曹浩明，張振鵬，張東鋒,羅 彭,韓 宇

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

1 前言

對(duì)于輸送單一液相的管道來說，當(dāng)管路系統(tǒng)內(nèi)閥門關(guān)閉、停泵及啟泵時(shí)均會(huì)出現(xiàn)流量波動(dòng)，產(chǎn)生水擊。當(dāng)水擊發(fā)生時(shí)，會(huì)導(dǎo)致水擊壓力疊加在管道穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的正常操作壓力上，從而造成管路沿線流體輸送不穩(wěn)定。如果水擊壓力在管道系統(tǒng)最大允許操作壓力范圍內(nèi)，水擊壓力波傳遞不會(huì)對(duì)管道系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成影響；如果水擊產(chǎn)生最大水擊壓力超出系統(tǒng)最大允許操作壓力，則有可能使系統(tǒng)管線發(fā)生破裂，為避免這種情況發(fā)生，就必須對(duì)管道系統(tǒng)采取有效控制和保護(hù)措施。

注水系統(tǒng)是海上油田注水開發(fā)過程中重要的生產(chǎn)工藝系統(tǒng)，需要將生產(chǎn)水或經(jīng)過處理的海水注入地層以維持油藏壓力，系統(tǒng)操作壓力一般都比較高，整個(gè)系統(tǒng)一般包括高壓注水泵、調(diào)節(jié)閥、關(guān)斷閥、平臺(tái)工藝管線以及海底輸水管道等，為確保管道系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，在做注水系統(tǒng)前期方案設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)做水擊動(dòng)態(tài)模擬分析是很有必要的，以確保系統(tǒng)內(nèi)所有管路的設(shè)計(jì)壓力都能夠承受水擊壓力，或通過采取相應(yīng)的水擊保護(hù)措施，使水擊壓力能夠控制在合理范圍內(nèi)。對(duì)此，文章根據(jù)某海上新開發(fā)油田的注水系統(tǒng)前期設(shè)計(jì)方案，應(yīng)用PIPENET軟件建立了數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行了整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)水擊分析，為注水系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)。

2 動(dòng)態(tài)水擊模擬案例分析

2.1 某海上油田注水系統(tǒng)流程(如圖1)簡(jiǎn)述

某海上油田平均作業(yè)水深為31 m～47 m，平均空氣溫度為32.3 ℃，平均海水溫度為26 ℃。新建井口平臺(tái)采用注水開發(fā)模式，最大注水量為7 200 m3/d，整個(gè)油田的注水系統(tǒng)主要由已建綜合處理平臺(tái)新增注水增壓模塊，10寸9.8 km注水海底管道以及新建井口平臺(tái)的注水分配管匯組成；該注水系統(tǒng)由上游綜合處理平臺(tái)的兩臺(tái)高壓注水泵、注水管匯、注水海底管道以及下游的8口高壓注水井組成，上游綜合處理平臺(tái)的注水通過注水高壓泵增壓后經(jīng)10寸9.8 km注水海底管道輸送至下游井口平臺(tái)，經(jīng)過井口平臺(tái)的注水分配管匯分配后，注水分別注入至8口注水井內(nèi)，每個(gè)注水井井口都有一個(gè)關(guān)斷閥。

圖1 注水系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow chart of water injection system

2.2 動(dòng)態(tài)模擬分析

2.2.1 模型輸入及假設(shè)

該注水系統(tǒng)的最大注水量為7 200 m3/d，新建平臺(tái)注水井需要注水壓力為1.85×107Pa，注水泵入口壓力為7.7×106Pa，注水海底管道入口的高高壓力關(guān)斷設(shè)定值為2.17×107Pa，海底管道入口壓力泄放閥設(shè)定點(diǎn)為2.30×107Pa，注水系統(tǒng)工藝管線設(shè)計(jì)壓力為2.56×107Pa；注水海底管道材質(zhì)為復(fù)合金屬軟管，設(shè)計(jì)壓力為2.95×107Pa，軟管粗糙度為1.016 mm，彈性模量為2.18×109Pa；下游注水井4寸關(guān)斷閥的關(guān)斷時(shí)間假設(shè)為5 s，其最大流通能力按272 m3/h,在前期方案設(shè)計(jì)階段從廠家獲取注水泵性能曲線如圖2所示，泵的關(guān)停時(shí)間按10 s考慮。

圖2 注水泵性能曲線Fig.2 Performance curve of water injection pump

2.2.2 模型建立

根據(jù)該油田的注水系統(tǒng)流程、管線及設(shè)備物理參數(shù)，用PIPENET軟件建立了數(shù)學(xué)模型(如圖2)，包括注水系統(tǒng)上游兩臺(tái)注水泵，泵出口流量控制閥，注水管道入口的壓力泄放閥，管道上下游的手動(dòng)關(guān)斷閥，新建平臺(tái)的注水分配管匯，注水井井口的關(guān)斷閥。

2.2.3 模擬及結(jié)果分析

根據(jù)該油田注水系統(tǒng)在實(shí)際操作過程可能會(huì)出現(xiàn)關(guān)閥、停泵以及啟泵等工況，進(jìn)行如下多種工況模擬分析如圖3。

圖3 注水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型Fig.3 Mathematical model of water injection system

(1)對(duì)于新建平臺(tái)的8口注水井，當(dāng)其中一個(gè)關(guān)斷閥關(guān)閉或多個(gè)關(guān)斷閥同時(shí)關(guān)閉時(shí)都會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成水擊影響。當(dāng)其中一個(gè)關(guān)斷閥關(guān)斷時(shí)，閥門對(duì)整個(gè)管道系統(tǒng)流體的阻礙作用是非常有限的，被阻礙的流體會(huì)分配至其它注水井；當(dāng)隨著關(guān)閉閥門數(shù)量的增加，多個(gè)閥門關(guān)閉后對(duì)流體的阻礙作用將會(huì)變得越加明顯，被阻礙的流體進(jìn)一步壓縮將分配至閥門未關(guān)閉的注水井，管路的操作壓力隨著閥門關(guān)閉數(shù)量的增加呈上升趨勢(shì)；當(dāng)下游所有閥門都同時(shí)關(guān)閉時(shí)，管道系統(tǒng)內(nèi)的流體流動(dòng)完全被阻礙，管路出現(xiàn)非常明顯的水擊增壓波，如果這種情況下注水泵沒能夠及時(shí)停止工作，注水泵會(huì)將流體仍然輸送至管道系統(tǒng)內(nèi)，對(duì)管道系統(tǒng)產(chǎn)生額外的充裝壓力，當(dāng)泵的輸出壓力達(dá)到關(guān)泵壓力時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)將會(huì)出現(xiàn)最大水擊壓力。根據(jù)模擬結(jié)果可以看出，當(dāng)下游注水井的7個(gè)關(guān)斷閥同時(shí)關(guān)閉時(shí)，注水管道入口的最大壓力為2.078×107Pa，關(guān)斷閥處的最大壓力為1.901×107Pa；當(dāng)所有注水井關(guān)斷閥同時(shí)關(guān)斷時(shí)，管道系統(tǒng)上下游會(huì)出現(xiàn)最大水擊壓力分別為2.925×107Pa和2.911×107Pa，計(jì)算結(jié)果見圖4和圖5。

圖4 不同管道位置的壓力隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖Fig.4 Pressure trend chart of different pipeline positions with time

圖5 不同管道位置的壓力隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖Fig.5 Pressure trend chart of different pipeline positions with time

(2)在實(shí)際生產(chǎn)操作過程中，當(dāng)下游所有井口的關(guān)斷閥關(guān)閉時(shí)，而注水泵沒能及時(shí)停泵的工況需要避免掉，因?yàn)楫?dāng)泵持續(xù)在關(guān)泵壓力下運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)對(duì)泵的葉輪和電機(jī)造成損害，對(duì)正常生產(chǎn)操作造成影響；另外如果按照不停泵時(shí)動(dòng)態(tài)水擊分析結(jié)果進(jìn)行注水系統(tǒng)管道的設(shè)計(jì)，會(huì)使管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力提高，相應(yīng)提高工程投資。為此，在注水系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)中，考慮了停泵的邏輯控制；當(dāng)下游注水井所有閥門同時(shí)關(guān)閉時(shí)，注水管道入口壓力達(dá)到高高壓關(guān)泵壓力(2.17×107Pa)時(shí)觸發(fā)注水泵停泵。在此工況下，當(dāng)注水井所有關(guān)斷閥同時(shí)關(guān)閉時(shí)，關(guān)斷閥處和管道入口均出現(xiàn)明顯的水擊增壓波，在管道入口壓力達(dá)到2.17×107Pa時(shí)會(huì)觸發(fā)注水泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)，在停泵過程中，由于泵葉輪的慣性力仍然會(huì)對(duì)管道系統(tǒng)產(chǎn)生充裝壓力，同時(shí)停泵過程中泵出口產(chǎn)生的減壓波與下游閥門關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生的增壓波疊加碰撞，水擊壓力波會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸消耗掉。整個(gè)過程中，管道入口的最大水擊壓力為2.442×107Pa，下游關(guān)斷閥處的最大水擊壓力為2.422×107Pa，計(jì)算結(jié)果見圖6。

圖6 不同管道位置的壓力隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖Fig.6 Pressure trend chart of different pipeline positions with time

(3)應(yīng)用儀表信號(hào)對(duì)注水泵進(jìn)行邏輯停泵操作時(shí)，也存在控制失效的可能性，也就是說注水泵會(huì)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)泵壓力而造成泵損壞或使管道操作壓力超過其最大允許工作壓力而破壞，為此在注水管道入口處設(shè)置了壓力泄放閥，提供水擊泄放保護(hù)。當(dāng)下游所有閥門關(guān)閉時(shí)，注水泵始終保持運(yùn)行，在注水管道入口壓力升高至泄壓閥設(shè)定值2.30×107Pa時(shí)，泄壓閥逐漸被打開，管道系統(tǒng)內(nèi)的壓力波通過泄壓閥釋放出來，整個(gè)管道系統(tǒng)會(huì)維持在一個(gè)新的壓力平衡狀態(tài)。如圖7，通過泄壓閥泄放水擊壓力時(shí)，管道入口最大的壓力為2.439×107Pa，井口關(guān)斷閥處的最大壓力為2.43×107Pa，壓力波被完全泄放后，管道系統(tǒng)恢復(fù)至另一個(gè)壓力平衡時(shí)的壓力為2.40×107Pa。

圖7 不同管道位置的壓力隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖Fig.7 Pressure trend chart of different pipeline positions with time

(4)在注水泵啟動(dòng)時(shí)，往往由于泵出口流量的突然增加，管路系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)非常明顯的壓力上升趨勢(shì)，啟泵壓力持續(xù)時(shí)間較短一般不會(huì)對(duì)管道造成影響，在壓力達(dá)到一個(gè)峰值后會(huì)很快恢復(fù)至管道的正常操作壓力。如圖8，注水泵在啟動(dòng)前的壓力保持在1.85×107Pa，當(dāng)注水泵啟動(dòng)后，管道入口的壓力很快達(dá)到峰值壓力2.20×107Pa，隨后便很快恢復(fù)至管道正常操作壓力2.04×107Pa。

圖8 不同管道位置的壓力隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖Fig.8 Pressure trend chart of different pipeline positions with time

圖9 不同管道位置的壓力隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖Fig.9 Pressure trend chart of different pipeline positions with time

(5)當(dāng)泵突然停止時(shí)，由于泵出口流量的突然減小，提供給泵下游管道的能量減少而產(chǎn)生減壓波，一般減壓波有可能使正常操作壓力過低管段的壓力降低至液體飽和蒸汽壓，發(fā)生氣液分離，導(dǎo)致管道失穩(wěn)變形。在注水泵突然停泵后，管道入口壓力突然從正常操作壓力2.04×107Pa下降至1.65×107Pa，隨后升高反復(fù)震蕩，直到系統(tǒng)壓力最后恢復(fù)至和下游壓力保持一致。

3 結(jié)語

對(duì)單相液管線開展動(dòng)態(tài)水擊分析，目前已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，通過仿真模擬能夠真實(shí)再顯泵、閥門關(guān)閉時(shí)，系統(tǒng)管路不同位置、不同時(shí)間的水擊波傳遞情況及水擊壓力大小。通過模擬不同工況下的動(dòng)態(tài)水擊，可以計(jì)算出不同工況下的最大水擊壓力，對(duì)系統(tǒng)管線設(shè)計(jì)壓力的最終確定，對(duì)管道系統(tǒng)采用何種水擊保護(hù)措施的提供了依據(jù)。在進(jìn)行動(dòng)態(tài)水擊模擬過程中，往往也受到部分輸入數(shù)據(jù)的限制，如泵、閥門的性能曲線及關(guān)閥時(shí)間等，在前期設(shè)計(jì)階段一般很難確定下來，需要通過咨詢廠家獲取到相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)于缺失數(shù)據(jù)可以進(jìn)行合理的假設(shè)，待下一設(shè)計(jì)階段有詳細(xì)完善的輸入數(shù)據(jù)時(shí)，可以開展更為詳盡的動(dòng)態(tài)模擬分析。