基于LedaFlow的深水海管蠟沉積模擬分析

王雪媛 陳文峰 鞠朋朋 王 東 李曉涵

海洋石油工程股份有限公司, 天津 300451

0 前言

深水油田環境溫度低,回接距離長,對海底混輸管道輸送提出了更為嚴格的要求[1-2]。深水油田產出油及其伴生氣經過井筒、海管、立管后,被輸送到海洋平臺生產處理裝置。由于深水環境的變化,海管內的結蠟問題是一直困擾油氣生產的一項技術難題。深海海管的環境溫度很低,當管道中的原油溫度降低至析蠟溫度以下時,就有蠟析出,并附著在管壁上[3-4]。累計析蠟質量分數達1%～2%時,蠟晶便可在原油中形成膠凝結構,將原油束縛在其中[5-7]。管壁結蠟造成管道流通面積變小,流動阻力變大,從而導致產能降低,嚴重時甚至停產。尤其在深海采油過程中,降溫作用明顯,結蠟的危害更加嚴重[8]。采用新型多相流瞬態模擬軟件LedaFlow模擬典型年份蠟沉積厚度、蠟沉積速率等數據,分析蠟沉積規律,為下一步除蠟和清管等操作提供建議。

1 蠟沉積機理及軟件模擬介紹

國內外學者對單相流蠟沉積的研究較多,對影響蠟沉積的因素及蠟沉積的機理有較好的了解,并建立了預測蠟沉積的模型,且精度較為準確[9]。然而對于多相流蠟沉積的研究還處于起步階段,并且由于多相流流動的復雜特性,對多相流蠟沉積機理的研究存在較大困難[10]。國內外學者對多相流蠟沉積模擬開發了一系列軟件,通過實際生產數據和實驗數據與模擬計算結果的對比,進一步校正軟件的精確度。迄今為止，國內外學者通過一系列實驗研究提出了分子擴散、剪切彌散、布朗擴散、重力沉降四種沉積機理,普遍認為分子擴散是蠟沉積的主要機理,剪切彌散在低溫和低熱流的條件下起主要作用[11-13]。近年來,國內外學者還相繼提出了“剪切剝離”和“老化”的概念,對于蠟沉積機理的認識更加深入[14]。

LedaFlow軟件是先進的瞬態多相流模擬軟件,能夠模擬多相流油氣水在管道、油氣井以及設備中的流動狀態,是基于流體動力學機理模擬的瞬態模擬工具。LedaFlow軟件采用機理模型,計算精度高，一共有16個守恒方程，其中9個質量守恒方程,3個動量守恒方程,3個能量方程,1個體積守恒方程。LedaFlow內核所使用的新技術使多相流模擬精度得到顯著提高,核心計算模型可以分別求解三相(油、氣、水)的質量、動量、能量的守恒方程。運用LedaFlow軟件進行多相流模擬能夠獲得較高的精度和準確性,優化油氣生產系統設計,實現安全高效生產,特別是在長輸管網和深海油氣田開發應用尤為廣泛。

質量守恒方程:

(1)

式中:k代表不同的場,從1到n,u為場的平均速度,m/s;t為時間,s;x為沿管道沿線坐標;αk為場的體積分數;ρk為場的密度,kg/m3;Γext為凈外部質量源;Γki為場k從其他場中獲得的凈質量流量[15],kg/s。

動量守恒方程:

∑Fki-Fkw+∑Γkextukext

(2)

式中:pk為場k內部的壓力,Pa;θ為管道傾角;Fki為場k與場i的界面動量源;Fkw為壁面摩擦;k為場k內部摩擦;Γkiuki為由于質量傳遞場k從場i收到的凈動量交換,kg·m/s;uki為場k與場i之間界面的平均速度,m/s;ukext為外部質量進入或離開場k的速度,m/s。

能量守恒方程:

(3)

體積守恒方程:

∑αk=1

(4)

LedaFlow軟件支持結蠟的生成與溶解動力學計算,并且可以在油相和管壁上計算蠟的生成[17]。蠟模塊的主要功能包括:計算蠟安全區間,檢測何處及何時存在結蠟風險;計算蠟形成速度和析出量;預測蠟在管道中的沉積厚度與長度;考慮蠟生成、溶解和沉積過程;確定清蠟周期確保生產安全;蠟的預防和解決方案。

常用的多相流瞬態模擬軟件OLGA蠟沉積模型包括RRR、HEATANALOGY和MATZAIN三種模型[18-19]。LedaFlow軟件采用與OLGA軟件不同的蠟沉積模型計算[15],基于2008年密歇根大學Lee H S[20]的論文Computation and rheological study of wax deposition and gelation in subsea pipelines,但以工程關聯的形式進行了簡化。

2 模擬基礎

南海某油田水深420 m,海底海域水溫約8 ℃。采用水下生產系統和浮式生產儲油裝置(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)開發模式,水下生產系統共8口生產井,采用2條環狀長23.1 km的海管進行開發。海管管徑273.1 mm,壁厚19.1 mm,內壁粗糙度0.05 mm。目標油田原油含蠟量分布見表1。

表1 目標油田原油含蠟量分布表

原油析蠟點為25.2 ℃,析蠟高峰點位17.5 ℃,蠟含量7.98%,海管不做保溫處理,正常運行時管道內流體溫度為7.9～112.5 ℃,因此在油氣集輸過程中蠟會沉積在海管內壁。該油田設計工作年限為20年,選擇投產前4年和2028年典型年份,作為案例模擬蠟沉積規律。

3 海管蠟沉積規律模擬分析

利用LedaFlow建立海管蠟沉積預算模型,見圖1。

圖1 LedaFlow建立海管模型圖Fig.1 Subsea pipeline model based on LedaFlow software

2020年該油田采用單海管運行,模擬投產90 d中5 d、10 d、15 d、30 d、60 d、90 d時海管沿程蠟沉積厚度變化曲線見圖2；蠟沉積90 d后海管沿程壓力和溫度變化曲線見圖3。

圖2 2020年不同運行時間下海管沿程的蠟沉積厚度圖Fig.2 Thickness of wax deposition under differentoperating time in 2020

圖3 2020年蠟沉積90 d后海管溫度和管內流體溫度變化曲線圖Fig.3 Temperature change of pipeline and fluid after waxdeposition 90 days in 2020

由圖2可看出,在距離水下管匯約5.06 km處,蠟開始析出并附著在管壁上,在7～15 km范圍內蠟沉積厚度最大,在約7.64 km處蠟沉積厚度達到峰值,在 17.75 d 時達到最大蠟沉積厚度2 mm,90 d時蠟沉積厚度達6.574 mm。由圖3可知,在距離水下管匯5.06 km處,管壁溫度開始低于析蠟點25.2 ℃時蠟析出,在 7.64 km 處,流體溫度開始低于高峰析蠟點17.5 ℃,此區域是蠟析出的主要區域,對應于圖2的蠟沉積厚度峰值。當流體溫度和管壁溫度趨于一致時,約在16 km處,盡管此時溫度低于析蠟點,但原油中的蠟沉積的速度和厚度都變小,即使有蠟析出,析出的蠟也會被流體帶出管外,不會沉積在管道內壁。2020年運行40 d后管道沿程蠟質量分數見圖4,部分流質蠟隨流體往前推移,蠟含量逐漸增大。表2給出了LedaFlow軟件計算的不同年份不同天數下管內蠟沉積的厚度，不同年份海管出口位置的蠟沉積質量見圖5。

圖4 2020年蠟沉積40 d后海管沿程蠟質量分數圖Fig.4 Mass fraction of wax after wax deposition 40 days in 2020

表2 不同時間段下海管中蠟沉積的厚度

圖5 不同年份蠟沉積90 d時海管出口位置的蠟沉積質量圖Fig.5 Wax deposition mass at subsea pipeline outlet with 90 daysin different year

從表2和圖5可以看出，隨著生產年限增加,油田含水率升高,油量減少,蠟沉積速度和沉積質量都顯著降低,蠟沉積質量隨時間勻速增加;蠟沉積在管道內壁會引起管道壓降增大,管匯處壓力增加,各生產年份不同,蠟沉積厚度的峰值位置也不同,隨著年份的增加,析蠟初始點和高峰點位置逐漸遠離水下管匯,導致流體溫度和油流量都不盡相同。投產前2年需特別注意蠟的快速沉積。表3給出了典型年份LedaFlow軟件模擬蠟沉積從0開始至2 mm所需時間,2022年蠟沉積2 mm時長已超過90 d。

表3 不同年份蠟沉積2 mm所需時間對比表

管道內壁上沉積的蠟需要及時清除,因為在長時間的運行過程中海管中容易出現蠟塊的風險。通常情況下,總體管線沿程的最大蠟沉積厚度為2 mm,如果達到2 mm,則應進行清管以刮除蠟。但是2 mm只是通常的參考值,實際清管頻率應根據實際操作條件確定。

綜上,2020年海管中的蠟從0沉積到2 mm大約需要17.75 d的時間。如果蠟沉積到2 mm的時間超過90 d,建議清管時間不超過90 d,以確保輸油管線的安全運行。但根據已往經驗,在生產初期,尤其是前幾次清管操作,清管期應為1周或者更短。該操作的目的是評估蠟沉積的速率并指導后期的清管間隔。最終清管期應根據實際操作條件確定,例如油流量、壓降、流體溫度、油參數、環境條件和FPSO的蠟塞處理等情況。

4 結論

由目標油田的LedaFlow軟件模擬蠟沉積可以得出以下結論。

1)2020年在距離水下管匯約7.5 km處蠟沉積厚度達到峰值,在17.75 d時達到最大蠟沉積厚度2 mm。

2)從管壁溫度和流體溫度的溫差變化可以看出當流體溫度達到高峰析蠟點的位置蠟沉積厚度也達到峰值。

3)隨著運行年限的增加,蠟沉積厚度和沉積速率都會下降,在2022年沉積2 mm時長已超過90 d?？筛鶕灣练e的速度選擇清管的周期,但根據已往經驗,在生產初期,尤其是前幾次清管操作,清管期應為1周或者更短,如果蠟沉積到2 mm的時間超過90 d,建議清管時間不超過90 d,以確保輸油管線的安全運行。