基于啟動(dòng)壓力的稠油停輸海管再啟動(dòng)與置換對(duì)策

王 帥，何玉玉，龍相琪，朱曉毅，程新旺

（延安大學(xué)石油工程與環(huán)境工程學(xué)院，陜西延安 716000）

目前，面對(duì)中輕質(zhì)原油儲(chǔ)備逐漸枯竭的局勢(shì)，必須實(shí)現(xiàn)常規(guī)原油到非常規(guī)原油轉(zhuǎn)變［1-3］，故原油開(kāi)采逐漸轉(zhuǎn)向稠油及超特稠油［4］，開(kāi)發(fā)范圍也逐漸從陸地向近海、深水?dāng)U展［5-6］。同時(shí)，給稠油管道的安全、順利輸送和停運(yùn)再啟動(dòng)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。對(duì)具有黏度高、黏附性強(qiáng)、凝點(diǎn)低、流動(dòng)性差等特點(diǎn)的稠油而言，若遭遇管道停輸，雖不至造成凝管，但由于稠油的低溫高黏特性，易使再啟動(dòng)壓力過(guò)大威脅再啟動(dòng)安全［7-8］。針對(duì)這些難點(diǎn)，有不少學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了一系列的研究：吳海浩等［9］根據(jù)海底稠油管道停輸再啟動(dòng)的特點(diǎn)，研究再啟動(dòng)溫度、管內(nèi)存油含水率大小及油水混合液乳化情況對(duì)管內(nèi)存油的流變性的影響，流變性又直接影響到再啟動(dòng)過(guò)程以及再啟動(dòng)壓力；張棟等［10］采用旋轉(zhuǎn)流變儀進(jìn)行了流變學(xué)測(cè)試，隨溫度的上升，超稠原油的黏度、觸變性和屈服應(yīng)力均呈現(xiàn)出指數(shù)衰減的趨勢(shì)，超稠原油表現(xiàn)出明顯的黏彈性性質(zhì)，且隨頻率的增大，樣品從黏性主導(dǎo)轉(zhuǎn)變成彈性主導(dǎo)；劉天佑等［11］通過(guò)對(duì)液體管道啟動(dòng)過(guò)程、非牛頓體觸變性及兩者關(guān)系的研究，導(dǎo)出了管道啟動(dòng)壓力的計(jì)算方法和啟動(dòng)壓力與啟動(dòng)流量的相關(guān)規(guī)律。本文針對(duì)稠油-水混輸停運(yùn)海底管道，分析稠油-水混輸海管的停輸溫降、臨界啟動(dòng)壓力及再啟動(dòng)壓力特性，對(duì)稠油-水的黏溫關(guān)系和再啟動(dòng)壓力進(jìn)行計(jì)算分析，進(jìn)而以此為基礎(chǔ)得出再啟動(dòng)及置換方案，為海底管道停輸再啟動(dòng)與置換方案提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐與理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

由于油水互不相溶，因此油和水的混合物在一定條件下呈現(xiàn)乳液狀態(tài)。稠油-水流變行為的復(fù)雜性、不同流態(tài)下壓差的巨大差異、同時(shí)伴隨著混合流體轉(zhuǎn)變形成乳狀液，使不相溶水與油的研究變得更加復(fù)雜［12-14］。乳狀液是一種復(fù)雜的混合物，其間存在著由分散相轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)相的過(guò)程，所以溫度、含水率對(duì)流變特性有重要影響作用。

1.1 實(shí)驗(yàn)油品及管線

研究的停輸管線為旅大油田L(fēng)D21-2至LD16-3海底管道，該海底管道長(zhǎng)度為15.9 km，管道內(nèi)徑為250 mm，壁厚為12.7 mm，以該管線中稠油-水混合液為所研究的油品對(duì)象，其含水率的研究范圍采取0%~90%。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

利用HAAKE 智能流變儀同軸圓筒流變儀測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試油品流變性，實(shí)驗(yàn)方法是將實(shí)驗(yàn)稠油油樣倒入圓筒的刻線處，安裝轉(zhuǎn)子，操作手動(dòng)升降裝置，將轉(zhuǎn)子降至同軸圓筒內(nèi)的適當(dāng)位置，其外圓筒保持靜止，轉(zhuǎn)子以一定速度旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)液體在環(huán)形空間內(nèi)剪切轉(zhuǎn)動(dòng)，由于油樣的黏性在轉(zhuǎn)動(dòng)中會(huì)產(chǎn)生黏滯阻力，使轉(zhuǎn)子帶動(dòng)液體旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生扭動(dòng)力矩，油樣黏度越大所產(chǎn)生的扭矩也越大。流變儀控制軟件操作界面，通過(guò)設(shè)定不同剪切速率，測(cè)定轉(zhuǎn)子在實(shí)驗(yàn)稠油油樣中不同轉(zhuǎn)速下所產(chǎn)生的扭矩大小，用于擬合流體的黏溫曲線，分析對(duì)應(yīng)工況下稠油及其乳狀液的表觀黏度，其表觀黏度可表征稠油-水混合液抵抗流動(dòng)的能力，即反映流體受外力作用時(shí)與管內(nèi)壁間呈現(xiàn)的內(nèi)部摩擦力。

1.3 不同工況剪切速率與應(yīng)力關(guān)系

稠油的流變學(xué)特性給管道停輸再啟動(dòng)的研究奠定了理論基礎(chǔ)。在稠油-水混合液中，稠油黏度與溫度成反比，隨著溫度越來(lái)越高，稠油黏度逐漸下降，在4 ℃~30 ℃范圍內(nèi)黏度急劇下降，這時(shí)流體近似接近于牛頓流體。而在同一溫度條件下，稠油乳狀液存在一個(gè)反相點(diǎn)（即油包水轉(zhuǎn)向水包油），該稠油乳液的反相點(diǎn)為40%，在反相點(diǎn)之前，隨著含水率的持續(xù)增加，稠油黏度增加；在反相點(diǎn)之后，隨著含水率的逐漸增加，油品黏度迅速減小。當(dāng)含水率小于反相點(diǎn)時(shí)，稠油與水形成的油包水型乳狀液為均相液體，流變指數(shù)n 值趨近1，按牛頓流體特性進(jìn)行分析。此外，采用哈克旋轉(zhuǎn)流變儀測(cè)定旅大稠油油樣在不同含水率、不同溫度下的表觀黏度，分析實(shí)驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)，繪制不同含水率下稠油乳狀液的黏溫曲線，如圖1所示。

由圖1 可知，稠油-水乳狀液隨溫度的升高，稠油的黏度降低。當(dāng)溫度低于50 ℃時(shí)，降低趨勢(shì)顯著；當(dāng)溫度升高至50 ℃時(shí)，黏溫曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)；當(dāng)溫度高于50 ℃時(shí)，隨著溫度繼續(xù)升高，黏度變化不顯著，黏溫曲線比較平緩，這時(shí)溫度對(duì)黏度的影響越來(lái)越小。黏溫曲線表明稠油的黏溫關(guān)系趨于線性，但是，曲線斜率隨溫度變化而變化，隨著溫度越來(lái)越高，黏溫曲線斜率逐漸減小，可見(jiàn)稠油的黏度隨溫度變化明顯。而稠油輸送過(guò)程中，油流表觀黏度是一個(gè)重要參數(shù)，深入研究溫度變化成為確定停輸再啟動(dòng)方案的重要條件。

圖1 稠油-水乳狀液黏溫曲線

2 結(jié)果分析與討論

2.1 停運(yùn)海管溫降及停輸時(shí)間

海底管道外部環(huán)境溫度要遠(yuǎn)比管道內(nèi)部油溫低，因此當(dāng)管道停輸后，管道將繼續(xù)將熱量傳遞給海底環(huán)境。而管道全線溫度隨沿程下降的同時(shí)，管線同一位置處的油流溫度將隨停輸時(shí)間的增加而下降，直到無(wú)限接近于海底環(huán)境溫度4 ℃。運(yùn)用OLGA 仿真軟件，并結(jié)合PVTSIM，根據(jù)稠油組分性質(zhì)，建立LD21-2 至LD16-3 海底管道仿真模型，結(jié)合實(shí)際管道輸油量Q1和輸水量Q2，分析海管停輸后沿線溫度變化情況，并模擬了該管線在正常管輸流動(dòng)過(guò)程沿程溫降情況，其中，v 為管內(nèi)整體稠油-水混輸?shù)囊合嗔魉?，溫度從入口溫度T1（59.89 ℃）降至出口溫度T2（45.28 ℃），與實(shí)際管道60 ℃降至45 ℃相符，驗(yàn)證了其軟件模擬的可靠性（表1）。

表1 模型計(jì)算值與實(shí)際運(yùn)行值對(duì)比

模擬了含水率0%、30%、50%、70%這4種不同工況下停輸后管道末端溫度隨停輸時(shí)間的變化情況，如圖2所示。由圖可得，油流溫度隨著停輸時(shí)間的增加而下降，純油的溫度下降的最低，而油流中含水時(shí)，停輸過(guò)程的整體溫度高于純油，究其原因，由于水的比熱容要高于稠油，因此在含水70%時(shí)，停輸溫降后溫度處于較高狀態(tài)。且隨著停輸管道溫度的降低直接影響管內(nèi)油流黏性增大，進(jìn)而影響著再啟動(dòng)過(guò)程壓力的大小，以此為基礎(chǔ)將對(duì)停運(yùn)管的臨界啟動(dòng)壓力、再啟動(dòng)及置換對(duì)策進(jìn)行探究與分析。

圖2 管道末端停輸后溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系

2.2 臨界啟動(dòng)壓力

海底管道在停輸再啟動(dòng)過(guò)程所面臨的工況較為復(fù)雜，不同含水率、不同溫度、不同輸量等因素，都會(huì)引起停輸管道再啟動(dòng)的變化，也使得再啟動(dòng)壓力計(jì)算變得相對(duì)困難。將對(duì)多種工況（啟動(dòng)流量分別為4 100、3 100、2 100 m3/d）進(jìn)行計(jì)算。

如圖3所示的管段，在以管軸線為中心，半徑為r的圓柱體上，存在著2個(gè)方向相反的平衡力F1、F2。

圖3 稠油-水管流受力分析示意圖

在假設(shè)停輸管滿足管內(nèi)徑均等、啟動(dòng)過(guò)程以穩(wěn)態(tài)層流流動(dòng)、油流為不可壓縮流體、管內(nèi)壁間不存在滑移等條件下，根據(jù)平衡原理，可推導(dǎo)停運(yùn)海管再啟動(dòng)壓力的計(jì)算模型。

由式（1）（2）（3）可得：

通過(guò)細(xì)管斷面的啟動(dòng)流量，得到式（5），如圖4所示，其中圖4 與圖3 中r 為同一變量，表示積分過(guò)程中的管道半徑的微元量。

圖4 牛頓流體層流流速分布圖

式中，Q 為管道啟動(dòng)流量（m3/d）；R 為管道半徑（m）；D 為管道直徑（m）；L 為管長(zhǎng)（m）；A 為管道橫截面積（m2）；u 為稠油-水混合物流速（m/s）；γ?為剪切速率（s-1）；μ 為稠油-水混合物的表觀黏度（Pa·s）；τ為剪切應(yīng)力（Pa）；?P為管道臨界啟動(dòng)壓力（MPa）。

依據(jù)所推導(dǎo)的再啟動(dòng)壓力計(jì)算模型，所研究的旅大油田停輸管線管長(zhǎng)為15.9 km，管內(nèi)徑為250 mm，計(jì)算了停輸一定時(shí)間后，溫度分別降至4 ℃和30 ℃時(shí)，不同含水率、不同啟動(dòng)流量下的臨界再啟動(dòng)壓力，其計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由表2 可知，停運(yùn)管在啟動(dòng)過(guò)程油流所產(chǎn)生的剪切速率與含水率和溫度無(wú)關(guān)，其僅受啟動(dòng)流量的影響；再啟動(dòng)壓力大小與含水率、溫度、啟動(dòng)流量（即管內(nèi)油流所產(chǎn)生的剪切速率）等均有關(guān)系，且受這3個(gè)因素的影響較大。再啟動(dòng)壓力隨啟動(dòng)流量的增大而增大，隨溫度的升高而降低。而再啟動(dòng)壓力在含水0%、50%、90%的工況下，純油時(shí)啟動(dòng)壓力最大、含水50%次之、含水90%時(shí)最小，可見(jiàn)稠油-水混輸停運(yùn)反相后，再啟動(dòng)壓力降隨含水率的增加而降低。而停輸管道的溫度受管道停輸時(shí)間的影響，隨著停輸時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸下降，直至趨于海底的環(huán)境溫度，因此停輸時(shí)間對(duì)啟動(dòng)壓力產(chǎn)生間接的影響作用。

表2 不同工況下啟動(dòng)壓力變化關(guān)系

對(duì)于旅大油田海上平臺(tái)，泵機(jī)組可提供的最大壓力為4.0 MPa，管道最大允許壓力（承壓）為8.0 MPa，因此，將4.0 MPa 作為該管線停輸后能否順利啟動(dòng)的臨界壓力值。將再啟動(dòng)壓力與泵機(jī)組可提供最大壓力相比較，若計(jì)算得到的再啟動(dòng)壓力大小低于泵機(jī)組可提供的最大壓力4.0 MPa 時(shí)，可進(jìn)行自啟動(dòng)，即采取自啟動(dòng)方案；當(dāng)所求得的啟動(dòng)壓力大小高于泵機(jī)組可提供的最大壓力時(shí)，則無(wú)法進(jìn)行自啟動(dòng)，需進(jìn)行頂擠置換。特別針對(duì)接近泵機(jī)組可提供的最大啟動(dòng)壓力的數(shù)值進(jìn)行分析，當(dāng)達(dá)到4.0 MPa，所計(jì)算得出的啟動(dòng)流量要比原來(lái)的流量大。例如，取溫度為30 ℃，所對(duì)應(yīng)的含水率分別為0%（純稠油）、50%、90%這3 組數(shù)據(jù)，當(dāng)啟動(dòng)壓力為4.0 MPa，求得的流量分別為4 252.85、2 671.66和8 014.99 m3/d，所得到的流量明顯要高于之前的流量。低于泵機(jī)組可提供的最大壓力且接近于此值的可通過(guò)增大輸量來(lái)調(diào)節(jié)。此外，也充分考慮并利用管道的承壓，進(jìn)行停輸管線的再啟動(dòng)。

2.3 再啟動(dòng)及置換對(duì)策

停輸海管的再啟動(dòng)及置換流程，如圖5 所示。首先需要確定相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而對(duì)再啟動(dòng)壓力進(jìn)行計(jì)算，若計(jì)算所得壓力超過(guò)泵機(jī)組所能提供的壓力或管線最大允許操作壓力，則需采用頂擠置換方案；若在允許壓力范圍之內(nèi)，即可采用啟動(dòng)方案，直至停輸管線恢復(fù)正常工作。在一定的停輸工況下，通過(guò)再啟動(dòng)壓力的計(jì)算，能夠有針對(duì)性選取停輸管線的啟動(dòng)方案。

圖5 停輸海管再啟動(dòng)及置換流程

2.3.1 自啟動(dòng)

利用海管中所輸送的油品直接頂擠啟動(dòng)的方式為停輸后自啟動(dòng)，當(dāng)管道停輸后，油流的溫度會(huì)在管道內(nèi)持續(xù)溫降，溫度會(huì)不斷降低至最低溫度，停輸時(shí)間越長(zhǎng)，溫度下降的幅度越大，直至最終趨于海底的環(huán)境溫度。由于停輸時(shí)間會(huì)影響到管內(nèi)油流溫度的降低，而溫降必然影響到油流的流變特性，通過(guò)分析對(duì)比溫降過(guò)程黏性的變化，可得到對(duì)再啟動(dòng)壓力的影響。當(dāng)停輸時(shí)間比較短，在一定的啟動(dòng)流量下，啟動(dòng)壓力未超過(guò)管線最大允許操作壓力和海上平臺(tái)泵機(jī)組能夠提供的最大壓力時(shí)，則可以采取自啟動(dòng)的方法，對(duì)停輸管線實(shí)施再啟動(dòng)。比如，在含水率50%、啟動(dòng)流量2 100 m3/d、停輸溫降至30 ℃時(shí)，其再啟動(dòng)壓力為3.17 MPa，可采用再啟動(dòng)方案。考慮到啟動(dòng)壓力的波動(dòng)，再啟動(dòng)過(guò)程較為平穩(wěn)，可先以較小啟動(dòng)流量進(jìn)行頂擠，運(yùn)行一段時(shí)間后，再增輸至其預(yù)計(jì)的啟動(dòng)流量，完成整個(gè)停輸海管的再啟動(dòng)過(guò)程。

通過(guò)對(duì)不同輸量下停輸海管再啟動(dòng)壓力的計(jì)算，得到停輸前穩(wěn)定輸量對(duì)后期自啟動(dòng)影響較大，輸量越高，自啟動(dòng)越容易，究其原因是油流在大輸量下正常輸送時(shí)，管道沿線溫降較小，有利于停輸后再啟動(dòng)。停輸管道能夠安全順利啟動(dòng)的關(guān)鍵是啟動(dòng)流量的大小，啟輸流量的選取既要考慮能否順利啟動(dòng)，又要充分利用管道承壓。含水率較大的油品可以實(shí)現(xiàn)停輸較長(zhǎng)時(shí)間后的自啟動(dòng)，而含水率較小時(shí)由于油流黏度大，只可在停輸后較短的時(shí)間內(nèi)自啟動(dòng)，且在自啟動(dòng)工況下壓力很接近安全啟動(dòng)壓力的邊界，可能會(huì)使得停運(yùn)管道再啟動(dòng)壓力大于管線本身的最大承壓或超過(guò)泵機(jī)組本身能夠提供的最大動(dòng)力。因此，對(duì)于含水率較小的油流不宜采用自啟動(dòng)，而對(duì)停運(yùn)管線內(nèi)油流進(jìn)行置換。

2.3.2 置換啟動(dòng)

當(dāng)實(shí)際再啟動(dòng)壓力大于泵機(jī)組能夠提供的最大動(dòng)力時(shí)，停輸管線不能采取自啟動(dòng)方案，此時(shí)需要采取置換啟動(dòng)。在含水率0%（即純稠油）、啟動(dòng)輸量3 100 m3/d、停輸溫降至4 ℃時(shí)，其再啟動(dòng)壓力為45.93 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于泵機(jī)組可提供的最大壓力與管道最大允許壓力，必須采取置換啟動(dòng)，即利用不同的啟動(dòng)介質(zhì)置換管道中的原有油品，當(dāng)停運(yùn)管線達(dá)到一定的輸量時(shí)，再轉(zhuǎn)變成輸送原來(lái)油品的啟動(dòng)方案。

停運(yùn)海管在停輸過(guò)程中，管內(nèi)油流黏性隨溫度的降低進(jìn)一步增大，使得再啟動(dòng)壓力過(guò)高，這對(duì)停管內(nèi)油品的置換帶來(lái)較大挑戰(zhàn)與困難，因此可將熱油和熱水等物質(zhì)作為頂擠流體，將管道中的高黏油品頂替置換，可利用熱油（即加熱后的油流）與熱水［15］頂替停運(yùn)管內(nèi)油流后再直接啟動(dòng)或分段啟動(dòng)。

直接運(yùn)用海上平臺(tái)泵機(jī)組輸送熱油或熱水進(jìn)行停輸管道的再啟動(dòng)，熱油進(jìn)入管道，熱油不斷向外散熱并與停輸時(shí)管內(nèi)殘留的冷油混合，隨著冷油被熱油擠出，同時(shí)高流速作用下管壁上的凝油層所受的剪切力越大，使得管內(nèi)更多凝油被帶走，管內(nèi)油溫逐漸升高，停輸管內(nèi)油流逐漸恢復(fù)流動(dòng)。

3 結(jié)論

1）通過(guò)分析黏溫曲線可知，油品的黏度隨溫度升高而顯著降低，當(dāng)溫度高于50 ℃時(shí)，黏度隨溫度的變化趨勢(shì)比較平穩(wěn)。

2）利用稠油-水乳液的流變數(shù)據(jù)和旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)應(yīng)力特性，確定了不同溫度、不同含水率、不同啟動(dòng)流量下的臨界再啟動(dòng)壓力；當(dāng)其低于管線最大允許壓力值時(shí)，可充分利用管道承壓，增大輸量來(lái)啟動(dòng)停輸管線。

3）基于臨界啟動(dòng)壓力值，提出了停輸海管再啟動(dòng)及置換對(duì)策，若再啟動(dòng)壓力超過(guò)泵機(jī)組所能提供的壓力或管線最大允許操作壓力，需采取置換方案；若在允許壓力范圍之內(nèi)，則采取啟動(dòng)方案，直至停輸管線恢復(fù)正常工作。

［責(zé)任編輯 張 香］