深水流动保障理论分析

深水油气开发流动保障体系分析摘 要：深水油气开发流动保障技术是指在各种环境条件下，在整个油气田开发期内，将烃类流体经济安全地开采出来并输送至处理设施的技术措施，主要是利用流体物性和输送系统的热动力特性，制定系统运行操作策略，控制管道中的水合物、蜡、沥青质、水垢等固相的沉积，防止流动通道的堵塞。本文首先调研深水油气分布及油气藏、流体特征，总结深水油气开发流动特征，深入分析深水油气开发的油气水砂分离技术、海上注水及污水处理技术、天然气水合物、蜡、沥青质等的预防技术、海底技术以及主动加热技术等深水流动保障技术现状。最后，结合国内外深水流动的物理模拟系统，初步设计了深水油气开发流动保障体系物理模拟系统，为深入研究深水油气开发基本规律做出一定的探索。关键词：深水保障体系；深水油气流动特征；物理模拟系统设计The Flow Assurance System Analysis of Deepwater Oil and Gas Development Abstract: Deepwater flow assurance technology is a technical measure that exploiting hydrocarbon fluids safely and economicly under various environmental conditions in the whole period of oil and gas development. Mainly using fluid properties and the thermodynamic properties of distribution systems, running the operation strategy, to control the deposition of pipe hydrate wax, asphaltene and other solid phase, in order to prevent clogging the flow channel.The core of flow assurance technology is the prevention and control of the deposition of the solid phase .Firstly, this article researches the distribution and fluid characteristics of deepwater reservoir, summarizing the oil and gas flow characteristics of deepwater development, in-depth analysis of the development of deepwater oil gas sands water separation technology, sea water and wastewater treatment technologies, the prevention technology of waxes, asphaltenes, gas hydrates and others, subsea technology and active heating technology of deepwater flow assurance technology status.Finally,combined with the deepwater flow physical simulation system at home and abroad,the physics simulation system of deepwater oil and gas development has been designed preliminarily, making the certain exploration,in order to making a further research of the basic law in deepwater oil and gas development.Keywords : deepwater assurance system; flow characteristics of deepwater oil and gas; the design of physical simulation system I目 录1 绪 论 .11.1 本文的研究目的及意义 .11.2 国外流动保障技术发展现状 .11.2.1 模拟技术 .11.2.2 防止管道堵塞技术 .21.3 国内流动保障技术发展现状 .41.3.1 水合物控制 .41.3.2 结蜡控制 .41.3.3 海底天然气、凝析液管道清管技术 .51.4 本文的研究内容 .62 深水油气开发及流动理论 .72.1 深水油气分布和开发现状 .72.1.1 国外发展现状 .72.1.2 国内发展现状 .92.2 深水油气分布特点 .132.3 深水油气开发特征 .132.3.1 深水油气开发环境特征及基本井身结构 .132.3.2 深水油气举升方法及流动过程 .183 深水保障体系技术现状 .233.1 深水流动保障技术概况 .233.1.1 流动保障的主要环节和目标 .233.1.2 油气流动行为的控制 .233.1.3 流动保障的控制策略 .243.2 深水海底管道安全保障技术 .243.2.1 我国海底管道现状 .243.2.2 海底管道安全保障技术 .253.3 海底油气水砂分离技术现状 .273.3.1 海底油气水分离技术现状 .28II3.3.2 油气水砂多相分离的新方法 .313.4 海上油田注水及污水处理技术现状 .363.4.1 注水水源及水质处理 .373.4.2 注水引起的地层损害 .393.4.3 海上油田污水处理技术 .423.5 主动加热技术在深水油气管线流动保障中的应用 .453.5.1 深水油气开发面临的挑战 .463.5.2 油气管线主动加热系统 .463.5.3 油气管线主动加热技术在深水流动保障中的适用性 .473.5.4 油气管线主动加热系统设计的关键 .473.6 深水油气管线天然气水合物生成条件预测方法及应用 .493.6.1 深水管线的温度及压力预测 .493.6.2 天然气水合物生成条件预测方法 .513.6.3 应用举例 .523.7 油井结蜡与清防蜡技术分析 .563.7.1 蜡沉积物的组成 .563.7.2 结蜡机理 .563.7.3 油井清防蜡技术 .563.8 沥青沉积机理及预防 .573.8.1 沥青沉积的微观产状 .573.8.2 沥青沉积机理 .583.8.3 沥青质沉积的预防和清除 .604 深水保障理论研究 .624.1 海洋深水试验池 .624.1.1 挪威 MARINTEK 海洋深水试验池 .624.1.2 荷兰 MARIN 海洋工程水池 .634.1.3 美国 OTRC 海洋工程水池 .634.1.4 巴西 Lab Oceano 海洋工程水池 .644.1.5 日本国家海事研究所海洋工程水池 .654.1.6 我国首座海洋深水试验池 .65III4.2 关于模拟深水油气水混输系统的装置 .674.2.1 该装置的研究内容： .674.2.2 该装置在深水模拟实验中的具体实施方式 .685 深水流动保障体系物理模拟系统设计 .705.1 体系构建目标 .705.2 体系基本构成及功能 .705.2.1 总体设计及系统组成 .705.2.2 深水环境模拟装置主要功能用途 .715.2.3 体系关键技术解决方案 .726 结 论 .75参考文献 .77致 谢 .82西安石油大学本科毕业设计（论文）11 绪 论1.1 本文的研究目的及意义流动保障技术是指在各种环境条件下，在整个油气田开发期内，将烃类流体经济安全地开采出来并输送至处理设施的技术措施，主要是利用流体物性和输送系统的热动力特性，制定系统运行操作策略，控制管道中的水合物、蜡、沥青质、水垢等固相的沉积，防止流动通道的堵塞。流动保障技术的核心在于预防和控制固相的沉积。流动保障是海洋油气开发尤其是深海油气开发中的一个关键问题，它直接影响工程的经济性和安全性。流动保障技术所涉及的关键问题有多相泵输问题、海底多相分离问题、水合物堵塞问题、结蜡问题、立管的油气段塞问题、砂砾对泵的磨蚀问题、停输再启动问题等，发展目标是安全、可靠的实施稠油开采和多相输送。随着国内大型油码头的大规模建设和深海油气田的大规模开发，海底热油管道的安全输送越来越重要。因此，研究学习国内外深水油气田开发的流动保障技术现状，分析对比其优缺点，整理相关技术资料，对国内关于流动保障技术研究的发展都至关重要，意义重大。1.2 国外流动保障技术发展现状流动保障一词最早由 Deepstar 合作组织(由多个石油生产及服务公司组成)于1992 年提出，其背景是墨西哥湾深海油田在生产中遇到严峻的技术挑战。流动保障的原意是“在各种环境条件下，在整个油田开发期内，将石油经济地开采出来并输送至处理设施” ，也就是在整个生产期间，要对各种运行条件下的生产风险进行评估和管理，确保油气生产安全，顺利地进行开发它是深海和超深海油田经济性开发面临的重要课题 1。流动保障具有重大的经济意义，因为用于恢复深海油田油井生产的抢修费用往往高达数百万美元，而大多数深海油井都具有非常大的产能，因油井事故性停产造成的经济损失往往要超过抢修费用。管道流动保障工作需要重点解决水合物和蜡在管内沉积堵塞的问题。对此，国外相关行业做了大量的研究工作，形成了一些切实有效的技术。1.2.1 模拟技术模拟技术是指利用模拟软件对流体流动过程进行水力和热力分析，为生产系统提供可靠的运行方案，模拟技术是有利于确定保证管道流动安全的措施 2。在工程设计阶段，利用模拟技术可预测潜在的流动问题，确定可行的管理方案；在工程投产初期，利用模拟技术可进行系统检查，采取适合的预防管道堵塞的措施；在运行过程中，利用模拟技术可掌握流动状态，评估生产方案的有效性，确定防止固体沉积的措施。模拟过程中可根据油井测试数据和油井产物特性数据，利用三次状态方程分析流体的压力、体积和温度变化。根据模拟输出数据，可以了解流体流动情况。西安石油大学本科毕业设计（论文）2如果流体特性随时间变化，就需要重新预测流动情况。模拟多相流动时，因为缺乏现场和试验室的蜡沉积速率数据，需要经常重新预测流动情况。根据输出数据，可以确定析蜡点和水合物形成区，这样就可以设法避免管道在此范围内工作，从而预防管道堵塞。如果模拟显示原油在管道内一定距离处可能发生凝结，就必须在设计时制定预防管道堵塞的计划。1.2.2 防止管道堵塞技术(1) 保温技术 保温技术用于防止水合物和蜡引起的管道堵塞。如果原油中的蜡组分与低温物体接触，就会析出并凝结在管壁上，严重时会堵塞管道。采用保温层、电加热(伴热)系统或热流体等技术，可以保持管道的蓄热量。为保持管道的蓄热量，可利用合成材料对管道进行保温。这是一种较通用的方法，但对于深水管道，会遇到一定的问题。采用保温层，通常不能预防管道停输期间的堵塞；相反，如果管道发生堵塞，保温层反而会阻碍流体流动的恢复，还会影响对保温管道堵塞位置的确定。保持管道蓄热量的另一种技术是在管内壁设置涂层来防止热量散失。Tenmar 测试了一种新的陶瓷涂层，这种涂层的保温性能比传统保温层高 23 倍，且不会阻碍流动。通过向管道传输热量，能够预防长输管道运行或停输期间发生冷凝。保温层或管中管用于包覆热源，并作为隔热介质保持产生的热量。热感应方法是通过电缆连接管道，使管道内的流体保持较高温度，即使在管道停输期间其温度也高于水合物形成的温度和析蜡点 3。电加热方式还可用于预防固体沉积，但随着管输距离的增加，采用热感应方法供热能量会减少，而产热费用和电力费用会增加。（2） 注入化学剂技术通过注入化学剂改变蜡晶和水合物的聚集特性或热动力边界，可防止蜡析出堵塞管道。一般是注入生长抑制剂或能够引起放热反应的化学剂。注入化学剂通常是在主平台上进行。新的方法是采用小型浮动设施注入化学剂。因为有很多因素不能确切知道，如油井产出物的组成变化、一定条件下化学反应的完全程度以及管长的影响等，所以作业中往往在控制注入剂量上较为保守。因此，作业前必须掌握大量的油井产出物的特性数据，以保证采用这种方法的经济性。热动力抑制剂能够降低形成水合物和蜡分子的活化能。如果以不发生事故为前提，可以允许流体的温度较低，但是所用抑制剂(如乙二醇和乙醇)的量较大。热动力抑制剂通过抑制晶核生成来防止水合物的形成，使用热动力抑制剂要注意避免蜡和沥青质的凝结。ExxonMobil4对一条长 45 km、管径 200mm 的输气管道使用甲醇来防止水合物的形成，费用为每 1107m3 天然气 97.5 美元；若使用热动力抑制剂，每 1107m3 天然气仅需花费 17.5 美元。另一种方法是利用放热反应熔化蜡晶和水合物。Petrobras 使西安石油大学本科毕业设计（论文）3用氮生成系统在 Campos 盆地收到很好的防止凝结效果。这些化学剂的效能决定了使用频率，由于反应的不确定性，操作人员必须在搞清流体组成及特性的基础上，控制好加剂量，以满足防止堵塞和降低费用的双重要求。（3） 清管技术将常规的清管技术用于深海管道，风险大且费用高。目前采用的清管新技术性能好且经济。新清管技术包括凝胶技术、变径清管器技术和海底清管器发送器技术 4。凝胶技术是对管壁上的沉积层进行化学处理，由泡沫清管器推动凝胶，使凝胶旋转，在凝胶的中部出现空间，此空间用来输送残余沉积物。凝胶清管技术需要进行严格的操作，例如必须准确地计算出混合比，以防止凝胶残余物的聚集。变径清管器可适用于不同直径的管道。因为发送清管器的管道管径比主管道小，所以使用变径清管器可节省安装费用和管材费用。（4） 流动恢复技术流动恢复技术包括确定堵塞位置和消除堵塞。管道堵塞是系统功能整体失效的结果。通常防止堵塞的措施可能没有预料的那样有效，因为水力参数值与理论计算值之间往往存在偏差。必须将管道当作一个系统，制定流体流动恢复计划。如果不考虑管道堵塞这种突发情况，就会使堵塞位置的确定和堵塞的消除变得非常困难，延误流动的恢复，增加流动恢复的费用。应变测量仪和放射线照相技术对介质厚度有敏感性，因此可用来对堵塞物进行穿透识别，但这些方法不适于识别管中的流动状况。如果早在油田开发设计期间就考虑、研究了系统的解决方案，就可以保证流体流动恢复费用最低和停输时间最短。确定管道堵塞位置需要查明水合物或蜡晶的聚集位置，这项工作要求操作本身对管道无侵蚀性。在确定了堵塞位置后，根据堵塞物大小及堵塞物距管道起点的距离就可选定消除堵塞的方法。热感应法和物理迁移法都是常用的方法。正确恢复流体流动的措施，还取决于对管道布置和流体特性的了解。传统方法是通过检测流体压力和体积变化来确定堵塞位置，但它只适用于较短的管道。深海油田开发通常需要铺设长距离管道，在这种情况下采用传统的方法很难确定堵塞位置。新的确定堵塞位置的技术包括应变测量仪技术、放射线照相技术和声波技术。操作人员可沿管道分段放置定位仪器，也可用遥控操作潜水器(ROV)布置定位仪器，这种方法将应变测量仪与光纤技术结合使用。Subsea Offshore 已经成功地用装有应变测量仪的 ROV 对管径 200mm 的海底管道确定堵塞位置。应变测量仪是一种有效的检测装置，它能够精确定位管道不能承受增压引起的应变的区域，且不受水深限制，但它受限于涂层，不能确定具有坚实的低密度保温层的管道或管中管式管道中的堵塞位置 5。光纤应变定位装置则必须用于整个管道的检测，可将其装入保温层中或管中管之间，或直接装入管道内，其传感器能够在管道任何位置测量温度和压力。放射线照相技术使用微波和 射线对堵塞物实施定位和观察。沿西安石油大学本科毕业设计（论文）4管道移动的 ROV 装有发送和接收装置，如果在管内运行通畅，则能在管道末端接收到射线。当射线遇到堵塞时，接收器接收到的射线就会减少，堵塞物越致密，能穿过堵塞物的射线就越少。ICITracerco 可对 200mm 管道进行堵塞定位。放射线照相技术能够有效地对带保温层的管道进行堵塞定位，但不能用于管中管。微波技术目前仍处在开发设计阶段。声波技术利用声波对堵塞进行定位。Argonne 国家实验室认为，采用声波技术能够对堵塞进行定位并确定距堵塞的距离。尽管这项技术目前处在开发阶段，但已被证明可以用来确定管内结垢。对于海底管道，建议用装有反射器和接收器的 ROV 来确定管道的堵塞位置。在确定了管道堵塞位置后，应采取措施消除堵塞，但目前可用的方法较少。热感应法利用热流体或电流加热并溶解堵塞物。如果预先没有计划使用此方法，可使用装有专用仪器的 ROV 对管道供热。海底管道服务公司(SPS)试验了一种装有加热器的 ROV，但它不适用于管中管结构。物理消除法用某种工具或缠绕管消除堵塞，或将堵塞管段更换上新管段。这两种方法需要很多方面的技术支持。缠绕管是消除管道进口附近堵塞物的常用工具，由于摩擦和螺旋效应，其作业距离受到限制。Ambarh 和 SPS 已经引进了能够延伸缠绕管作业距离的技术 5。Ambarh 引进了一项叫做 StarTac 的技术，它用推进器和射流工具，使缠绕管克服摩擦作用的影响。采用这项技术已经成功地消除了 10.5km 长的管道内的积蜡。 SPS 使用清管器来牵引缠绕管，这种牵引方式起到了拉伸作用，克服了螺旋和摩擦作用的影响。目前，如果堵塞物超出消除工具的工作能力范围，可行的方法只能是割掉堵塞管段，换上新管段。1.3 国内流动保障技术发展现状深海油气田的海水温度低，管中静水压力很高，经常遇到水合物、蜡的生成和堵塞问题。过冷和更高的压力对我国海底管道的流动保障技术，即水合物和蜡沉积预测与控制技术，提出了更高的要求。1.3.1 水合物控制控制气体水合物的方法有保温、加热、使用水合物抑制剂和机械清管法。目前普遍采用的抑制方法是注入热力学抑制剂，例如甲醇、乙二醇等。近年来，水合物动力学抑制剂的开发和应用发展很快，它具有注入浓度低、用量少、节约投资和运行费用等优点，并已在北海、墨西哥湾等深海混输管道上得到应用，效果良好。为保证管道安全运行，对即将投产的天然气管道必须做好清管和干燥工作。平湖-上海输气管道是我国首次采用干燥剂+凝胶的方法干燥大型输气管道。对于已经运行的天然气管道可以通过反复多次清管，以保证清管质量。此外，在生产运行过程中，尤其在冬季大输量、高压输送时，必须定期检测管道沿线的水露点，充分发挥SCADA 系统作用，对沿线压力和输量变化做实时和趋势分析。西安石油大学本科毕业设计（论文）51.3.2 结蜡控制结蜡控制主要采用保温、加热、注入试剂、热化学除蜡及机械清管等四种方法。保温、加热采用保温层、电加热(伴热)系统或热流体等技术，保持管道的蓄热量。热感应方法是通过电缆连接管道,使管道内的流体保持较高温度，即使在管道停输期间其温度也高于析蜡点。注入试剂法通过注入化学剂(溶解剂、分散剂、结晶改良剂)改变蜡晶和水合物的聚集特性或热动力边界，可防止蜡析出。热动力