馬 駿，陳啟明，鄭 武

(中海石油(中國)有限公司天津分公司遼東作業(yè)公司 天津 300457)

1 改造項目背景

海底管道通球作業(yè)是海上油田生產(chǎn)運行過程中的常規(guī)作業(yè)，其工作原理是將清管球按照要求放入發(fā)球筒內，利用管道流體壓力將清管球向下游推動。由于清管球具有一定的過盈量，可以推動攜帶管道內的結垢、存液、腐蝕產(chǎn)物等雜物前行，最終到達海管末端的收球筒，從而實現(xiàn)提高管段輸送目的、降低管道內腐蝕、保證管道清潔度等效果。海上某油田在進行注水海管收球作業(yè)時出現(xiàn)了泡沫清管球在收球筒中卡球破損現(xiàn)象，油田員工通過對卡球故障過程和設備內部結構進行分析研究，查找出了卡球原因并提出了具備可行性的改造方案，徹底解決了清管球在收球筒內卡堵的問題。

2 收球筒卡球故障

2.1 清管球卡球狀況

注水海管通球卡球位置出現(xiàn)在收球筒出液口的三通處，且球體出現(xiàn)了嚴重的變形、破損情況，如圖1、2所示。

圖1 通球前的清管球外觀Fig.1 Appearance of pigging ball before passing

2.2 收球筒出液口卡球隱患

①由于出液口被清管球卡堵容易造成海管憋壓，如果超過海管的極限壓力，可能會造成海管爆 裂，后果嚴重[1]。

圖2 通球后的清管球外觀Fig.2 Appearance of pigging ball after passing

②球體卡球堵塞，高壓信號傳輸至上游發(fā)球端的油田致使上游油田生產(chǎn)系統(tǒng)關停。

③破損的清管球體有可能進入下游設備，堵塞其他設備的進出口管線，給油田的生產(chǎn)帶來安全隱患。

④卡堵的球體不易取出，給現(xiàn)場人員增加了額外的工作量和維修成本。海底管道處于水面以下，一旦管道因通球卡堵出現(xiàn)破損等故障，解卡維修復產(chǎn)將會產(chǎn)生巨額費用。

3 收球筒卡球原因分析

本油田注水海管設計內徑尺寸為8in(203.2mm)海底管線，清管球收球筒尾端的設計管徑為12in (304.8mm)，清管球收球筒選用臥式結構，球筒相對于水平面有一個約5°的傾角，以便于接收拆卸檢 測球。

出現(xiàn)清管球卡堵的原因主要有設備設計缺陷、管內介質成分存在較多雜質、清管球材質尺寸選擇不佳、人為操作失誤等。本次通球過程中接收端過球指示器正常起跳，現(xiàn)場壓力變化曲線也基本符合清管球進入收球筒的變化規(guī)律，可以判斷清管球已經(jīng)到達收球筒，但卡滯在收球筒內的某個位置。經(jīng)現(xiàn)場作業(yè)員工拆卸解卡發(fā)現(xiàn)球體卡堵在收球筒出液口三通處。清管球由注水海管直線進入到收球筒的過程中，由于管徑變大，清管球會在收球筒內出現(xiàn)傾斜。當清管球運行至收球筒出液口處時，由于流體的運行方向產(chǎn)生變化，對清管球球筒會產(chǎn)生一個側向力，促使清管球隨流體向下游方向運行，從而卡堵在出液口的三通 處[2]。球體運行示意圖如圖3所示。

圖3 清管球運行軌跡示意圖Fig.3 Diagram of pigging ball moving trajectory

根據(jù)通球作業(yè)過程中的海管壓力變化曲線如圖4，泡沫球由上游發(fā)出時壓力出現(xiàn)波動(圖中①標)，由3100kPa下降至2900kPa，發(fā)出后清管球在海管中運行時海管壓力比較平穩(wěn)。當清管球進入到收球筒后，2只過球指示器全部起跳，接收時壓力呈階梯形大幅波動(圖中②標)，首先由3100kPa瞬間上升至4600kPa，后下降至4000kPa，一段時間后再次下降至3500kPa。分析原因為清管球傾斜卡堵在出液口處，造成海管流通量降低，導致壓力瞬間上漲，高壓對泡沫清管球形成擠壓力導致球體堵住出液口，又由于持續(xù)的壓力作用導致泡沫球體變形，最終在出 液口三通處破損，減少了清管球對三通位置的堵塞 影響。

圖4 收球壓力變化曲線圖Fig.4 Pressure curve

現(xiàn)場人員考慮，當清管球經(jīng)過旁通時，如果旁通尺寸太大或管內介質流速太低，則可能導致球體停滯于三通處。經(jīng)過資料查詢和現(xiàn)場設備確認，收球筒出液口三通尺寸為6in(152.4mm)，小于注水海管的內徑尺寸，該設計尺寸不會造成清管球卡堵。注水海管在通球時的運行壓力約為3000kPa，平穩(wěn)運行時發(fā)球端和收球端的運行壓差約100kPa，介質壓頭處于較高且連續(xù)平穩(wěn)的狀態(tài)，不會因為介質流速原因造成清管球卡滯。如果出液口三通處沒有加設攔球格柵，也可能會造成球體卡到三通處。經(jīng)現(xiàn)場開蓋檢查，注水海管收球筒加設了2條清管球的攔球格柵，但攔球格柵底部距離清管球筒頂端的管壁存在約2cm的高度差，形成了一個類似坑狀的空間，如圖5所示?，F(xiàn)場分析正是由于2cm高度差的存在，給清管球的運動軌跡變向提供了更大的轉向空間，當清管球受到不同方向外力的作用時更容易向低壓端的三通下游偏移，再由于介質擠壓導致泡沫球嚴重變形，最終卡滯在2塊格柵之間，造成球體破損。

圖5 收球筒攔球格柵圖 Fig.5 Ball catching grille

根據(jù)球筒的布局結構進行了整體綜合分析，確認卡球的根本原因如下：清管球到達收球筒后延慣性作用繼續(xù)向球筒尾端直線運行，由于收球筒為便于接收取球設計為尾端傾斜向下與水平呈5°夾角的狀態(tài)，傾斜向下的收球筒易在球筒尾端聚集液體，清管球進入球筒后對球筒尾端液體產(chǎn)生擠壓壓縮，使收球筒尾端形成高壓，球筒尾端的高壓通過球體和球筒之間的間隙沿球筒來液方向反向釋放，從而給進入球筒的清管球一個傾斜的反向作用力；再由于本次采用的清管球為泡沫清管球，呈現(xiàn)為子彈頭的形狀，而清管球的頭部為半圓形狀，更容易受到其他方向力(非水平力)的影響而改變運行方向，使清管球整體向低壓端轉向，最終在收球筒出液口處變向、卡球；又由于攔球格柵底部距離清管球筒頂端的管壁存在約2cm的高度差，形成了一個坑狀空間，為清管球的運動軌跡變向提供了更大的轉向空間，加上攔球格柵的阻力作用，最終導致泡沫球變形、破損。

4 收球筒工藝流程優(yōu)化方案

根據(jù)清管球卡球的原因，在不更改球筒規(guī)格、降低改造工作量且確保設備安全、可靠的前提下[3]，現(xiàn)場人員設想在收球筒出液口的攔球格柵處再增添一條格柵填充收球筒處攔球格柵與管壁之間的高度差，以減少清管球的轉向空間。同時在新增格柵的來球方向增加與收球筒管壁貼合的水平擋板，進一步保證球體不會向三通下游運轉，可以更有效地避免球體進入三通孔內，起到保護清管球的作用，避免清管球被垂直的格柵劃損的風險。其設計改進如圖6所示。

圖6 收球筒攔球格柵改造設計圖Fig.6 Design drawing of ball catching grille

現(xiàn)場作業(yè)人員根據(jù)設計思路對注水海管收球筒進行改造施工，其難點為當水平擋板與球筒管壁貼合較近時會嚴重影響流體在收球筒出液口三通處的流動；當水平擋板與球筒管壁貼合較遠時可能會對清管球形成水平方向的阻礙，高壓作用下可能會直接切割損壞球體。經(jīng)過數(shù)次調整新增攔球格柵的尺寸和結構，最終將原水平攔球格柵改進為迎來球方向的扇形結構，并與收球筒上管壁呈平行狀態(tài)，如圖7所示。 2處原設計中的攔球格柵中間增設一條新格柵，并四角焊接固定，保證其牢靠性。新增格柵底部的水平扇形格擋與球筒管壁設置1cm的間隙來保證流體的順利流通。新增設擋板整體占用空間較小，基本上不會影響注水的流通量。由于收球筒尾端管徑為12in，清管球尺寸約為8in，1cm的高度差不會影響清管球在球筒中的直線運行，球體可以順利通過到達球筒尾端，保證了通球作業(yè)的順利完成。

圖7 收球筒攔球格柵實物圖Fig.7 Physical diagram of ball catching grille

5 結論與建議

①注水海管收球筒工藝流程優(yōu)化改造后接受上游通球7次，均未出現(xiàn)清管球卡堵、球體破損情況，清管球可以順利進入收球筒到達尾端，收球時海管運行壓力波動明顯減小，未再出現(xiàn)階梯型壓力變化曲線情況。綜合現(xiàn)場通球效果和數(shù)據(jù)參數(shù)比對，證明了收球筒工藝流程優(yōu)化改造方案的成功，從根本上解決了收球筒出液口的卡球故障問題，保證了海管的安全穩(wěn)定運行。

②此改造項目施工難度和成本較低，減少了因收球筒卡球造成的海管停運損失和操作人員的額外 工作量，且易推廣，可以為今后解決類似問題提供 借鑒。

③收球筒工藝流程優(yōu)化方案中需要根據(jù)油田設備的設計參數(shù)和尺寸進行多次實物的現(xiàn)場調整，設計新增格柵的尺寸時應充分考慮通球過程中清管球的運行軌跡、速度和海管的輸送量，新增裝置不得影響海管原有的設計要求。

④現(xiàn)場作業(yè)人員在通球過程中必須嚴格執(zhí)行海管通球操作規(guī)程，選擇無損壞、過盈量合格的清管球，在通球過程中必須準確監(jiān)測管線進出口裝置的壓力、溫度和流量，遇到異?，F(xiàn)象及時進行溝通，快速解決通球過程中出現(xiàn)的問題；同時要對海管通球作業(yè)風險分析及應急方案進行完善升級[4]，以適應現(xiàn)場實際生產(chǎn)動態(tài)。

⑤海底管線清管作業(yè)施工難度和風險較高，管道管徑變化、管件復雜結構和內部介質沉積物都可能是造成通球卡堵的主要原因。在進行清管作業(yè)前要做好充分的調研，并針對管道系統(tǒng)特點和運行條件充分分析存在的風險，進行通球可行性論證，制定風險預防措施，以保證通球清管作業(yè)的可操作性和安全 性[5]，在出現(xiàn)問題故障時能夠及時排查原因、確認和維修復產(chǎn)。