长距离海底管道清管技术研究

2021-03-02汪智峰曹聚杭林守强刘春水

石油工程建设 2021年1期

汪智峰，曹聚杭，闵兵，林守强，唐豫，刘春水，张婕

深圳海油工程水下技术有限公司，广东深圳 518000

在海洋石油工程中，海底管道（以下简称海管）将海上油气田、储油设施或陆上处理终端连接成一个有机的整体，使海上生产设施的各个环节通过管道形成相互关联、相互协调作业的生产操作系统[1]。随着海上油气田不断开发，新建海管投产前的预调试（包括清管测径、试压和排水干燥惰化等）进展顺利与否将直接影响油气田的投产[2]。

1 东方13-2气田海底管道概况

长距离海管清管技术一直被国外公司垄断，其中南海荔湾3-1项目直径30 in（1 in=25.4 mm）、长261 km海管清管作业与崖城13-2平台至香港的直径28 in、长778 km海管清管作业全部由外国公司实施。在东方13-2气田群开发项目中，海洋石油工程股份有限公司成功地完成了直径24 in、长195 km海管清管作业，这是我国首次自主实施的平台间长距离海管清管作业。该项目涉及东方13-2 CEPB平台与崖城13-1 AWA平台之间一条直径为24 in、长195 km的主干气海底管道，水下三通至乐东22-1平台直径18 in、长1.5 km的支气管道，如图1所示。

图1 东方13-2项目海底管道

长距离海管清管过程中存在诸多难点。海管长度增加导致内部杂质累积量增大，清管器运行阻力增加，进而增大清管器卡堵的风险，如何降低杂质累积导致的卡堵风险是长距离海管清管的难点之一；清管器密封板与海管内壁间存在摩擦损耗，长距离的摩擦损耗影响清管效果甚至出现密封失效导致卡堵，如何评判清管器密封板的耐磨性能是长距离清管的又一难点；清管过程中存在多种阻力影响清管器的运行，如何降低这些阻力以及设置准确的输入动力也是长距离清管的难点；清管过程中，准确判断清管器的具体位置以及清管器进入收球筒的时间至关重要，而采用什么方法判断也是长距离清管的难点。本文结合东方13-2项目清管技术，针对上述难点进行重点分析，为长距离海管清管提供技术指导。

2 清管器受力分析

清管器在倾斜海底管道上升段内的受力情况见图2。清管器的受力主要分为两类：动力部分与阻力部分。其中动力部分包括清管器前后压差力，阻力部分包括清管器重力的轴向分量、清管器前端杂质重量的轴向分量、清管器与管内壁的摩擦阻力。

图2 清管器在海管上倾段受力分析

清管器所受外力的计算公式[3]：

式中：F为清管器所受外力，N；ΔP为清管器前后压差，Pa；D为管道内径，m；m为清管器质量，kg；m1为清管器前部杂质质量，kg；f为清管器与管内壁的摩擦阻力，N；g为重力加速度，取9.8 N/kg；θ为海底管道坡度，°。

3 清管器卡堵原因

清管过程中最致命的问题是清管器在运行过程中出现卡堵[4]。根据式（1）可知，清管器卡堵直接原因是其受到的阻力大于最大推动力[5]。清管器在运行的过程中可能会因为下列情况而卡堵在管道内。

（1）管道自身问题。施工过程中由于外力破坏造成的管道变形；管道上的附属设施，如阀门、法兰、变径管等的内径与管道内径不一致甚至相差很大；管道弯头曲率半径未达到清管要求（弯头的曲率半径应≥1.5D）；管道焊接施工结束后管道内壁焊瘤未及时清除；管道施工后期，在管道整体焊接时不慎遗留在管道中的较大杂物。

（2）清管作业准备不够。清管器的运行速度控制不好，球速太慢造成球被卡在弯头、爬坡、三通等处；清管器尺寸选择不合适；管道中含有大量泥沙，随着清管器行走距离的不断增加，清管器前端的泥沙会导致清管器停滞不前；管道上截断阀门未达到全开的状态。

（3）清管器故障。清管器在管道内运行过程中由于安装不牢靠、受外力破坏致皮碗密封性能降低[6]或者干脆破裂，这样清管器不能维持其前行所需的最小前后压差导致清管器卡堵。

4 防卡堵措施

4.1 清管动力保障

当清管过程中动力大于阻力时，清管过程可以顺利进行，因此准确计算清管过程中的压力损失至关重要。清管过程中的压力损失主要包括清管器与管壁摩擦导致的压力损失、海管和注水软管内水与管壁摩擦导致的压力损失、收球端与发球端间的高程差。

4.1.1 清管器与管壁摩擦压力损失

清管器与管内壁摩擦而产生的压力损失ΔPmin与清管器的类型、管道尺寸有关[7]，在工程实践中一般通过经验公式计算：

式中：ΔPmin为驱动清管器的最小前后压差，Pa；K为摩阻因子，可根据图3取值。

图3 不同类型清管器对应的摩阻因子

4.1.2 清管过程压力损失分析

根据工程实践可知，对清管器而言，清管阻力主要为清管器与管道的摩擦阻力。然而对于整个清管过程而言，清管过程中不仅包括清管器与管道的摩擦阻力，还包括海管和注水软管内水与管壁摩擦导致的压力损失、发球端与收球端的高程差等，因此，加载到清管器上的动力需大于等于上述阻力的总和，即清管过程中存在最小清管动力。

当雷诺数＜2 000时：

当雷诺数≥2 000时：

式中：P为最小清管动力，bar（1 bar=105Pa）；n为清管器个数，个；L为管道长度，m；Re为雷诺数，无量纲；e为管道粗糙度，m；u为清管器速度，m/s；ρ为海水密度，kg/m3；ΔH为高程差，m；μ为海水黏度，m2/s。

东方13-2项目中195 km海管清管计算依据的参数见表1。

表1 东方13-2项目中195 km海管清管计算依据参数

由于计算得出的雷诺数大于2 000，所以将表1中的参数代入式（4），计算得到最小清管动力P=7.241 6 bar，其中海管的压力损失为0.67 bar，注水软管的压力损失为3.27 bar。根据最小清管动力选择清管泵出口压力为25 bar，流量为500 m3/h，满足当清管器速度为0.5m/s时对应的流量为457m3/h的要求。

4.2 降低清管阻力

4.2.1 优化注水软管尺寸

由式（4）可知，清管过程中注水软管的压力损失与注水软管直径选取密切相关，因此优化注水软管的尺寸对清管过程至关重要。通过式（4）计算相同长度（50m）不同管径的软管在相同管流流速时的压力损失，其输入参数见表2，计算结果见图4。

表2 50 m长度不同管径软管参数

图4 相同长度不同管径软管在相同管流流速时的压力损失

从图4可以看出，当管流流速相同时，4 in软管的压力损失远高于6 in与7 in软管。软管的压力损失越高就需要更高输出压力的清管泵，高压力对软管和设备的要求也更高，施工的危险程度和难度也将增加。另外，6in与7in软管的压力损失相差不大，随着软管直径的增加，软管的重量相应增加，这加大了安装与施工难度。综合考虑压力损失与软管重量的影响，优选6 in的软管进行清管施工。

4.2.2 分段清管

整条海管长度较长（195 km），且距离崖城13-1平台47 km处存在直径18 in、长1.5 km的支管，清管器由崖城13-1平台经过47 km海管后，前部的杂质累积较多，一方面增加了卡球的风险，另一方面杂质可能在三通处进入支线管路，对三通撬阀门造成损坏。因此，此次采用分段清管作业方式，如图5所示，即：①崖城13-1平台至三通处47 km单独清管；②18 in、1.5 km的支管单独清管；③崖城13-1平台至东方13-2平台148 km单独清管。这种分段清管方法既可以避免累积杂质过多造成清管器卡堵，又可以防止杂质进入支管，提高了整条管道的洁净度。

图5 分段清管示意

4.3 测试清管器性能

清管器的密封板与钢管内壁直接接触，随着清管器运行距离的增加，密封板将出现不同程度的磨损，而密封性能的降低或者破裂，将使得清管器不能维持其前行所需的最小前后压差，不仅无法达到要求的清洁效果，严重时导致清管器卡堵。

长距离海管清管作业对清管器密封板的耐磨性能提出了更高的要求，因此测试密封板的密封性能尤为重要。图6为东方13-2项目中使用的清管器与测试密封板耐磨性能的阿克隆磨耗试验机。

图6 东方13-2项目中使用的清管器与阿克隆磨耗试验机

4.4 清管器跟踪定位

清管器的跟踪定位[8]也是清管防卡堵的保障措施之一。确定某一时刻清管器的位置对收球时间的预判有指导作用，而且一旦清管器出现卡堵，ROV寻找清管器卡堵位置时将更有目的性。清管器的定位思路一般为：首先，推算清管器位置的大致范围（0～2 km）；随后，通过MSV下放ROV携带探测工具对该范围内的海管进行巡线，最终确定清管器的准确位置，并确定清管器卡堵的原因。

4.4.1 注水体积法定位

根据表1中的管道参数与流量计显示的注水体积反算清管器的位置：

式中：Lp为时间t清管器所在位置，m；t为清管器发出后经历的时间，h；Q为清管泵实际输出流量，m3/h。

清管器密封板与海管内壁之间并不是完全密封，因此存在少量水的泄漏，所以注水体积推算得到的清管器位置与实际位置有一定的差距。

4.4.2 跟踪定位器定位

东方13-2项目中首、尾清管器配备Online跟踪器。根据注水体积计算得到大致位置，MSV携带探测器可以快速找到清管器位置[9]。

5 收球压力分析

清管过程中收球是一个极其关键的环节，通过发球端的压力变化准确判断所有清管器到达收球筒的时间非常重要。东方13-2项目中采用KELLER数字压力记录表采集清管过程中发球端的压力变化，压力随时间的变化曲线如图7所示。

从图7可以发现，当清管器到达末端前，记录的压力为6.9～7.3 bar，这与本文4.1.2计算得到的最小输入清管动力（7.241 6 bar）一致，验证了计算的正确性。之所以会出现压力波动，是清管器运行过程中管道高程起伏导致的，根据式（1）可知，当清管器在管道上升段运行时，清管器的重力轴向分量为阻力，因此发球端的压力略微升高；当清管器在管道下降段运行时，清管器的重力轴向分量为动力，因此发球端的压力略微降低。