深水海底管道預(yù)調(diào)試技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀概述

曹學(xué)文，曹忠正，謝振強，王軍，鄭松賢

1.中國石油大學(xué)（華東）儲運與建筑工程學(xué)院，山東青島 266000

2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300450

在油氣管道投產(chǎn)之前，均需對管道內(nèi)部進(jìn)行預(yù)調(diào)試工作。通過海底管道預(yù)調(diào)試中的水壓試驗、排水、干燥、惰化等工藝，實現(xiàn)海底管道的清潔和干燥，減少管道腐蝕，同時可以減少天然氣管道水合物的形成，提高海底管道流動效率。

與淺水海底管道預(yù)調(diào)試不同，深水油氣開發(fā)中常采用半潛式平臺和水下生產(chǎn)系統(tǒng)相結(jié)合的開發(fā)模式[1]，如圖1 所示，井口、管匯、管道等都置于海床上，通過立管實現(xiàn)管匯與平臺的連接。同時，深水海底管道的外壓巨大，這不僅對管道選材和連接工藝產(chǎn)生影響，也對預(yù)調(diào)試工藝提出了相應(yīng)的要求[2]。

圖1 我國南海某深水氣田開發(fā)系統(tǒng)示意

1 預(yù)充水工藝

深水海底管道預(yù)調(diào)試過程中的預(yù)充水工藝可以利用深水高壓控制充水量的方法進(jìn)行，在壓力平衡之后再啟用泵[3]。

管道預(yù)充水工藝所使用的海水需要經(jīng)過過濾和添加化學(xué)藥劑兩步進(jìn)行預(yù)處理，化學(xué)藥劑包括緩蝕劑、除氧劑、殺菌劑、染色劑等[4]。在充水過程中，至少需要兩個清管器來隔絕氣、液兩相，以滿足DNV 規(guī)范中對水壓試驗含氣量不超過0.2%的要求。

預(yù)充水工藝的主要設(shè)備包括遠(yuǎn)程充水模塊（如圖2 所示）和化學(xué)藥劑加注模塊（如圖3 所示），先通過這兩個模塊對海水進(jìn)行預(yù)處理，然后用處理過的海水推動預(yù)置在管道入口的清管球（一般是由直板清管球和泡沫清管球組成的清管列車）沿管道前進(jìn)。通常當(dāng)充水體積達(dá)到管容的95%時，管內(nèi)壓力與海水靜壓達(dá)到平衡，預(yù)充水過程結(jié)束，之后通過泵增壓的方式使海水充滿管道。

圖2 遠(yuǎn)程充水模塊

圖3 化學(xué)藥劑加注模塊

2 充水、清洗、測徑工藝

泵增壓充水往往與清洗、測徑和內(nèi)檢工藝一同進(jìn)行[5]。通常利用清管列車完成這些工藝，清管器之間的介質(zhì)和動力通過下放軟管（downline）傳送。

針對不同管道，采用的清潔方法和要求不同，這取決于管道長度、是否有內(nèi)涂層、預(yù)計輸送規(guī)模等因素。規(guī)范要求測徑和內(nèi)檢測工藝必須進(jìn)行[6]。

充水、清洗、測徑工藝采用的清管列車如圖4所示。其中1 ～4 號清管器為帶有清潔刷的高密封板式清管器，5 ～6 號清管器為用于測徑的量規(guī)清管器。

圖4 充水、清洗、測徑工藝采用的清管列車

3 水壓試驗

深水海底管道的水壓試驗必須通過使用水下機(jī)器人（ROV）操作水下試壓管匯（見圖5）來實現(xiàn)[7]。在管道充滿水之后，一般需要一段時間使已充入的水與管道環(huán)境換熱，使得溫度趨于穩(wěn)定，然后開始對管內(nèi)的水進(jìn)行加壓。

圖5 水下試壓管匯

利用加壓初始階段的壓力-容量曲線可估算充入水的殘余空氣含量，規(guī)范要求水壓試驗的最大空氣含量為0.2%。繼續(xù)加壓至最大試驗壓力（一般定為設(shè)計壓力的1.25 倍）[8]。然后保持24 h，在此期間連續(xù)監(jiān)測并記錄壓力和溫度。在溫度穩(wěn)定的情況下，若管道壓力在24 h 內(nèi)維持穩(wěn)定，說明管道通過了水壓試驗。

4 排水工藝

在深水海底管道預(yù)調(diào)試工藝流程中，為了操作方便、提高效率，排水、干燥、惰化等工藝往往通過清管列車實現(xiàn)。排水、干燥、惰化等工藝采用的清管列車如圖6 所示。其中，1 號清管器為用于測徑的量規(guī)清管器，2 ～6 號清管器為用于清潔和隔離介質(zhì)的高密封板式清管器。淡水介質(zhì)用于管道除鹽，乙二醇用于干燥管道，氮氣用于惰化管道。

由于深水海底管道往往存在很大沿程高差，所以排水工藝所需推力較大。其推力由平臺或船舶上的壓縮機(jī)組提供，經(jīng)downline 送入管內(nèi)[9]。對于深水項目，一般采用大型船舶，雖然價格高，但可以明顯縮短工作時間，并且抗風(fēng)浪能力更強。

圖6 排水、干燥、惰化工藝采用的清管列車

5 干燥工藝

受深水項目工作條件的限制，注醇干燥是最適合深水海底管道的干燥技術(shù)[10-17]。其具體操作方法是：在除水過程中，將醇注入到水、氣分界處的清管列車中，在氣體推動下前進(jìn)，殘余水被醇吸收，從而對整個管道進(jìn)行干燥處理。

由于醇類對海洋生物都是有毒性的，因此，在深水項目中醇類排放有嚴(yán)格限制，必須回收或經(jīng)處理后排放。

甘醇用量的計算主要取決于對管道排水后殘留的水膜中殘余水量的估計。采用甘醇類吸濕劑，干燥后管道末端排出的甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)不得低于85%。其計算可采用濃度均勻分布和濃度線性分布兩種方法。

5.1 按濃度均勻分布計算清管后的三甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)[18]

假設(shè)VL體積的三甘醇和水的混合物同時進(jìn)入隔室并與VT體積的三甘醇充分混合，VL體積混合物同時進(jìn)入下一個隔室。假設(shè)水和三甘醇均勻分布在整個管道中（Cw，0=100%），每個隔室的最終平均水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：

式中：Cw，i為第i 間隔室的水質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值；CTw，i為第i 間隔室三甘醇原始水質(zhì)量分?jǐn)?shù)，假設(shè)取CTw，i=1%；VT為三甘醇原始體積（隔室體積）；VL為泄漏的液體體積；i 為隔室號，從清管球之前的試壓水到清管球之后的干空氣（空管道）依次編號為0，1，…，N（N 為清管球的個數(shù)）。

于是各隔室中最后的平均三甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：CT，i=100%-Cw，i。

這種計算方法偏保守，因為混合液的黏度較大，進(jìn)入下一隔室的液量會少于VL。

5.2 按濃度線性分布計算清管后的三甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)[19]

假設(shè)VL1體積的三甘醇和水的混合物逐漸進(jìn)入隔室，并且與VT體積的三甘醇均勻混合，然后又有VL2體積的混合物逐漸進(jìn)入下一個隔室。假設(shè)在整個管道中水和三甘醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都是線性分布的（Cw，F(xiàn)，0=100%），如圖7 所示。

圖7 三甘醇和水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)線性分布示意

則各隔室中最后的水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：

式中：CwF，i為第i 間隔室最終水質(zhì)量分?jǐn)?shù)；CwI，i為第i 間隔室三甘醇原始水質(zhì)量分?jǐn)?shù)，假設(shè)三甘醇取CwI，i=1%；VT為三甘醇原始體積（隔室體積）；VL1為進(jìn)入隔室的液體體積，VL1=VF+（i-1）·s·VT（此時i=1）；VL2為流出隔室的液體體積，VL2=VF+i·s·VT；VF為泄漏的液體體積；s 為滑脫比率（經(jīng)驗值），s=（隔室中原來的體積-后來的體積）/原來的體積。

6 惰化工藝

惰化工藝一般指在干燥管道內(nèi)注入氮氣，用于隔絕干燥用氣和投產(chǎn)的天然氣，而且可以進(jìn)一步干燥、惰化管道[20-21]。

在注氮的工藝中，可以利用液氮蒸發(fā)獲得氮氣。圖8 表示在不同的壓力下獲得100 m3的氮氣所需的液氮的量。

在管道置換過程中，應(yīng)盡可能保持紊流，這有利于置換操作[22]。若管道容積為VP（m3），考慮氮氣損失及壓力平衡過程，同時參考輸氣管氮氣置換經(jīng)驗，氮氣用量應(yīng)該為3VP（m3）[23]。

圖8 不同壓力下獲得100 m3 的氮氣所需的液氮的量

7 結(jié)束語

深水油氣開發(fā)常采用半潛式平臺和水下生產(chǎn)系統(tǒng)相結(jié)合的開發(fā)模式，因此深水海底管道預(yù)調(diào)試工作受水深和作業(yè)平臺面積的限制，與傳統(tǒng)海底管道預(yù)調(diào)試作業(yè)相比具有較大的不同，深水海底管道的預(yù)充水工藝可利用管外海水高壓自由充水，干燥工藝最宜采用注醇干燥等。同時，充水清洗測徑工藝和水壓試驗工藝需要采用水下清管（試壓）撬+ROV 的方式，減少了人員和設(shè)備的投入。

本文通過總結(jié)現(xiàn)有預(yù)調(diào)試工藝，改進(jìn)了管道干燥甘醇用量的計算方法，合理選擇適合深水海底管道預(yù)調(diào)試技術(shù)方案，可對高效實現(xiàn)深水海底管道的預(yù)調(diào)試作業(yè)起到技術(shù)參考作用。