曾樹(shù)兵，穆家華,張?zhí)K飛，刁兆斌

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

化學(xué)藥劑作為油氣田開(kāi)發(fā)必不可少的化學(xué)物質(zhì)廣泛應(yīng)用于各個(gè)海域的油氣田開(kāi)發(fā)?；瘜W(xué)藥劑添加到生產(chǎn)流體及用于置換的海水等介質(zhì)中，以提高分離設(shè)備的處理效率，保護(hù)設(shè)備和管線，并延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命[1-3]。

隨著無(wú)人平臺(tái)及智能化油田建設(shè)示范項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)， “簡(jiǎn)化平臺(tái)配置和減少人員操作頻率”成為無(wú)人平臺(tái)設(shè)計(jì)和建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，同時(shí)伴隨著無(wú)人平臺(tái)對(duì)“少物、無(wú)人”理念的深入，作為人員操作頻次和勞動(dòng)強(qiáng)度較大的傳統(tǒng)化學(xué)藥劑供應(yīng)方式越來(lái)越不能滿足無(wú)人平臺(tái)的設(shè)計(jì)要求。

文章從海域環(huán)境、人員勞動(dòng)強(qiáng)度以及中海油集團(tuán)公司對(duì)無(wú)人平臺(tái)“無(wú)人、少物”等方面總結(jié)出無(wú)人平臺(tái)傳統(tǒng)化學(xué)藥劑供應(yīng)方式的缺點(diǎn)，并結(jié)合臍帶纜在水下系統(tǒng)應(yīng)用的成功經(jīng)驗(yàn)，提出一種依托附近中心平臺(tái)的全新化學(xué)藥劑供應(yīng)模式。為后續(xù)海洋石油無(wú)人平臺(tái)化學(xué)藥劑注入提供一種新思路。

1 傳統(tǒng)海上無(wú)人平臺(tái)化學(xué)藥劑供應(yīng)方式簡(jiǎn)介

1.1 組成及描述

目前海上無(wú)人平臺(tái)化學(xué)藥劑注入系統(tǒng)主要由化學(xué)藥劑儲(chǔ)罐和化學(xué)藥劑泵組成，即在無(wú)人平臺(tái)上設(shè)置固定或者移動(dòng)式藥劑儲(chǔ)罐，通過(guò)配置化學(xué)藥劑供應(yīng)泵，對(duì)平臺(tái)生產(chǎn)流體或者置換流體進(jìn)行單泵對(duì)單點(diǎn)或者單泵對(duì)多點(diǎn)的藥劑注入。化學(xué)藥劑系統(tǒng)主要由藥劑儲(chǔ)罐、化學(xué)藥劑供應(yīng)泵、注入管線及閥門(mén)等組成，成撬布置在平臺(tái)甲板上，具體流程見(jiàn)圖1。

圖1 傳統(tǒng)藥劑注入工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of traditioal reagent injection

海上油氣田使用的化學(xué)藥劑通常在陸地配置好并裝桶，供應(yīng)船定期把桶裝的化學(xué)藥劑運(yùn)送至平臺(tái)，由平臺(tái)吊機(jī)把桶裝的化學(xué)藥劑吊裝到平臺(tái)堆放區(qū)，再加入化學(xué)藥劑罐中，補(bǔ)充消耗。

1.2 存在的問(wèn)題

化學(xué)藥劑作為海洋石油平臺(tái)主要消耗品，消耗量大。采用傳統(tǒng)化學(xué)藥劑供應(yīng)方式，每個(gè)生產(chǎn)自持周期都需為無(wú)人平臺(tái)補(bǔ)充化學(xué)藥劑?；瘜W(xué)藥劑供應(yīng)需要進(jìn)行人工干預(yù)，人員需要頻繁前往無(wú)人平臺(tái)進(jìn)行藥劑補(bǔ)充、化學(xué)藥劑供應(yīng)泵的維護(hù)及維修等工作。藥劑補(bǔ)充和藥劑泵維修耗時(shí)長(zhǎng)，勞動(dòng)強(qiáng)度大。另外，無(wú)人平臺(tái)不設(shè)置居住設(shè)施，人員需當(dāng)天返回陸地，需要?jiǎng)佑弥鄙w機(jī)和船舶穿梭，操作費(fèi)用高。

對(duì)于南海海域的復(fù)雜情況，尤其季風(fēng)天氣不可控因素較多，化學(xué)藥劑罐的吊裝作業(yè)和船舶等待時(shí)間較長(zhǎng)，增加了吊裝作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也不滿足無(wú)人平臺(tái)“無(wú)人、少物”的原則要求。

2 新型海上無(wú)人平臺(tái)化學(xué)藥劑供應(yīng)方式

2.1 臍帶纜概述

臍帶纜作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分在淺水、深水和超深水油氣開(kāi)發(fā)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[4]。國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)水下臍帶纜進(jìn)行大量研究，分別體現(xiàn)在構(gòu)型、力學(xué)性能及安裝等方面。如鄭利軍等[5]從構(gòu)型選型設(shè)計(jì)方面對(duì)臍帶纜進(jìn)行了研究，張克超等[6]從力學(xué)性能方面進(jìn)行研究，梁輝等[7]從臍帶纜鋪設(shè)方面遇到問(wèn)題和考慮因素研究，李博等[8]對(duì)臍帶纜內(nèi)液壓管線的選型進(jìn)行研究。

近年來(lái)隨著臍帶纜在水下系統(tǒng)的成熟應(yīng)用和關(guān)鍵設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化，使得臍帶纜成本大幅度降低，為臍帶纜的廣泛使用提供成本優(yōu)勢(shì)。依托附近中心平臺(tái)，采用臍帶纜作為輸送化學(xué)藥劑媒介，為無(wú)人平臺(tái)提供化學(xué)藥劑供應(yīng)的新工藝將會(huì)有很大應(yīng)用空間。

2.2 新型化學(xué)藥劑供應(yīng)流程的組成及描述

以南海某無(wú)人平臺(tái)WHPA為例，共需注入殺菌劑、破乳劑、防腐劑和防垢劑四種藥劑。具體流程是將無(wú)人平臺(tái)WHPA需求的四種化學(xué)藥劑的儲(chǔ)罐、化學(xué)藥劑注入泵、管線及閥門(mén)等設(shè)置在附近有人平臺(tái)CEP上。殺菌劑、破乳劑、防腐劑和防垢劑分別采用泵增壓后送入注入管線，四種藥劑注入管線與電力電纜和通訊電纜統(tǒng)一集成到臍帶纜中，通過(guò)臍帶纜輸送到下游無(wú)人平臺(tái)WHPA。在無(wú)人平臺(tái)通過(guò)藥劑轉(zhuǎn)接頭及分配TUBING管、閥，對(duì)藥劑進(jìn)行分配及注入生產(chǎn)物流或者置換物流。

3 臍帶纜選擇計(jì)算實(shí)例

以南海某無(wú)人平臺(tái)WHPA為例，對(duì)依托附近中心平臺(tái)CEP采用臍帶纜輸送方式進(jìn)行化學(xué)藥劑供應(yīng)進(jìn)行研究，從設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、壓降計(jì)算、管徑選擇等方面進(jìn)行分析，最終選擇出合適的藥劑管線尺寸和臍帶纜形式。

化學(xué)藥劑管線尺寸主要影響臍帶纜的截面尺寸和化學(xué)藥劑供應(yīng)泵的排壓。從設(shè)計(jì)基礎(chǔ)入手，通過(guò)水力學(xué)計(jì)算藥劑輸送管線的流速和壓降，對(duì)臍帶纜內(nèi)化學(xué)藥劑管線尺寸進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)下游背壓的需求和化學(xué)藥劑管線的壓降，確定設(shè)置在有人平臺(tái)化學(xué)藥劑泵的排壓和化學(xué)藥劑管線的壓力等級(jí)。

3.1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

南海某油田無(wú)人平臺(tái)WHPA需要注入的四種藥劑分別為：防腐劑、批處理劑、殺菌劑和防垢劑。藥劑的性質(zhì)、注入濃度及注入量見(jiàn)表1。

表1 化學(xué)藥劑性質(zhì)Tab.1 Properties of chemical agent

3.2 管徑比選

單相液體管道管徑的計(jì)算主要考慮流速和壓降， 根據(jù)API 14E中推薦的液體管道尺寸確定準(zhǔn)則[9]，流速和壓降的計(jì)算公式如下：

式中：Δp——每1 000 ft長(zhǎng)度壓降，lb/in2;VL——液體流速，ft/s；QL——液體流量，bbl/d；di——管道內(nèi)徑，in；f——莫氏摩擦系數(shù)；SL——液體相對(duì)密度；ρL——液體密度，lb/ft3；ρw——水密度，lb/ft3。

此無(wú)人井口平臺(tái)WHPA距離附近中心平臺(tái)CEP的距離約為14 km，根據(jù)流速和壓降公式計(jì)算，并轉(zhuǎn)換為國(guó)際單位后，防腐劑、批處理劑、殺菌劑和防垢劑的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2和表3。

表2 1/2″tubing in UMB計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of 1/2″ tubing in UMB

表3 3/4″tubing in UMB計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of 3/4″ tubing in UMB

根據(jù)表2計(jì)算結(jié)果可知，化學(xué)藥劑管線都采用1/2″ 的規(guī)格，四種藥劑在管線內(nèi)的流速均小于1 m/s，故管線的尺寸計(jì)算流速不作為決定因素。四種藥劑管線的計(jì)算壓降均較大，尤其對(duì)于殺菌劑而言，如采用1/2″的尺寸規(guī)格，輸送壓降高達(dá)54 146 kPa。

根據(jù)表3計(jì)算結(jié)果可知，如化學(xué)藥劑管線都采用3/4″的規(guī)格，四種藥劑管線的計(jì)算壓降都較小，對(duì)于殺菌劑而言，采用3/4″的尺寸規(guī)格，輸送壓降由原來(lái)的54 146 kPa降低至10 696 kPa。

綜合考慮四種藥劑在輸送過(guò)程中的流速、壓降、臍帶纜整體尺寸及化學(xué)藥劑泵排壓，防腐劑、批處理劑、防垢劑輸送管線尺寸選擇1/2″，殺菌劑輸送管線選擇3/4″。

3.3 臍帶纜選擇

根據(jù)上述計(jì)算尺寸，防腐劑的管線入口需要壓力最高，為21 231 kPaG，參考中海油集團(tuán)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QH/S 3042-2014中設(shè)計(jì)壓力的選取原則[10]，化學(xué)藥劑管線設(shè)計(jì)壓力按照最大操作壓力的1.1倍考慮，為23 354 kPaG，按照設(shè)計(jì)壓力選擇化學(xué)藥劑管線等級(jí)為5 000 psi。同時(shí)為了滿足后期生產(chǎn)的需求，四種藥劑管線均采用同一壓力等級(jí)，即5 000 psi。

為防止某種藥劑注入管線在生產(chǎn)使用過(guò)程中出現(xiàn)故障或后期需注入新的藥劑，在現(xiàn)有四條注入管線的基礎(chǔ)上，考慮備用一條化學(xué)藥劑供應(yīng)管線，備用管線的尺寸為1/2″，壓力等級(jí)為5 000 psi。

臍帶纜不僅擔(dān)負(fù)著化學(xué)藥劑的輸送，同時(shí)還負(fù)責(zé)無(wú)人井口平臺(tái)WHPA的供電和通訊，故此臍帶纜除了集成了防腐劑、批處理劑、殺菌劑、防垢劑和備用藥劑管線外，同時(shí)還集成了供電電纜和通訊光纖(不在文章討論范圍)。具體結(jié)果見(jiàn)表4臍帶纜功能配置表和圖3臍帶纜截面圖。

表4 臍帶纜功能配置Tab.4 Umbilical function configuration

圖3 臍帶纜截面圖及參數(shù)表Fig.3 Umbilical section and parameter table

4 結(jié)論

1)為了解決海洋石油無(wú)人井口平臺(tái)藥劑補(bǔ)充和化學(xué)藥劑泵維修耗時(shí)長(zhǎng)，人員勞動(dòng)強(qiáng)度大和貫徹中海油集團(tuán)公司對(duì)無(wú)人平臺(tái)配置“無(wú)人、少物”的要求，文章提出了一種依托附近有人中心平臺(tái)，并通過(guò)臍帶纜實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人平臺(tái)化學(xué)藥劑供應(yīng)的新工藝。

2)以南海某無(wú)人井口平臺(tái)為例，根據(jù)此無(wú)人平臺(tái)注入的防腐劑、批處理劑、殺菌劑和防垢劑基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算得出臍帶纜中化學(xué)藥劑輸送管線配置的尺寸規(guī)格及壓力等級(jí)，同時(shí)結(jié)合供電電纜和通訊光纖的內(nèi)容，最終給出臍帶纜的選型，為后續(xù)其他無(wú)人平臺(tái)開(kāi)發(fā)化學(xué)藥劑供應(yīng)提供了新方法。