浅析输气海管一次性完成排水惰化干燥工艺技术0621.docx
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浅析输气海管一次性完成排水惰化干燥工艺技术0621
浅析渤海某油田天然气长输海管一次性完成排水、惰化、干燥工艺技术
摘要:
长输天然气海管水压试压完成后,在海管正式投运前,还需要对海管进行通球、排水、惰化、干燥等工作,如果每项工作单独进行施工,既耗时又费力。
本文主要介绍渤海某油田两个区块联网供气的两条主要输气海管,B平台至A平台58公里12寸干气输送管道,A平台至C平台98公里12寸湿气输送管道,在投运前通过优化整合方案,一次性完成排水、惰化、干燥工作的工艺技术及现场实际操作方法的经验总结,此方案的优化,不仅缩短了作业时间,而且降低了作业成本。
为其它长输天然气海管投运前的生产准备工作提供借鉴和参考。
关键词:
输气海管;排水;惰化;干燥
1.引言
渤海某油田为实现跨区联网供气,以渤南油田区块A平台为枢纽,铺设了两条输气海管,分别是B平台至A平台的58公里12寸干气输送海管,A平台至渤西油田区块C平台的98公里12寸湿气输送海管。
为防止长输天然气海管产生水化物堵塞管线,影响输气的连续性,输气管道在投入使用前必须进行排水、惰化、干燥工作,使输气管道保持干燥清洁[1]。
本文主要简述了两条海管在投运前的一次性完成排水、惰化、干燥的工艺过程及现场实际操作方法,对各项工作进行优化整合一次性完成,不仅降低了施工的操作成本,而且节省了大量的作业时间。
图1渤西、渤南区块联网供气示意图
2.两条长输天然气海管的基础条件及初步分析
联网供气两条海管,即:
B平台到A平台的长输干气输送管道和A平台到C平台长输湿气输送管道。
前者为干气输气海管,管道干燥的标准要求高,后者为湿气输气管道,管道建设复杂,干燥作业难度大。
表1管道基本参数表
管道路由
长度
km
外径
mm
壁厚
mm
内径
mm
管容
m3
设计压力Mpa
工作温度
℃
A平台~C平台
98
323.9
14.3
295.3
6708.46
10.8
64
B平台~A平台
58
323.9
12.7
298.5
4056.83
5.8
65
2.1A平台至C平台长输天然气输送管道初步分析
A平台到C平台湿气输送管网,结构如图2所示。
该管网干线和支线的倾角均为正向(入口低、出口高,倾角大于0),中间没有高点,管道在98公里范围内高程变化为12.5米,属于微倾角管道,参见图3。
图2A平台~C平台湿气管网的结构图
图3A平台~C平台输气管道剖面
根据A平台~C平台输气管道纵断面高程差,初步设计通球方向C平台~A平台反方向通球,从高点向低点通球,排水效果会更好。
2.2B平台至A平台长输天然气输送管道初步分析[3]
B平台到A平台的输送干气管道,结构如图4所示。
管道起点为正倾角,在距起点4.6公里处有一个高点,高点后至15.6公里处管道为负倾角,该高点在35.6公里范围内的起伏高程差仅为0.5米,属于微弱高点,此后管道又转为正倾角,在全线58公里范围内高程变化仅为1.0米,属于极微小倾角管道。
该管道干燥作业的难点是制定合理的方案达到输送干气的施工标准。
图4B平台~A平台输气管道结构图
根据B平台~A平台输气管道纵断面高程差看出,全线58公里范围内高程变化仅为1.0米,属于极微小倾角管道,确认管道没有单流阀的情况下,可以实施正反向通球作业。
通过对两条管道基础条件的初步分析,两条管道的通球原设计方案:
A平台~C平台98公里输气管道清管、惰化时,作业起始点从C平台向A平台作业。
B平台~A平台58公里输气管道清管、惰化时,作业起始点从B平台向A平台作业[3],原作业方案见图6。
图6原设计方案作业示意图
此方案存在的问题:
Ø作业周期长,作业程序复杂;
Ø制氮设备运转周期长,租赁费用增加;
Ø作业设备需要动复原两次,增加作业成本。
3.海管排水、惰化、干燥方案的优化及工艺描述
3.1长输天然气海管排水、惰化、干燥合格指标:
[4]
输气管道干燥合格指标:
干空气从管道的一端注入管道,从另一端每隔半小时检测一次出口空气的水露点,当连续三次水露点低于-20℃为干燥合格;
输气管道惰化合格指标:
氮气从管道的一端注入管道,从另一端每隔十五分钟检测一次出口气体含氧量,当连续两次含氧量小于5%即为合格。
3.2作业方案优化简述
为减少作业时间,降低作业成本,对方案进行优化整合,选择把通球、惰化设备放置在重要节点A平台进行作业。
通过分析、计算后实现输气海管一次性完成排水、惰化、干燥作业。
优化后的方案见图7。
图7方案优化后作业示意图
此方案的特点:
Ø作业程序简化,大大缩短了作业时间,提前了管道的投运时间;
Ø减少设备的动复原及设备的运行时间,降低了作业成本。
利用高压干燥氮设备作为高压氮气动力,推动4个直板式清管球组成清管列车清管,在第一个和第二个清管球之间加入一定量的淡水用来置换海水,合理控制通球塔里,每个清管球需要隔开一定距离,防止清管球追尾造成阻力过大。
管道出口陆续收到清管球后,测量管道出口的氧气含量及水露点输至,直至达标。
从而实现输气海管一次性完成排水、惰化、干燥作业。
图8(输气海管一次性完成排水、惰化、干燥的程序简图)
4.相关的计算结果
4.1淡水加注量的计算
加淡水的目的是使用淡水溶解管壁上残留的盐分,防止此后盐对管壁造成严重腐蚀。
置换排水过程中,假设第一个隔离球漏失淡水严重,或隔离失效的情况下,海水与淡水混合段的对称浓度为99%~1%,为彻底置换完海水,所用的淡水量要大于混水段中的淡水的量。
清管最小速度0.5m/s是一个普遍使用的标准。
当清管器的速度小于0.5m/s的时候,清管器的运动将不稳定,出现“走走停停”的现象,清管器后部的气体很容易窜漏到清管器前部,导致清管速度降低,以及淡水段中淡水的漏失。
4.1.1混水段长度计算(引用的那本文献,标出来)
混水段长度计算公式为:
[2]
(1)
其中:
——浑水段长度,m;
——层流修正系数,本管道计算中取1.3;
——系数,本管道计算中取1.65;
——管道直径,m;
——管道长度,m;
——浑水段雷诺数。
(2)
——密度,kg/m³;
——管径,m;
——速度,m/s;(0.5米/秒)
——粘度,pa.s
计算时假设隔离海水/淡水的清管器失效,此时海水与淡水直接接触,根据管道的长度,直径,水的密度,粘度,排水的速度,使用公式可以直接计算出混水段的长度,从而可以计算出混水量。
图9淡水置换过程中淡水、海水混合量变化图
通过上表的计算结果得出,A平台~C平台输气管道作业时,需加淡水量最少为14.89立方,才能完全置换出管道的海水。
B平台~A平台输气管道作业时,需加淡水量最少为11.71立方,才能完全置换出管道的海水。
4.2作业时管道入口压力与完成时间的计算
充气排水计算过程的目的是根据排水的速度(0.5m/s)计算出管道的入口压力,计算时速度u,管道的长度L,管道内径d是固定的。
排水时间计算:
(3)
水排量计算:
(4)
气体量(Nm³)计算:
(5)
为管道入口压力(MPa);
为大气压(0.1MPa);
为环境温度(K);
为标准温度293.15K。
管道入口压力计算:
[2]
在排水过程中管道的出口压力为大气压,管道入口压力分成四部分计算。
水段的摩阻压降,气段的摩阻压降,清管器自身的冲压降,出口段立管中水的静压力。
(6)
摩阻压力计算公式为:
(7)
——摩阻系数,为雷诺数Re的函数,不同范围的Re对应不同的
计算公式,比较复杂;此处不累述;
为液体密度;
为截止运行速度;
为管道长度;
为管道直径。
清管器自身的压降
为定值为0.3MPa;
立管中水柱的静压;
为重力加速度(9.8);
为海管立管高度。
排水过程中,清管列车的前部是海水,后部是压缩空气。
由于清管器运动速度确定,故可以计算出不同的时刻清管器所在的位置以及水段的长度(
)。
根据水段的长度可以计算出水段、气体段的摩阻压降,进而计算出管道的入口压力。
清管器刚进入到入口段立管底部时入口压力最大,清管器达到出口立管底部时入口压力最小。
4.2.1B平台~A平台输气管道控制注气压力的计算
表5B平台~A平台输气管道注气排水阶段运行参数
管道名称
速度
m/s
用时h
流量
m³/h
气体流量Nm³/h
管道入口压力MPa
最大
最小
最大
最小
B~A
0.5
32.22
126.0
1305
807
1.04
0.64
1
16.11
252.0
5119
1621
2.03
0.64
图10B平台~A平台输气管道气推水0.5m/s速度下管道沿线压力曲线图
通过以上计算结果得出:
B平台~A平台输气管道进行注气通球作业时,通球速度在0.5m/s时,注气压力控制在0.64Mpa~1.04Mpa。
此时需要的注气流量为:
807Nm³/h~1305Nm³/h。
4.2.2A平台~C平台输气管道控制注气压力的计算
表7A平台~C平台输气管道注气排水阶段运行参数
管道名称
速度
m/s
用时h
流量
m³/h
气体流量Nm³/h
管道入口压力MPa
最大
最小
最大
最小
BZ13-1~QK18-1
0.5
54.44
122.2
1616
785
1.35
0.64
1
27.22
244.4
7420
1580
3.04
0.64
图11A平台~C平台输气管道注气推水0.5m/s速度下管道沿线压力
通过以上计算结果得出:
A平台~C平台输气管道进行注气通球作业时,通球速度在0.5m/s时,注气压力控制在0.64Mpa~1.35Mpa。
此时需要的注气流量为:
785Nm³/h~1616Nm³/h。
5.现场作业总结
5.1现场作业总结
根据方案优化的计算结果。
现场详细作业程序如下:
(1)做好通球的应急预案,应对作业时出现的异常情况发生。
本次作业B、C平台都具备向海管反向输送海水的能力[5]。
(2)管道投放起一个直板清管球,作用是隔离海水及淡水。
启动高压制氮设备,开始注气通球,B平台~A平台输气管道进行注气通球作业时,注气压力控制在0.64Mpa~1.04Mpa,见表6。
A平台~C平台输气管道进行注气通球作业时,注气压力控制在0.64Mpa~1.35Mpa,见表7。
(3)第一个球走出约1小时后停止充气。
海管泄压(加注淡水压力超过海管压力,可以不泄压),向海管加注淡水。
A平台~C平台输气管道作业时,需加淡水量最少为14.89立方(见表4),才能完全置换出管道的海水。
B平台~A平台输气管道作业时,需加淡水量最少为11.71立方(见表4),才能完全置换出管道的海水。
(4)放入第二个直板清管球,作用是隔离淡水及氮气。
启动高压制氮设备,继续注气通球,通球压力控制先前的压力。
(5)充压1小时后,放入第三直板清管球,一小时后放入第四个直板清管球。
作用是彻底清除管道里的游离水。
开始连续注气通球。
(6)管道出口陆续收到球后,注意观察第四球的表面含水情况。
如果第四个球表面有水迹现象,可以选择发一个高密度吸水泡沫球做最后的管道吸水作业。
(7)清管球全部收球完毕,开始测海管出口的含氧量,含氧量直至低于5%,开始测海管出口气体的水露点,直至-20度为合格。
此时,输气管道一次性完成排水、惰化、干燥工作结束。
6.结论及建议
通过以上计算、统计分析,得出如下结论及建议:
1、此方案经过多方面优化整合,选择把高压制氮设备放在两条海管的重要节点A平台进行作业,对两条海管进行不间断连续作业,减少了设备的动复原费用,提高了作业效率。
2、使用高压制氮设备对长输天然气海管投运前一次性完成排水、惰化、干燥工作,既节省了费用又缩短了作业时间,同时高压制氮设备可以为新项目的全系统行进气密实验及惰化作业。
3、选用直板球为海管通球前,必须确认管道测量球(图13)全程通球完工后方能执行,避免出现卡球现象[5]。
4、通球过程中,通球压力尽量保持压力平稳,避免清管列车在管道里面撞车,增加通球难度和风险。
5、对管道进行反向通球作业时,确认管道上是否有单流阀及管道末端发球装置是否具备收球能力。