海底管道在线清管监测系统的研发与应用

程 涛，朱梦影， 金 秋， 薄 昭，王越淇，孔令雷

(1 中海石油(中国)有限公司天津分公司蓬勃作业公司，天津 300459；2 中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 塘沽 300459)

在海底管道运行中，清管是一项风险较大但又必不可少的作业[1-2]。清管作业不仅可以清除管道内积砂、结蜡等，提高管道输送效率，而且可以清除管壁附着的垢片等沉积物等[3]，减小细菌存在条件，减小管道腐蚀，保障海底管道的完整性，尤其在日趋严格的管道完整性管理下[4]，清管频次越来越高。但是目前渤海地区海底管道清管作业中清管器位置监测和清管时间计算均是基于稳态的经验手动计算，其操作精度低、误差大，不能实时显示清管器速度、时间、位置，特别是对于流量变化的管道，误差更大。

清管作业必须掌握清管器的运行情况,以便于控制清管器的运行速度,及时发现和处理各种问题[1]。如果速度控制不当，可能会造成清管器破裂等情况，且一旦出现卡住状态不知道大体卡球位置。调研了目标油田后发现其注水管线清管作业，为保证清管时产生的脏水不污染注水井，都会在清管作业时关闭下游平台注水井，造成注水损失，从而影响产量。输气管线清管作业时停止供气，造成燃气透平需要在此期间切换柴油，增加操作费。若能在准确的位置和时间接收清管器并及时排污,即可减少注水损失挽回产量、降低操作费以及减轻平台人员的工作量[1]。

1 在线清管监测系统的研发

1.1 技术路线

为了及时了解清管器的运行情况，以便于控制清管器的运行速度,及时发现和处理各种问题[1]，同时配合调整清管策略，减少注水损失挽回产量损失、降低操作费以及减轻人员的工作量等，研发一种海底管道清管作业动态监测系统，可以实现以下功能:

(1)实时显示清管器运行速度，协助提高清管作业效果[5]。

(2)实时显示清管器到下游的时间，为下游做好收球准备工作提供指导基础，提高海上人员利用率。

(3)实时显示清管器在海管中的实时位置，准确和直观的显示，及时发现卡球等状况。

(4)协助优化清管控制策略，对于注水海管精确了解和控制清管器对下游的时间，减少停注时间，挽回产量损失。对于输气海管精确了解和控制清管器对下游的时间，减少切换柴油用量，降低操作费。

设计一款智能便捷、适用于海上平台DCS系统、一键式操作显示的在线清管动态监测系统，可实时显示清管器位置和到达下游的时间，具有可视化和提醒功能，实现清管作业在线实时监测，为清管作业中管道上下游平台之间配合和联动提供参考依据。

具体技术路线如图1所示。

图1 技术路线Fig.1 Technical route

1.2 清管动态监测系统设计

1.2.1 建立计算模型

利用瞬时积分原理创建不同类型海管计算模型，数据现场实时抓取，用积分法计算运行距离，通过以下模型计算出各类海管中清管球运行实时速度、实时到达下游平台剩余时间以及实时距下游平台距离。

(1)注水管道

对于注水海管，其实时速度、距下游平台实时距离以及清管作业剩余时间分别可由下列模型表示。

(1)

(2)

(3)

式中，Qliq为注水海管输量，m3/h；d为注水海管内径，m；vliq清管器运行速度；Lsum为注水海管总长度，m；Lr注水海管清管作业剩余长度，m；Tr为注水海管清管作业剩余时间，h。

(2)天然气管道

对于天然气海管，其实时速度、距下游平台实时距离以及清管作业剩余时间分别可由下列模型表示。

(4)

(5)

(6)

(7)

式中，Ps为天然气海管上游压力，kPa；Pt为天然气海管下游压力，kPa；Paver为天然气海管计算压力，kPa；Qg为天然气海管输量，Nm3/h；T为计算温度，K；d为注水海管内径，m；vgas清管器运行速度；Lsum为天然气海管总长度，m；Lr天然气海管清管作业剩余长度，m；Tr为海管清管作业剩余时间，h。

(3)混输管道

对于混输海管，其实时速度、距下游平台实时距离以及清管作业剩余时间分别可由下列模型表示。

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

式中，Ps为天然气海管上游压力，kPa；Pt为天然气海管下游压力，kPa；Paver为天然气海管计算压力，kPa；Qg为天然气海管输量，Nm3/h；Qliq为液相输量m3/h，T为计算温度，K；d为注水海管内径，m；vmix清管器运行速度；Lsum为混输海管总长度，m；Lr为海管清管作业剩余长度，m；Tr为海管清管作业剩余时间，h。

1.2.2 逻辑主体设计

在上述计算模型的基础上，根据现场需求和实际情况设计海底管道清管作业动态监测系统，实现以下功能。

(1)实时显示清管器运行速度、剩余距离、剩余时间；

(2)实时显示清管器在海管中的实时位置，准确和直观的显示，及时发现卡球等状况；

(3)清管器到之前10 min提醒，现场做好收球准备。

海底管道清管作业动态监测系统逻辑框图如图2所示。

图2 海底管道清管作业动态监测系统逻辑框图Fig.2 Logic block diagram of dynamic monitoring system for subsea pipeline pigging operation

1.2.3 界面设计

该系统镶嵌至DCS系统中，设计友好的人机界面，图3注水海管清管界面。

根据实际情况做相应调整，可以实现以下功能:

(1)在上述计算模型的基础上，汇总现场需求和实际情况，设计该海底管道清管作业动态监测系统逻辑。该系统镶嵌至平台中控DCS系统中，设计友好的人机界面。

(2)可以直观实时显示清管器速度、预计到达时间、距下游平台位置信息。

(3)封装清管器运行计算环节，操作时一键操作即可进行计算，整个环节方便快捷。

(4)设置速度系数输入框，根据实际情况调整减少偏差率。

(5)利用现场各类变送器，提高数据精度。

图3 注水管线清管动态监测系统可视化界面Fig.3 Visual interface of pigging dynamic monitoring system for water injection pipelin

1.2.4 标准模块化程序建立

根据设计的逻辑框图和计算模型，在现场DCS系统内建立标准模块化程序，可以方便不同设施之间修改和下装。在模块化计算程序中，数据计算比如指示剩余时间、剩余距离、清管器达到前10分钟提醒、到达指示等都是全部由内部计算块完成，利用纠错以及后续修改公式。压力等数据在不同设施数据通信，提高计算精度。

2 调整和效果

目标油田平台负责该油田17条海管的收发球作业。该油田注水管线清管作业时，为了防止脏水进入注水井而造成水井污染，需一直关闭下游注水井，从而造成注水损失从而影响产量损失。手动算法无法准确计算动态的流量，清管作业时清管器到达下游时间预计误差大，而且无法直观显示清管器在海管中位置。为了控制清管器的运行速度,及时发现和处理各种问题，同时配合调整清管策略，减少注水损失挽回产量损失、减少操作费以及减轻人员工作量等[1]，研发海底管道清管作业动态监测系统。

2.1 注水海管清管动态监测系统应用情况

对该油田7条注水管道实际运行情况进行统计分析，系统刚开始投用时系统偏差率在±12%之间，通过5个批次的清管作业优化和调整，目前注水海管清管监测计算总时间与实际时间误差优化至±3%(2 min)之内。

主要采取以下手段降低偏差率：①公式优化，使用DCS内部计算模块替换原设计的循坏模块；②优化速度系数，根据每条海管中清管器类型和磨损情况调整速度系数。

图4 不同注水海管清管作业偏差率统计Fig.4 Statistics of deviation rate of pigging operation of different water injection subsea pipelines

2.2 输气海管清管动态监测系统应用情况

对该目标油田2条天然气管道实际运行情况进行统计分析，系统刚开始投用时系统偏差率高达18%之间，经过调试，目前清管时间偏差优化至±10%(5 min)。

其偏差存在的主要问题有以下2点：①由于天然气管道无实时显示流量计，流量显示靠用户使用量反算，误差较大；②上游由于段塞流等原因，天然气压力周期性波动[6]。

图5 不同输气海管清管作业偏差率统计Fig.5 Statistics of deviation rate of pigging operation of different gas transmission subsea pipelines

2.3 混输海管清管动态监测系统应用情况

对该目标油田8条混输管道实际运行情况进行统计分析，系统刚开始投用时系统偏差率±15%，通过5个批次的清管作业优化和调整，目前混输海管清管监测计算总时间与实际时间误差优化至±5%(5 min)之内。

调整时采取用以下手段降低偏差率：①精准输量，采用前一天测试的平台产量作为输量；②获取上下游压力、温度参数，精准获得计算参数；③根据每条海管上一次实际运行时间调整速度系数，目前每条海管速度系数从0.85～0.94不等。

图6 不同混输海管清管作业偏差率统计Fig.6 Statistics of deviation rate of pigging operation of different mixed transportation offshore pipelines

2.4 经济社会效益

通过对目标油田清管作业应用实践，注水海管清管监测计算时间偏差在±3%、天然气海管偏差在10%、混输海管偏差在±5%。

清管作业油田损失注水量从4000方/次降低至1000方/次，天然气清管节省燃气消耗1.3万方/次；清管器到达前10 min要求下游平台做好收球准备，平均每条海管清管作业节省1 h，可节省人力成本600人工时/年。目前海管完整性管理日趋严格，清管频次日趋频繁，且该系统是封装计算程序，可以直接嵌套至平台DCS系统中，运行流畅稳定，标准模块化的设计方便拓展，后续推广应用前景广阔。

3 结 论

(1)实现清管动态监测和可视化系统来辅助清管作业，实时显示清管作业时清管器速度、时间、位置，降低了工作量和工作难度，提高了工作效率和准确性。

(2)海底管道清管作业动态监测系统的研发优化形成包括计算模型、运行界面、DCS系统标准模块化程序在内的成果，该系统已在目标油田顺利实施，具有可推广性。

(3)面对清管作业日趋严格和频繁，此海底管道清管作业动态监测系统封装清管器运行计算环节，可在海上平台DCS中稳定流畅运行，后续推广应用前景广阔。