，泄放的低温流体无法直接被泵打入生产流程进行处理，需要在火炬分液罐内利用电加热器进行升温，待流体温度满足要求后再打入生产流程进行处理。针对此工况要求，若采用常规直接泄放的做法，火炬分液罐储存容积至少需要47.2 m3，远大于目前10 m3的缓冲容积，因而在常规项目直接泄放模拟的基础上创新地提出了分级泄压的理念，以火炬分液罐缓冲容积为限制条件，分级泄压降低海管压力，为操作者提供足够的低温流体处理时间，即溶解已生成的水合物，由此可避免增压泵常温设计带来的操作难题。下面以1 in(1 in= 25.4 mm)泄压阀为例，说明泄压过程的各参数变化。

泄压过程中低温流体的体积变化如图3所示，当泄放的低温流体累计泄放体积(ACCLIQ)达到10 m3时停止泄压，每级泄压之间给操作者预留24 h处理时间再进行下一次泄压，可以看出经两级泄压后低温流体累计泄放体积基本不再变化，可一直泄压至需要的压力。泄压过程中阀门开度(VALVOP)如图3中红色曲线的变化。

泄压过程中海管内压力变化如图4所示，可以看出，第一级泄压时海管内压力由286 bar降至208 bar，二级泄压压力降至138.4 bar，第三级泄压海管压力一直降至火炬系统背压3 bar，大约需要75 h。

图3 泄压过程中低温流体体积变化曲线Fig.3 The volume change curve of low-temperature fluid in the process of pressure relief

图4 泄压过程中海管内压力变化曲线Fig.4 Pressure variation curve in the mid-ocean tube during pressure relief process

泄压过程中释放的气体体积(QGST)如图5所示，可以看出，第一级泄压最大气体释放体积为283×104Sm3/d，第二级泄压最大气体释放体积为228×104Sm3/d，第三级泄压最大气体释放体积为154×104Sm3/d，均在火炬处理能力范围内(1 176×104Sm3/d)，满足设计要求。

泄压过程中泄压阀下游低温(TVALVEOUT)如图6所示，可以看出，第一级泄压时下游最低温度为-98.4℃，第二级泄压时下游最低温度为-83.4℃，第三级泄压时下游最低温度为-35.5℃，均在火炬系统最低设计温度(-99℃)的范围内，满足设计要求。

3 结 语

常规项目在进行泄压分析时，一般模拟海管内高压生产流体利用泄压阀直接释放，以泄放气体流量不超过火炬处理能力、低温液体流量不超过火炬分液罐增压泵排量和泄放阀后低温不超过泄放系统最低设计温度为条件，确定合适的泄放阀尺寸和泄放时间，但此方法没有考虑火炬分液罐增压泵为常温设计，无法及时输送低温流体，且火炬分液罐内加热器功率不满足负荷要求的工况；在南海某项目设计的过程中，创新性地提出了分级泄压概念，以火炬分液罐缓冲容积为限制条件，给操作者提供足够的低温流体处理时间，很好地解决了泄放低温流体输送和增压泵等设备最低设计温度之间的矛盾，为后续类似项目开发提供了借鉴。

图5 泄压过程中释放气体体积变化曲线Fig.5 Curve of gas volume change in the process of pressure relief

图6 泄压过程中泄压阀下游低温变化曲线Fig.6 The low temperature change curve of the downstream of