寧永庚 周海軍 李 巖

1中海石油（中國）有限公司天津分公司

2中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司

海底管道段塞流對zj25-1南油田群的影響與控制措施

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在海洋油氣開采系統(tǒng)中，混輸海管內(nèi)多相流動常處于段塞流工況，這將對海洋平臺產(chǎn)生極大的危害。zj25-1南CEP平臺共有9條海底管線，段塞流對zj25-1南CEP處理系統(tǒng)造成的危害主要體現(xiàn)在多相分離系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)方面。根據(jù)zj25-1南油田群的實際情況，從上游和下游兩個方面采取措施應(yīng)對海管中出現(xiàn)的段塞流：上游控制混輸海管合理的氣液比和起輸溫度，提升海管輸送效率，從而削弱和消除段塞流的形成；下游合理調(diào)整一級分離器入口和jx高壓分離器入口處PV閥的參數(shù)設(shè)置，采用節(jié)流法可以有效減弱及消除段塞流對流程的沖擊。

混輸海管；段塞流；原油處理流程；氣液比；壓降

在海洋油氣開采系統(tǒng)中，由于存在大量的輸量變化、開井關(guān)井等操作，混輸海管內(nèi)多相流動常處于段塞流工況。出現(xiàn)段塞流時，氣體和液體交替流動，充滿整個管道流通面積的液塞被氣團分割，在管道出口處交替出現(xiàn)斷流、大液塞以及強烈的氣體脈動，使油氣混輸管道和下游設(shè)備承受間歇性應(yīng)力沖擊，對海洋平臺會產(chǎn)生極大的危害。隨著海上油氣開采逐步向深海領(lǐng)域發(fā)展，多相混輸管道長度及立管高度會不斷增加，段塞流的消除成為亟待解決的問題。

1 概況

zj25-1南油田群位于渤海遼東灣海域，包括zj25-1南油氣田、zj25-1油田和jx1-1油田，共計3座中心處理平臺（CEP）、4座井口平臺（WHP）。其中，zj25-1南CEP平臺共有9條海底管線，是整個油田群的油氣集輸中心，3個油田的原油在zj25-1南CEP平臺混合后輸送至陸地處理廠。原油處理系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 zj25-1南CEP平臺原油處理系統(tǒng)流程

2 段塞流產(chǎn)生的原因及其影響

2.1 zj25-1南油田群段塞流產(chǎn)生的原因

多相混輸管道中的滯液是產(chǎn)生段塞流的基本條件[1]，它的形成主要有以下幾種原因：

（1）普通水力輸送產(chǎn)生段塞流?；燧敼艿纼?nèi)流體流動為層流時，流體在氣液交界處形成波浪，在受到流速不均或者其他外界因素干擾時，逐步發(fā)展至堵塞整個管斷面，層流狀態(tài)遭到破壞形成段塞流。

（2）沿海底管道走向高度變化產(chǎn)生段塞流。海底管道上連接zj25-1南油氣田CEP收球筒處的立管可引起段塞流，段塞流量的大小與立管高度及立管底部水平管道的傾斜度有關(guān)[2]。

（3）操作過程易引起段塞流。生產(chǎn)流程中由于閥門的開關(guān)等瞬間操作導(dǎo)致流量和壓力變化，以及通球可引起段塞流。

（4）管道壓力波動引起段塞流。隨著jx1-1油田與zj25-1南油氣田WHPB平臺開采年限的延長，外輸氣量逐年增加，混輸管線中的氣油比將超過管道的最小壓降氣液比，管道壓降增大[3]，壓力波動加劇，從而引起段塞流。

（5）管線內(nèi)流型的改變導(dǎo)致段塞流的產(chǎn)生。jx1-1油田至zj25-1南CEP的海底混輸管線的實際長度為29.7 km，zj25-1南油氣田WHPB平臺到zj25-1南CEP的海底管線的實際長度為6.6 km，過長的輸送距離使得流體很難保證始終以層流狀態(tài)流動，流型的變換會加劇段塞流的形成。

2.2 段塞流對zj25-1南油田群的影響

2.2.1 段塞流對多相分離系統(tǒng)的影響

zj25-1南油氣田WHPB平臺生產(chǎn)的油、氣、水在外輸海管中形成的段塞流——一段氣塞一段液塞，高速流進各級分離器，對各級分離器造成強烈沖擊，容易造成各級分離器“液位高高”和“壓力高高”，造成原油生產(chǎn)流程與天然氣流程的三級關(guān)斷。同時，段塞流也影響分離器的分離質(zhì)量。嚴重段塞流進入分離器后，由于液量過大，會造成液相在各級分離器內(nèi)的停留時間過短，三相分離不夠充分，達不到設(shè)計的分離效果。另外，由于段塞流來液量與氣量的非均衡性，使得各級分離器的實際操作壓力時高時低，限制了分離器正常發(fā)揮作用。

jx混輸海管的段塞流對jx分離器沖擊比較大，容易造成其“液位高高”而發(fā)生關(guān)斷，處理不及時還可能造成jx分離器冒罐。jx1-1油田的原油通過29.7 km海底混輸管線到達zj25-1南CEP，隨后進入jx分離器。由于jx分離器容積比較?。?6 m3），緩沖能力有限，當嚴重段塞流到來時，將會在極短的時間內(nèi)造成油室“液位高高”，進而導(dǎo)致jx1-1油田三級關(guān)斷。同時，由于段塞流所攜帶的氣量不穩(wěn)定，當氣塞到達jx分離器時，將會造成其壓力升高，進而導(dǎo)致伴生氣壓縮機入口“壓力高高”而過載停機，影響整個氣系統(tǒng)的正常平穩(wěn)運行。

2.2.2 段塞流對天然氣系統(tǒng)的影響

zj25-1南油氣田WHPB平臺混輸海管內(nèi)的段塞流嚴重影響zj25-1南CEP一級分離器的進氣量。嚴重段塞流時，當氣塞到達一級分離器時，瞬間氣量就會特別大，持續(xù)時間將隨氣塞長度而定，容易造成中壓壓縮機入口“壓力高高”停機；同時，流程中的二級分離器和三級分離器也將出現(xiàn)壓力高的情況，導(dǎo)致伴生氣壓縮機入口壓力高，嚴重時將會導(dǎo)致伴生氣壓縮機入口“壓力高高”過載停機，進而導(dǎo)致中壓機停機。當液塞到達一級分離器時，瞬時氣量將會特別小，持續(xù)時間隨液塞長度而定，如果中壓壓縮機的回流閥調(diào)節(jié)不夠及時，將會造成中壓壓縮機入口“壓力低低”停機；同時，流程中的二級分離器和三級分離器也將出現(xiàn)壓力低的情況，導(dǎo)致伴生氣壓縮機入口壓力低，嚴重時將會導(dǎo)致伴生氣壓縮機入口“壓力低低”停機，進而導(dǎo)致中壓壓縮機停機。

當jx1-1油、氣、水三相混輸海管內(nèi)的段塞流到達jx分離器（V-2006）時，jx分離器的壓力劇烈波動，導(dǎo)致伴生氣壓縮機入口的壓力也劇烈波動。如果段塞流嚴重，當氣塞到達V-2006時，會瞬間造成V-2006高壓，導(dǎo)致伴生氣壓縮機入口“壓力高高”過載停機；當液塞達到V-2006時，會瞬間造成V-2006低壓，導(dǎo)致伴生氣壓縮機入口“壓力低低”停機。

如果zj25-1南CEP由于段塞流影響而產(chǎn)生三級關(guān)斷，將會導(dǎo)致整個zj25-1南油田群停產(chǎn)，同時影響下游zj20-2天然氣處理廠和綏中36-1CEPK平臺透平發(fā)電機組的用氣量。如果中壓壓縮機停機，將會影響zj25-1南CEP的4臺透平發(fā)電機和綏中36-1CEPK平臺的3臺透平發(fā)電機的燃料氣量，處理不及時將會造成zj25-1南油田群和綏中36-1油田群透平失電的二級關(guān)斷。

3 應(yīng)對段塞流的措施

目前，油田群應(yīng)對段塞流采取的措施基本上都是從干擾流動和增加附加設(shè)備兩方面出發(fā)。增加附加設(shè)備主要是設(shè)置段塞流捕集器和在立管底部插入小直徑管線兩種途徑。干擾流動主要有三種途徑：①減小立管中的液塞密度，從而降低液體的靜壓力，如注氣舉升法[4]；②增大立管上游管道中氣體的壓力，如節(jié)流法[5]；③改變進入立管底部流體的流型，消除出現(xiàn)段塞流的條件，如擾動法。目前國外常用的處理方法大都是基于這三種途徑。部分油田已將上述方法應(yīng)用到實際生產(chǎn)中，取得了很好的效果。

根據(jù)zj25-1南油田群的實際情況，從上游和下游兩個方面來應(yīng)對海管中出現(xiàn)的段塞流。

3.1 上游采取的措施

（1）根據(jù)混輸海管的最小壓降氣液比[6]，合理控制油井的氣油比，調(diào)整混輸海管的氣液比。當混輸海管的外輸氣液比遠遠超過海管的最小壓降氣液比時，海管壓降會隨之增大，這將極大地降低海管的輸送效率，導(dǎo)致海管壓力劇烈波動，出現(xiàn)嚴重段塞流。zj25-1南WHPB平臺的油井主要處于西高帶沙河街的大氣頂油藏，隨著開采年限的增加，油井產(chǎn)氣量逐年增大，產(chǎn)液量逐年衰減，導(dǎo)致外輸氣液比逐年增大。另外，jx1-1油田的混輸海管在輸送過程中摻氣，其氣液比的大小同樣影響到混輸海管壓降的強弱。因此，在調(diào)整整體開發(fā)方案時，應(yīng)考慮段塞流的影響，可以合理調(diào)整油井生產(chǎn)制度，控制好jx1-1的外輸氣液比。

（2）降低混輸海管的外輸含水量，減少海管內(nèi)紊流的出現(xiàn)。海管內(nèi)油、氣、水三相混輸比油、氣二相混輸?shù)牧餍透鼮閺?fù)雜多變，更容易形成紊流，進而形成段塞流。控制好混輸海管的外輸含水量，避免復(fù)雜流型的出現(xiàn)，減少段塞流的形成。

（3）控制好jx1-1混輸海管的起輸溫度，減小壓降，提升海管輸送效率。研究表明，對于輸送高黏原油的混輸管道來說，起輸溫度對壓降計算的影響是顯著的，而對于輸送高黏原油的長距離海底混輸管道，起輸溫度的影響將更為顯著；但是在海底混輸管道中，將起輸溫度定得過高不僅會增加平臺的熱能消耗，而且會給海底管道結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來困難。因此，在jx1-1高黏原油海底混輸管道中應(yīng)將起輸溫度控制在適當?shù)姆秶?/p>

（4）清管作業(yè)期間，減少或停止向混輸海管內(nèi)進氣，控制混輸海管的外輸氣液比。當jx1-1油田—zj25-1南CEP混輸海管需要進行清管作業(yè)時，jx1-1油田可減少外輸摻氣量；當zj25-1南油氣田WHPB—zj25-1南CEP混輸海管需要進行清管作業(yè)時，WHPB平臺可調(diào)整高產(chǎn)氣的油井生產(chǎn)制度，控制產(chǎn)氣量。

3.2 下游采取的措施

（1）合理調(diào)整一級分離器入口壓力調(diào)節(jié)閥的工作方式。由于zj25-1南油氣田WHPB平臺—zj25-1南油氣田CEP油、氣、水混輸海管內(nèi)段塞流比較嚴重，對分離系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)影響比較大。為了減緩段塞流的沖擊，根據(jù)油氣田目前的實際生產(chǎn)情況，對V-2001入口壓力調(diào)節(jié)閥的工作方式進行合理調(diào)整：由之前的自動調(diào)節(jié)改為手動調(diào)節(jié)，保持適當?shù)拈y開度，使其充當節(jié)流閥的角色[7]，控制管線內(nèi)的流量和壓力，利用節(jié)流法來減弱或消除段塞流。

（2）注入適當?shù)幕瘜W(xué)藥劑。對于油、氣、水三相混輸海管，管線內(nèi)容易產(chǎn)生泡狀流，消泡劑的添加則顯得尤為重要。

（3）在jx1-1混輸海管收球筒后添加壓力調(diào)節(jié)閥。添加壓力調(diào)節(jié)閥后，可以根據(jù)實際情況設(shè)置調(diào)節(jié)閥的參數(shù)，合理控制管線內(nèi)的流量與壓力，使調(diào)節(jié)閥發(fā)揮較好的節(jié)流作用，進而減弱或是消除段塞流。

（4）在jx1-1混輸海管收球筒后增加jx高壓分離器。高壓分離器充當段塞流捕集器的角色，可有效削弱段塞流對zj25-1南CEP平臺的影響。根據(jù)jx1-1混輸海管的不同油氣比和產(chǎn)量計算得出可能出現(xiàn)的最大段塞量為12 m3，而根據(jù)經(jīng)驗公式計算的最大段塞量為5倍立管體積約20 m3，增加油室容積為20 m3的高壓三相分離器可以滿足各種工況。

（5）采用干氣大回流，避免段塞流對天然氣系統(tǒng)的影響。zj25-1南CEP平臺進行了一系列流程優(yōu)化改造，具體方案如下：在合格的干氣外輸管線上連接管線至中壓機入口和低壓機入口，形成干氣回流流程，利用壓力調(diào)節(jié)閥控制回流氣壓力，穩(wěn)定中壓機與低壓機入口壓力，避免其受段塞流的影響，確保天然氣壓縮機的穩(wěn)定運行。

4 結(jié)論

（1）合理調(diào)整一級分離器入口和jx高壓分離器入口PV閥的參數(shù)設(shè)置，采用節(jié)流法可以有效減弱甚至消除段塞流對流程的沖擊。

（2）增加高壓分離器有效地削弱了jx1-1混輸海管中的段塞流對zj25-1南CEP平臺的影響。

（3）上游控制混輸海管合理的氣液比和起輸溫度，提升海管輸送效率，能夠減弱或消除段塞流的形成。

（4）在混輸海管的上游注入消泡劑，有助于消除段塞流。

（5）干氣大回流有效地消除了段塞流對天然氣系統(tǒng)的沖擊，保證了天然氣系統(tǒng)的平穩(wěn)運行。

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（欄目主持 紀嫦杰）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.10.003

寧永庚：高級工程師，碩士，1999年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院石油工程專業(yè)，主要從事油氣田生產(chǎn)管理工作。

2015-07-24

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