戴 磊，劉培林，余 智，陳 賓，李 豫

海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

海上井口平臺(tái)超壓保護(hù)動(dòng)態(tài)模擬研究

戴 磊，劉培林，余 智，陳 賓，李 豫

海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

當(dāng)前很多海上井口平臺(tái)泄壓系統(tǒng)采用全負(fù)荷設(shè)計(jì)理念，造成井口平臺(tái)泄壓系統(tǒng)龐大。已有文獻(xiàn)利用數(shù)值分析提出了可接受部分井口關(guān)斷失效，以降低泄壓負(fù)荷的方法，并取得了工程應(yīng)用。以某工程項(xiàng)目為例，簡(jiǎn)要介紹了工程概況，較詳細(xì)論述了HYSYS動(dòng)態(tài)模型的建立，并對(duì)動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明，當(dāng)海底管道入口關(guān)斷閥關(guān)閉，4口井中的1口井關(guān)斷失效時(shí)，系統(tǒng)瞬時(shí)超壓達(dá)到9 340 kPa，超過(guò)系統(tǒng)原設(shè)計(jì)壓力的1.1倍，且泄放閥瞬時(shí)泄放量也超過(guò)1口生產(chǎn)井的產(chǎn)量，瞬時(shí)最大泄放量達(dá)到1.11×106m3/d，但由于核算管道和管件可承受的最高壓力為10 200 kPa，所以該方案可保證生產(chǎn)系統(tǒng)安全。還對(duì)泄放閥尺寸的敏感性、關(guān)斷邏輯的敏感性、閥門(mén)特性的敏感性進(jìn)行了分析。

海上平臺(tái)；泄壓系統(tǒng)；關(guān)斷失效；動(dòng)態(tài)模擬；降本增效

在海洋石油工程井口平臺(tái)設(shè)計(jì)中，通常設(shè)計(jì)泄壓系統(tǒng)對(duì)井口管道、設(shè)備等進(jìn)行超壓保護(hù)，系統(tǒng)的泄放能力一般按照全負(fù)荷設(shè)計(jì)。已有文獻(xiàn)結(jié)合概率論和安全儀表功能理論，對(duì)井口超壓保護(hù)系統(tǒng)的失效問(wèn)題進(jìn)行了可接受風(fēng)險(xiǎn)性論證，確定了既定井口規(guī)模下泄放負(fù)荷的合理范圍，降低了超壓保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)負(fù)荷，從而實(shí)現(xiàn)了井口平臺(tái)的降本增效[1]。

本文以某工程項(xiàng)目為例，運(yùn)用HYSYS軟件建立動(dòng)態(tài)模型，研究降低泄壓負(fù)荷的可行性以及超壓保護(hù)系統(tǒng)的可靠性，并且評(píng)估對(duì)工程項(xiàng)目的影響[2-3]。

1 工程概況

某氣田項(xiàng)目井口平臺(tái)流程如圖1所示。主要工藝流程為：共有4口生產(chǎn)井，井口采出物流沿出油管道經(jīng)主閥、翼閥和油嘴進(jìn)入生產(chǎn)管匯或測(cè)試管匯，生產(chǎn)井物流直接經(jīng)過(guò)海底管道輸送至附近的中心處理平臺(tái)，單井測(cè)試時(shí)井口物流經(jīng)測(cè)試管匯進(jìn)入測(cè)試分離器，經(jīng)三相分離計(jì)量后重新返回生產(chǎn)管匯外輸。

該平臺(tái)超壓保護(hù)系統(tǒng)主要包括：壓力報(bào)警及關(guān)斷系統(tǒng)、低壓側(cè)堵塞工況泄放閥、分液罐及冷放空臂等。利用數(shù)值分析，對(duì)井口系統(tǒng)和相關(guān)安全儀表等進(jìn)行了可靠性論證，確定最低可接受失效井口數(shù)為1口，所以超壓保護(hù)系統(tǒng)的能力基于1口井的產(chǎn)量考慮[1]。全平臺(tái)最大產(chǎn)量為2.83× 106m3/d，單井最大產(chǎn)量0.71× 106m3/d，全負(fù)荷泄放和1口井泄放的方案對(duì)比見(jiàn)表1。

圖1 井口平臺(tái)工藝流程

表1 泄放方案對(duì)比

為了驗(yàn)證基于方案2的超壓保護(hù)系統(tǒng)的可靠性，運(yùn)用HYSYS軟件建立動(dòng)態(tài)模型，采用動(dòng)態(tài)方法模擬海底管道入口堵塞工況下（關(guān)斷閥誤關(guān)斷）生產(chǎn)系統(tǒng)壓力流量等的變化情況，從而對(duì)平臺(tái)的超壓保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行安全分析。

2 動(dòng)態(tài)模型的建立

2.1 工藝參數(shù)

模擬的主要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如下：全平臺(tái)4口生產(chǎn)井，最大產(chǎn)量為2.83×106m3/d，單井最大產(chǎn)量為0.71× 106m3/d。井口最大流壓和溫度分別為13 600 kPa/ 71℃，外輸壓力為4 900 kPa。采油樹(shù)主閥和翼閥關(guān)斷時(shí)間均為10 s，油嘴流量系數(shù)（CV值） 為80，關(guān)斷時(shí)間為30 s，關(guān)斷閥關(guān)斷時(shí)間為18 s。所有閥門(mén)特性和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的關(guān)斷特性都根據(jù)廠家資料選擇，生產(chǎn)管匯上泄放閥的設(shè)定壓力為7 000 kPa。出油管道采用ASME 1 500磅級(jí)材料（公稱(chēng)壓力25 MPa），生產(chǎn)管匯為降壓設(shè)計(jì)采用ASME 900磅級(jí)材料（公稱(chēng)壓力15 MPa）。由于計(jì)量系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，模擬中不予考慮。

2.2 建立動(dòng)態(tài)模型

根據(jù)某氣田項(xiàng)目無(wú)人井口平臺(tái)流程（見(jiàn)圖1）和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在HYSYS中建立了動(dòng)態(tài)模型，見(jiàn)圖2。

3 動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果及分析

3.1 方案1與方案2模擬結(jié)果及分析

3.1.1 方案1模擬

圖2 井口平臺(tái)流程的HY SY S動(dòng)態(tài)模型

圖3 方案1的HY SY S動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果

圖3給出了基于方案1海底管道入口關(guān)斷閥關(guān)閉，4口井同時(shí)關(guān)斷失效的動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果，即平臺(tái)生產(chǎn)系統(tǒng)的壓力以及泄放閥泄放流量隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。

從圖3的動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果可以看出，海底管道入口關(guān)斷閥的關(guān)閉導(dǎo)致生產(chǎn)系統(tǒng)壓力急劇上升，當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到7 000 kPa時(shí)，泄放閥起跳，泄放閥規(guī)格為4N6（2800 mm2），當(dāng)最大開(kāi)度達(dá)到約60%時(shí)系統(tǒng)壓力即穩(wěn)定，此時(shí)壓力約7 240 kPa，總泄放量約2.81× 106m3/d。方案1的全負(fù)荷泄放設(shè)計(jì)可以保證系統(tǒng)壓力不超過(guò)泄放閥設(shè)定壓力的1.1倍。

3.1.2 方案2模擬

圖4給出了基于方案2海底管道入口關(guān)斷閥關(guān)閉，1口井關(guān)斷失效的動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果。

從圖4的動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果可以看出，海底管道入口關(guān)斷閥的關(guān)閉導(dǎo)致生產(chǎn)系統(tǒng)壓力急劇上升，當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到6 000 kPa時(shí)，生產(chǎn)管匯上壓力傳感器觸發(fā)生產(chǎn)關(guān)斷，井口關(guān)斷閥（主閥、翼閥等）開(kāi)始執(zhí)行關(guān)斷動(dòng)作，但是由于閥門(mén)關(guān)閉需要一定時(shí)間，因此壓力依然在上升，生產(chǎn)系統(tǒng)壓力很快達(dá)到7 000 kPa，此時(shí)泄放閥起跳，且很快達(dá)到全開(kāi)。此時(shí)由于生產(chǎn)井依然沒(méi)有完全關(guān)閉，且有1口井關(guān)斷失效，而泄放閥尺寸僅是按照井的產(chǎn)量選取的，管路緩沖容積有限，因而導(dǎo)致系統(tǒng)壓力迅速升至9 340 kPa。

圖4 方案2的HY SY S動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果

隨著其他井口關(guān)斷閥的完全關(guān)閉，系統(tǒng)壓力開(kāi)始下降，直到泄放閥泄放能力與1口生產(chǎn)井的產(chǎn)量相當(dāng)，系統(tǒng)壓力穩(wěn)定在7 440 kPa左右。由上述計(jì)算可見(jiàn)，系統(tǒng)瞬時(shí)超壓達(dá)到9 340 kPa，超過(guò)系統(tǒng)原設(shè)計(jì)壓力的1.1倍，且泄放閥瞬時(shí)泄放量也超過(guò)1口生產(chǎn)井的產(chǎn)量，瞬時(shí)最大泄放量達(dá)到1.11× 106m3/d。

由于該平臺(tái)為簡(jiǎn)易井口平臺(tái)，生產(chǎn)系統(tǒng)僅有生產(chǎn)管匯和外輸管道等，根據(jù)ASME B16.5核算管道和管件在工作溫度下可承受的最高壓力為10 200 kPa，所以方案2可保證生產(chǎn)系統(tǒng)安全。

3.2 泄放閥尺寸的敏感性分析

根據(jù)動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果，為了確保生產(chǎn)系統(tǒng)的安全，可以考慮增大泄放閥的尺寸以增大泄放量，從而減小系統(tǒng)的最高超壓。

調(diào)整方案2的動(dòng)態(tài)模型，將泄放閥尺寸規(guī)格由2H3（506.5mm2）增大一個(gè)級(jí)別至3J4（830.3mm2）[4]，得到的模擬結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 方案2增大泄放閥尺寸的HY SY S動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果

對(duì)比圖4、圖5可見(jiàn)，增大泄放閥尺寸后，生產(chǎn)系統(tǒng)最高壓力明顯下降。若遇到核算系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力滿(mǎn)足不了瞬時(shí)最高壓力的話(huà)，可考慮通過(guò)增大泄放閥尺寸以及泄放系統(tǒng)泄放能力來(lái)解決，但是泄放量將會(huì)明顯增加，所以泄放閥尺寸的選擇對(duì)于系統(tǒng)的安全非常關(guān)鍵。

3.3 關(guān)斷邏輯的敏感性分析

利用動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)可以方便地模擬各種事故工況，通過(guò)對(duì)事故工況的模擬，驗(yàn)證目前的關(guān)斷邏輯是否能夠保證系統(tǒng)的安全。例如，為了防止系統(tǒng)關(guān)斷過(guò)程對(duì)油嘴和井下主閥的沖蝕作用，有時(shí)會(huì)考慮油嘴和主閥的延時(shí)關(guān)斷，假設(shè)方案2的油嘴和主閥延時(shí)關(guān)斷時(shí)間分別為3s和15s，則得到如圖6所示的模擬結(jié)果。

對(duì)比圖4、圖6可以看出，由于油嘴延遲關(guān)斷，井口物流沒(méi)能及時(shí)節(jié)流，進(jìn)入系統(tǒng)的物流量明顯大于無(wú)延時(shí)關(guān)斷的情況，導(dǎo)致系統(tǒng)達(dá)到更高的壓力（11 350 kPa），超過(guò)ASME 900磅（公稱(chēng)壓力15 MPa）管道和管件在工作溫度下可承受的最高壓力。所以關(guān)斷邏輯的選擇對(duì)系統(tǒng)的安全至關(guān)重要。

3.4 閥門(mén)特性的敏感性分析

閥門(mén)的開(kāi)關(guān)閥時(shí)間以及操作特性對(duì)壓力保護(hù)系統(tǒng)也非常重要，選擇合適的閥門(mén)類(lèi)型是提高系統(tǒng)可靠性的有效途徑，通過(guò)在動(dòng)態(tài)模擬中研究閥門(mén)特性及開(kāi)關(guān)閥時(shí)間對(duì)安全系統(tǒng)的影響，可以為閥門(mén)選型給出建議。

圖6 方案2延時(shí)關(guān)斷工況下的HY SY S動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果

閥門(mén)的操作特性是指閥門(mén)流通能力和閥門(mén)開(kāi)度之間的關(guān)系，一般分為等百分比型、線(xiàn)性型、快開(kāi)型和自定義型。例如油嘴閥門(mén)的特性對(duì)于系統(tǒng)的影響見(jiàn)表2。

表2 不同油嘴閥門(mén)特性下的模擬結(jié)果對(duì)比

由表2可以看出，若油嘴選用線(xiàn)性，則系統(tǒng)最高壓力已經(jīng)超過(guò)了10 200 kPa，而根據(jù)廠家閥門(mén)特性曲線(xiàn)輸入的自定義閥門(mén)特性得到的結(jié)果則明顯減小。由此可看出，關(guān)鍵閥門(mén)的閥門(mén)特性對(duì)于系統(tǒng)的安全也有很大影響。

在觸發(fā)關(guān)斷后，由于關(guān)斷閥和泄放閥的關(guān)閉和開(kāi)啟在實(shí)際生產(chǎn)中都需要時(shí)間，關(guān)鍵閥門(mén)的開(kāi)關(guān)閥時(shí)間對(duì)工藝安全系統(tǒng)可能產(chǎn)生較大影響。例如表3反映了油嘴的關(guān)閥時(shí)間對(duì)系統(tǒng)超壓的影響。

表3 油嘴不同關(guān)閥時(shí)間下的模擬結(jié)果對(duì)比

由表3可以看出，若油嘴關(guān)閥時(shí)間縮短，則系統(tǒng)最高壓力和最大泄放量均有明顯降低?？梢?jiàn)關(guān)鍵閥門(mén)的關(guān)閥時(shí)間對(duì)于系統(tǒng)的安全也有很大影響。

經(jīng)過(guò)對(duì)比分析可以找出影響系統(tǒng)安全性的關(guān)鍵閥門(mén)，可選擇調(diào)整關(guān)鍵閥門(mén)的特性以及開(kāi)關(guān)閥時(shí)間，在保證系統(tǒng)安全的基礎(chǔ)上指導(dǎo)選閥，盡量降低投資。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)建立HYSYS動(dòng)態(tài)模擬，分析了某井口平臺(tái)的超壓保護(hù)系統(tǒng)，降低泄壓負(fù)荷的可行性以及超壓保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)利用動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)對(duì)平臺(tái)關(guān)斷邏輯、關(guān)鍵閥門(mén)的閥門(mén)特性和開(kāi)關(guān)閥時(shí)間等對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的影響進(jìn)行了敏感性分析，從而為該井口平臺(tái)的設(shè)計(jì)提供更準(zhǔn)確的基礎(chǔ)參數(shù)和建議。

[1]孫曉東，劉培林，霍有利，等.邊際油田降低井口泄壓負(fù)荷的方法開(kāi)發(fā)及實(shí)踐[J].世界石油工業(yè)，2016（4）：263-268.

[2]API STD 521-2014，Pressure-relieving and Depressuring Systems[S].

[3]曹湘洪.石油化工流程模擬技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用[M].北京：中國(guó)石化出版社，2009：340-357.

[4]APISTD 526-2002，F(xiàn)langed SteelPressure Relief Valves[S].

Dynamic simulation for overpressure protection ofoffshore wellhead platform

DAILei，LIU Peilin，YU Zhi，CHEN Bin，LIYu
Offshore OilEngineering Limited Company-COOEC，Tianjin 300451，China

The pressure relief system of offshore wellhead platform usually adopts the full load relief design concept，which results in a huge relief system on platform.Existing literature using numerical analysis on the wellhead system proposes a method that can accept partial failure of wellhead system to reduce the relief load，and engineering application is obtained. Based on one recent project，HYSYS is used to set up dynamic model and conduct simulation，the results are analyzed. When the shut-down valve at subsea pipeline inlet is closed and one of four wells is failed to close，the instantaneous overpressure of the system reaches 9 340 kPa which is 1.1 times of the designed pressure of the system.The instantaneous relief rate of the relief valve exceeds 1.11× 106m3/d.But the checked maximum pressure bearable for pipeline and pipe fitting is 10 200 kPa，so the production safety is ensured.The sensitivities of the relief valve dimension，shut-down logic and valve characteristic are also analyzed.

offshore platform；pressure relief system；shut-down failed；dynamic simulation；reduce cost and raise efficiency

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.03.009

戴 磊（1985-），男，安徽舒城人，工程師，2007年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣儲(chǔ)運(yùn)專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)主要從事海洋平臺(tái)油氣處理、儲(chǔ)運(yùn)工藝方面的研究工作。Email：dailei@mail.cooec.com.cn

2017-02-13