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順北油氣田位于順托果勒隆起構(gòu)造帶[1],順托果勒低隆起位于塔里木盆地中北部,塔克拉瑪干大沙漠北緣沙漠腹地,處于卡塔克、沙雅兩大隆起和阿瓦提、滿加爾兩大坳陷之間[2],油氣資源豐富,屬斷控巖溶背景的縫洞型碳酸鹽巖油氣藏[3]。初步估算順北地區(qū)18條主干走滑斷裂帶油氣地質(zhì)儲(chǔ)量約1.7×109 t,展現(xiàn)了巨大的油氣勘探前景[2]。
隨著順北油氣區(qū)塊開發(fā)的深入,勘探、開采、運(yùn)輸?shù)榷囗?xiàng)難題也逐漸顯現(xiàn)。目前順北油氣田閥組間的集輸干線通常為抗硫鋼管,輸送介質(zhì)為原油+伴生氣,其中原油析蠟點(diǎn)（-10 ℃）較高,且屬于含蠟原油（蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)>2.5%）,原油含水率超過5%,水中礦化度高達(dá)12×104 mg/L。因此順北油氣集輸管線在服役中存在積蠟、積垢等風(fēng)險(xiǎn)。為使順北油氣田順利開發(fā)生產(chǎn),避免出現(xiàn)由于油氣集輸管線輸送效率低而引起的產(chǎn)能下降,需對(duì)順北集輸管線進(jìn)行定期清管[4-5]。對(duì)于油氣混輸介質(zhì),受到氣體與液體流動(dòng)狀態(tài)的影響,清管難度大,目前國內(nèi)尚無對(duì)油氣混輸管線清管的案例。筆者通過分析順北油氣集輸管線在清管中存在的風(fēng)險(xiǎn),通過調(diào)研優(yōu)選適合于順北油氣集輸管線的清管器器類型與清管技術(shù)參數(shù),并參考清管技術(shù)參數(shù)對(duì)典型油氣集輸管線進(jìn)行現(xiàn)場清管,這不僅能為順北油氣集輸管線的現(xiàn)場清管提供技術(shù)支撐,同時(shí)也為類似油田工況的油氣集輸管線清管提供參考。
順北區(qū)塊從2018年開始開發(fā),目前已在順北1條帶、5條帶、4條帶、8條帶建立完備的油氣集輸系統(tǒng),共開發(fā)90余口單井,建立30余條集輸干線及油氣聯(lián)合站。順北區(qū)塊集輸管線的統(tǒng)計(jì)情況如表1所示,可以看出,順北集輸管線材料多數(shù)為抗硫鋼管,管徑DN為150~400 mm,輸送介質(zhì)主要為輸送原油+伴生氣。順北1/5條帶與順北4/8條帶的原油組成如表2所示,水介質(zhì)組成如表3所示,伴生氣組分如表4所示。順北油氣集輸管線大多處于順北沙漠區(qū)域中,管線呈現(xiàn)高低起伏敷設(shè)特征,最大高程差達(dá)到33.38 m（如圖1所示）。
| 區(qū)塊 | 管線類型 | 管徑/mm | 集輸管線材料 | 輸送介質(zhì) |
|---|---|---|---|---|
| 順北一區(qū) | 集輸管線 | 150~350 | 柔性復(fù)合管、玻璃鋼管、內(nèi)穿插、抗硫鋼管 | 油氣、原油 |
| 輸氣干線 | 250~350 | 濕氣、干氣 | ||
| 順北二區(qū) | 集輸管線 | 250~400 | 抗硫鋼管 | 油氣 |
| 輸氣干線 | 150 | 天然氣 | ||
| 順北三區(qū) | 集輸管線 | 400 | 油氣 |
| 區(qū)塊 | 條帶 | 密度/（g·cm-3） | 運(yùn)動(dòng)粘度（30 ℃）/（mm2·s-1） | 凝固點(diǎn)/℃ | 組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/% | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 硫 | 瀝青 | 膠質(zhì) | 蠟 | |||||
| 一區(qū) | 1條帶 | 0.796 0 | 3.813 | -20 | 0.092 7 | 0.79 | 4.65 | 2.10 |
| 5條帶 | 0.806 0 | 3.024 | <-34 | 0.034 4 | 0.93 | 5.97 | 2.40 | |
| 二區(qū) | 4條帶 | 0.791 0 | 2.128 | -10 | 0.028 8 | - | - | 3.60 |
| 8條帶 | 0.771 3 | 1.440 | -12 | 0.025 0 | - | - | 1.22 | |
| 區(qū)塊 | 條帶 | ρ（Cl-）/（mg·L-1） |
 /（mg·L-1）
|
 /（mg·L-1）
|
ρ（K++Na+）/（mg·L-1） | ρ（Ca2+）/（mg·L-1） | ρ（Mg2+）/（mg·L-1） | pH | 總礦化度/（mg·L-1） |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 一區(qū) | 1條帶 | 8 138.61 | 7 664.0 | 46.83 | 7 007.10 | 743.33 | 583.60 | 7.63 | 24 183.47 |
| 5條帶 | 49.77 | 746.5 | 6 604.53 | 3 546.77 | 390.31 | 33.98 | 8.63 | 12 913.37 | |
| 二區(qū) | 4條帶 | 69 674.00 | 750.0 | 725.00 | 16 670.00 | 27 824.00 | 1 554.00 | 6.30 | 125 678.00 |
| 8條帶 | 75 375.00 | 100.0 | 303.00 | 38 513.00 | 7 747.00 | 596.00 | 6.10 | 121 697.00 |
| 區(qū)塊 | 條帶 | 質(zhì)量分?jǐn)?shù)/% | ρ（硫化氫）/（mg·m-3） | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C1 | C2 | C3 | C3+ | N2 | CO2 | |||
| 一區(qū) | 1條帶 | 82.02 | 6.86 | 2.74 | 1.48 | 3.67 | 2.77 | 15 547.85 |
| 5條帶 | 73.77 | 11.49 | 4.78 | 2.11 | 5.77 | 1.84 | 2 530.62 | |
| 二區(qū) | 4條帶 | 83.02 | 3.58 | 1.24 | 2.42 | 3.01 | 7.64 | 21 858.63 |
| 8條帶 | 86.55 | 3.52 | 0.82 | 2.38 | 1.70 | 5.55 | 25~3 048 | |
目前順北集輸管線在投產(chǎn)前使用清管+緩蝕劑批處理對(duì)管線進(jìn)行腐蝕防護(hù),其中清管工藝主要采用機(jī)械清管器+泡沫清管器,由于投產(chǎn)前集輸管線內(nèi)存在多為殘留水以及已清理的雜質(zhì),在清管過程中未出現(xiàn)問題。順北集輸管線在運(yùn)行中尚未實(shí)施清管,除材料為非金屬管的油氣集輸管線以及未設(shè)置收發(fā)球筒的管線外,其他油氣集輸管線均具備清管條件。但在順北油氣集輸管線運(yùn)行期間,由于管線內(nèi)沉積物狀況未知,介質(zhì)腐蝕性較苛刻,基于順北區(qū)塊管線運(yùn)行工況與地形地貌,需要對(duì)管線清管過程中的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行詳細(xì)梳理,從而給現(xiàn)場清管方案提供技術(shù)支撐。
順北原油介質(zhì)中含有一定的地層水,地層水中的礦化度較高（表3）,根據(jù)SY/T 0600-2016《油田水結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測方法》,使用Ryznar穩(wěn)定指數(shù)法,計(jì)算得到該水介質(zhì)的穩(wěn)定指數(shù)SAI最小達(dá)到3.29,由于SAI<5,順北油氣集輸管線的輸送介質(zhì)表現(xiàn)為嚴(yán)重結(jié)垢趨勢(shì),結(jié)垢容易導(dǎo)致清管器在運(yùn)行過程中發(fā)生卡堵。
順北原油析蠟點(diǎn)（-10 ℃）較高,且屬于含蠟原油,由于順北區(qū)塊處于塔克拉瑪干沙漠腹地,冬季氣溫最低達(dá)-40~-30 ℃,對(duì)于油氣集輸管線來說,存在一定的析蠟風(fēng)險(xiǎn)。通過OLGA模擬軟件對(duì)順北典型油氣集輸管線進(jìn)行積蠟?zāi)M。運(yùn)用PVTsim軟件對(duì)表2~4所示的油、水、氣組成進(jìn)行物性計(jì)算,并將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入OLGA軟件。管道中心距地面約1.5 m,管線從里到外依次為抗硫鋼管、3PE防蝕腐層、土壤,其詳細(xì)參數(shù)如表5所示。設(shè)置模擬時(shí)間為365 d,管線中積蠟量隨運(yùn)行時(shí)間的變化曲線如圖2所示,可以看出,模擬運(yùn)行365 d后,在管線入口端積蠟量厚度最大約為2.8 mm,管線內(nèi)積蠟量約350 kg。同時(shí),冬季順北沙漠區(qū)塊土壤溫度低,管道油壁溫差比夏季更大,會(huì)出現(xiàn)更大的積蠟量。通常情況下,當(dāng)管線中積蠟厚度在2 mm以上時(shí),在清管過程中可能出現(xiàn)因蠟堵而卡球的情況[8]。從上述研究可以看出,順北油氣集輸管線在服役過程中存在一定的積蠟風(fēng)險(xiǎn)。考慮到管線沿沙漠地區(qū)敷設(shè),管線距離長,高低起伏大,為對(duì)順北油氣集輸管線順利實(shí)施清管,需要從通過能力、清垢能力等方面優(yōu)選適宜的清管技術(shù)。
| 項(xiàng)目 | 密度/（kg·m-3） | 導(dǎo)熱系數(shù)/（W·m-1·K-1） | 熱容量/（J·kg-1·K-1） | 厚度/mm |
|---|---|---|---|---|
| 抗硫鋼管 | 7 850 | 50 000 | 550 | 9.27 |
| 3PE | 2 500 | 0.028 | 880 | 3.2 |
| 土壤 | 2 150 | 1 500 | 920 | 1 500 |
由于順北油氣集輸管線輸送介質(zhì)為油氣混輸物,與典型輸氣管線相比,在油氣集輸管線輸送過程中,伴生氣密度較小,位于管線的上部；含水原油密度較大,位于管線的下部。在清管過程中,由于清管器上部與下部接觸的介質(zhì)不同,與含水原油接觸的清管器下半部分,由于清管阻力較大,磨損較為嚴(yán)重；同時(shí)由于重力的影響,清管器下部的磨損比清管器上部更嚴(yán)重。因此在整個(gè)清管過程中,當(dāng)待清管的集輸管線距離較長且管線下部存在積垢或積蠟時(shí),清管器下部的磨損較上部更嚴(yán)重。若清管器下部在運(yùn)行過程中磨損較快,清管器上部容易出現(xiàn)氣體流通通道,導(dǎo)致竄氣,嚴(yán)重影響清管效率。圖3為典型成品油管道在清管過程中運(yùn)行至上坡以及下坡階段時(shí),由于清管器速率過快,清管器出現(xiàn)嚴(yán)重偏磨,緊固螺栓受力增大而發(fā)生脫落[9]。因此在不考慮其他影響因素的情況下,優(yōu)選適宜的清管器類型、適當(dāng)提高清管器的運(yùn)行速率可以降低清管器在油氣集輸管線內(nèi)的偏磨風(fēng)險(xiǎn)。
由于順北集輸管線大多沿沙漠敷設(shè),高低起伏程度大,且輸送油氣介質(zhì)中含有一定的水,在高低起伏的坡谷處容易形成段塞流,段塞流首先容易造成清管過程中,清管器運(yùn)行速率不穩(wěn)定,同時(shí)容易造成清管器的定位裝置丟失,延誤現(xiàn)場清管進(jìn)程。使用表6所示的清管模擬參數(shù),采用OLGA軟件對(duì)順北典型油氣集輸管線清管器的運(yùn)行速率進(jìn)行模擬,結(jié)果如圖4所示。可以看出,在不同的出口壓力下,清管器在運(yùn)行初期均出現(xiàn)了運(yùn)行速率的波動(dòng),這是由于該區(qū)域管線的敷設(shè)高低起伏較大,管線高低起伏段會(huì)形成的段塞流,而清管器運(yùn)行速率波動(dòng)容易導(dǎo)致清管器的定位裝置丟失。圖5為某原油管道在清管過程中,由于管道高程起伏較大且彎頭較多導(dǎo)致清管器發(fā)生斷裂丟失的照片,在經(jīng)過開挖、斷管程序后將遺留段清管器取出[10]。因此,在確定適用于順北油氣集輸管線的清管技術(shù)參數(shù)時(shí),需要特別注意清管器運(yùn)行速率,通過調(diào)整輸送流量或者出口壓力等方式,使清管過程中清管器平穩(wěn)運(yùn)行,避免出現(xiàn)頻繁的波動(dòng)導(dǎo)致清管器定位裝置丟失。
| 清管器質(zhì)量/kg | 過盈量/% | 清管器旁通率/% | 最大靜摩擦力/N | 清管器和管壁間摩擦力/（N·s·m-1） | Linearfric速度項(xiàng)摩擦因子/（N·s·m-1） | 清管球和管壁間液膜二次速度項(xiàng)摩擦因子/（N·s2·m-2） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 30 | 4 | 0 | 1 000 | 1 000 | 1 000 | 100 |
目前,國內(nèi)外管道廣泛應(yīng)用的清管器有泡沫清管器、機(jī)械清管器和射流清管器。表7為不同類型清管器優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比。泡沫式清管器通過能力強(qiáng),適用于高低起伏程度大的管線清管,對(duì)管徑無特殊要求。泡沫清管器較軟,對(duì)于結(jié)垢清理效果較差,適用于起伏程度大的管線的前期清管[11]。機(jī)械清管器主要包括碟型皮碗清管器和直板皮碗清管器[12],機(jī)械清管器主要由金屬框架和橡膠皮碗組成,清管器穩(wěn)定性好,對(duì)于結(jié)垢等固體雜質(zhì)清理效果好,但由于金屬框架和橡膠皮碗可變形程度不如泡沫清管器,因此機(jī)械清管器的通過能力較差,一般情況下機(jī)械清管器是在泡沫清管器清管后使用,過盈量通常選取2%~5%。其中直板皮碗清管器可以雙相運(yùn)動(dòng),一旦因管線內(nèi)結(jié)垢嚴(yán)重造成堵塞,可以通過反向運(yùn)行將清管器推出。近年來,射流清管器常用于積垢積蠟嚴(yán)重管線清管,其遇到積垢等阻力時(shí),自身的壓力控制閥即可開啟,通過高壓流體沖擊的方式進(jìn)行清管,對(duì)于積垢與積蠟的清管效果都好[13],但其清管效率較低,清管時(shí)間長,需要根據(jù)管線的實(shí)際情況進(jìn)行選擇。結(jié)合順北集輸管線特征、輸送介質(zhì)類型、介質(zhì)工況特征,建議按照清管器優(yōu)選原則,優(yōu)先使用通過能力較強(qiáng)的清管器,然后使用清管能力較強(qiáng)的清管器。當(dāng)積蠟積垢情況未知時(shí),建議優(yōu)先采用泡沫清管器清管,然后使用機(jī)械清管器或射流清管器清管；當(dāng)積蠟積垢情況已知且嚴(yán)重時(shí),建議采用射流清管器清管。
| 清管器名稱 | 優(yōu)點(diǎn) | 缺點(diǎn) |
|---|---|---|
| 球形清管器 | 通過性較好,能夠通過管道變形處 | 易出現(xiàn)失密停滯現(xiàn)象,引發(fā)卡球 |
| 泡沫清管器 | 通過能力強(qiáng),不易卡阻,能順利通過各種彎頭、閥門和管道變形段；具有較高的彈性、韌性和耐磨性；結(jié)構(gòu)簡單、作業(yè)量少；質(zhì)量輕,攜帶方便；適用于內(nèi)壁帶涂層的管道,無涂層管道磨損大 | 材料強(qiáng)度低,運(yùn)行距離短 |
| 機(jī)械清管器 | 清除固體類雜質(zhì)能力強(qiáng)、除蠟效果好；使用壽命長；運(yùn)行距離長 | 形變量較小,復(fù)雜地勢(shì)下容易出現(xiàn)卡阻不適用于多彎頭、閥門和有較大變形的管 |
| 射流清管器 | 清管速率低,降低對(duì)管線內(nèi)壁涂層損害；自動(dòng)解堵；降低下游積液量,平緩清管中壓力波動(dòng) | 清管時(shí)間長 |
清管參數(shù)包括清管器運(yùn)行速率、清管器過盈量以及清管器運(yùn)行過程中的前后壓差等。其中清管器運(yùn)行速率過小會(huì)造成清管器的卡頓,清管器運(yùn)行速率過快則容易導(dǎo)致清管效果弱化、清管器損壞等情況。順北管線高低起伏落差較大,在管線上坡時(shí)可能需要加大壓差使清管器通過,到管線下坡時(shí)清管器運(yùn)行速率較快,清管器與管線的沖擊可能導(dǎo)致清管器或管線產(chǎn)生損傷。喻軍等[6]研究了典型大落差管道的清管時(shí)的有限元模擬,管線在坡底受到的綜合應(yīng)力最大。考慮土壤約束等外部載荷、管道內(nèi)壓以及內(nèi)部沖擊載荷的影響,清管器在坡底受到的最大綜合應(yīng)力與清管器的運(yùn)行速率相關(guān),在清管過程中,清管器在坡底受到的最大綜合應(yīng)力不允許超過鋼管的許用應(yīng)力,因此可以得出清管器最大運(yùn)行速率的符合式（1）[7]。通過式（1）可以得到在對(duì)順北集輸管線清管時(shí),清管器最大運(yùn)行速度不超過4.95 m/s。
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(1) |
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(2) |
式中：[σ]為抗硫鋼管的最大許用應(yīng)力,其表達(dá)式見式（2）；v為清管器最大運(yùn)行速率；K為強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù),取0.72,φ為焊縫系數(shù),取1；σS為鋼管最小屈服強(qiáng)度,對(duì)于抗硫鋼管,取360 MPa。
對(duì)于清管器的過盈量,需要根據(jù)不同的清管器類型進(jìn)行選取,通常對(duì)于泡沫清管器一般選取5%~8%過盈量[11],這主要是由于泡沫清管器可變形幅度較大,如過盈量選取過小,則清管效果變差,如選取更高的過盈量,則需要更大的驅(qū)動(dòng)力,會(huì)使費(fèi)用成本上升；對(duì)于機(jī)械清管器,過盈量一般選取2%~5%[12]。對(duì)于清管器壓差,一般建議不超過2 MPa,如壓差過高,則導(dǎo)致清管效果較差[11]。
采用優(yōu)選的清管器類型以及清管技術(shù)參數(shù),對(duì)順北某油氣集輸干線進(jìn)行現(xiàn)場清管,其規(guī)格為?406.4 mm×10.31 mm,管線材料為抗硫鋼管,長度為23 km,輸送介質(zhì)為原油+伴生氣。清管工藝選用泡沫清管器,清管技術(shù)參數(shù)為：過盈量5%,根據(jù)清管調(diào)節(jié)清管器運(yùn)行速度,初步設(shè)定氣量1×105~2×105 m3/d。現(xiàn)場清管作業(yè)流程如圖6所示。
第一階段使用附近單井的伴生氣作為清管器驅(qū)動(dòng)氣源,清管器運(yùn)行速率約為0.56 m/s,運(yùn)行約60 h后,由于驅(qū)動(dòng)氣源壓力下降導(dǎo)致清管動(dòng)力不足,停止清管。第二階段因積液過多,倒油限制,故使用自壓通球提供清管動(dòng)力,清管約2 h,由于線路停電檢修,清管停止。第三階段繼續(xù)使用自壓通球方式清管,氣量為15萬m3,清管時(shí)間約6 h,順利完成收球,清管結(jié)束。清管后,清管泡沫球輕微磨損,如圖7所示,收球筒無臟物停留,共清出積液1 280 m3,清管效果顯著。由于無法準(zhǔn)確判斷油氣混輸管道積液情況,建議在清管末端建設(shè)接噴流程,同時(shí)為使清管順利實(shí)施,建議在清管前對(duì)清管動(dòng)力源進(jìn)行測試,保證單條管道清管具備3~5 MPa的壓力余量方可實(shí)施清管。
（1）順北集輸管線材料多為抗硫鋼管,管徑DN為150~400 mm,輸送介質(zhì)主要為輸送原油+伴生氣。由于輸送介質(zhì)工況苛刻、沿途高低起伏較大,清管中存在清管器卡堵、清管器偏磨及清管器定位裝置丟失等風(fēng)險(xiǎn)。
（2）對(duì)于順北油氣集輸管線,當(dāng)積蠟積垢情況未知時(shí),建議優(yōu)先采用泡沫清管器清管,然后使用機(jī)械清管器或射流清管器清管；當(dāng)積蠟積垢情況已知且嚴(yán)重時(shí),建議采用射流清管器清管。清管器運(yùn)行速度不超過4.95 m/s。
（3）采用優(yōu)選的清管器類型以及清管技術(shù)參數(shù),對(duì)順北油氣集輸干線進(jìn)行現(xiàn)場清管,清管效果良好。
文章來源——材料與測試網(wǎng)
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