南海深水海管试压的快速判定方法

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；2.中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300452)

摘要：由于南海夏季海水表层与海底温差较大，管内的试压介质需与海底环境完成热量交换才可以进入规范要求的保压状态，而对于保温管道的稳压则需要更长的时间，对海上管道安装造成了很大影响。文中结合南海某油田新建管道的试压工程实例，给出了一种新的快速试压验收方法，成功解决了稳压过程中管内外海水热量交换对试压过程的干扰，明显缩短了试压时间。对于深水工程尤其基于水下设施开发的海底管道试压有借鉴意义，对工程成本的控制更显著。

关键词：海管试压；热交换；双层保温管；压降曲线

0 引言

国内对深海领域石油的开采力度加大，尤其是最近几年对南海石油的勘探与开采，在南海海域铺设的海管量越来越大。南海油气田由于水深基本在100 m以上，为了保证输油安全，避免漏油，基本上都采用双层管(pipe-in-pipe)即管中管的结构，两层海管之间填充保温岩棉，以此来降低在深海低温环境下油气长距离输送过程中的油气温度损失率，避免发生凝析，保证油气在管道中的流动性。

这样的海管设计在降低长输油气的温度损失方面起到了很好的作用，但由于南海海管的铺设水深基本都在100 m以上，清管试压用的海水都是从海面表层取得的，海表水与海底水会有一定的温差，一般是海表水比海底水温度高，并随季节而变化。南海部分水域水温统计表见表1、表2。注入海管的试压水在海底会与外界发生热量交换，温度逐步下降到与外界温度一致，导致压力随着一起下降。按照DNV-OS-F101规范要求，海管试压通过的要求是：在24 h内，海管中的压力变化不超出试验压力的±0.2%。由于双层管的良好保温性会使海管内的水温与海底水温的热交换过程很慢，往往需要10天左右的时间，这将使整个项目成本明显增加。

文中探讨一种快速的海管试压判定新方法，可节约费用，有很高的推广价值。

表1 南海乐东油田海域(水深范围93～106 m) 海水月平均温度统计值 ℃

月份表层底层月份表层底层124223972922032229223828619532372219286211425822010275249527921611266259629121712255249

表2 南海陆丰油田海域(水深范围132～146 m) 海水月平均温度统计值 ℃

月份表层底层月份表层底层122018572941892225187828918432362099283187424519610271219526418111250229628218112236201

1 试压方法介绍

海管试压时，试压水被封闭在固定的容器内，体积是固定的。而海表水比海底水温度要高，通过增压泵打到海底后会与外界发生热交换，试压水温度逐步降低到与外界一致。压强也会随温度的下降而下降，呈正相关关系。文中研究的目的是找到密闭容器中液体压强随温度和时间的变化关系，做出“压强-温度”、“温度-时间”的变化曲线，进而推导出“压强-时间”的理论变化曲线，与实际测量到的变化曲线进行对比，如曲线基本吻合，没有奇异点，则证明该密闭容器没有泄漏。

1.1 保温海底管道温降的工艺模拟

1.1.1 “压强-温度”变化关系

在海底管道的水压试验过程中,温度对压强的影响可按公式(1)[1]计算:

p= +C

(1)

式中：p为 温度变化1.0 ℃时压强产生的变化，bar(1 bar=0.1 MPa);C为水的可压缩型因子；B为水的体积膨胀系数；A为钢(管材)的体积膨胀系数，A=1.116×10-5;t为管道的壁厚，m；y为钢的泊松比，y=0.3;E为钢的弹性模量,E=2.07×106 bar;OD为海管外径。

1.1.2 温度-时间”变化关系

海管内海水温度随时间变化情况可根据公式(2)[2]进行预测：

(2)

式中：Tt为停输t小时后管内介质温度，℃；Te为管道外界的环境温度，℃；Ts为开始停输时管内介质温度，℃，即试压起始温度；D为管道保温层外径，m；do为钢管内径，m；doi为各层管外径，m；dii为各层管内径，m；k为管道总传热系数，W/(m2·℃)；t为停输时间,h；ρi为 钢材及保温材料的密度，kg/m3；Ci为钢材及保温材料的导热性能参数,J/(kg·℃)；Co为管内介质导热性能参数，J/(kg·℃)；ρo为管内介质密度,kg/m3.

具体分析可采用软件“PIPEFLO”进行模拟。

1.1.3 模拟“压强-时间”的理论变化曲线

通过“压强-温度”、“温度-时间”公式，就能模拟出“压强-时间”的理论曲线。

用此理论曲线与实际测得的压强-时间曲线进行对比，如果2条曲线基本吻合，没有奇异点，即可证明管线没有发生泄漏。

1.2 新方法的理论基础

新方法的关键是“压强-温度”变化函数关系，它的理论原理可解释为：

海管试压时，海管内充满了试压水，几乎没有空气，这时可近似为在密闭的体积固定的容器中。随着试压压力的逐步增大，试压水被挤压，分子间距缩小，分子运动加剧。伴随着热交换过程，海管内试压水温度逐步降低，根据分子运动理论，其实质是水分子运动速率逐步降低。[3]而随着水分子运动速率逐步降低，水的压力也就会降低[4]。

以上是水的“压强-温度”变化关系的理论基础，为此引入了“水的可压缩型因子C”和“水的体积膨胀系数B[5]”，这两个系数可从相关工具书中查询。

2 工程实例

该方法在南海陆丰油田某海管项目中进行了应用。该区域水深107～132 m，试压开始注入海水温度 30 ℃(表面海水实测温度)，流量160 m3/h，海底水温18.4 ℃(按海域海底8 月最低温度选取)；通过模拟计算出在开始试压后管内流体温度的变化情况。计算温降曲线如图1所示。

图1 工艺模拟海底管道内海水的温降曲线

以此分析管内介质经 300 h 后完成与外界海水的热交换，也就是说海管的稳压时间要超过12天，这对于该项目的工程投入与投产计划造成了巨大影响，在此期间现场人员还需做好应对台风迫近的准备。

2.1 根据“压强-时间”关系公式模拟压降曲线与现场压降记录比较

海管注水持续了13 h，在这13 h内进入海管的水也与外界发生了温度交换，根据图1模拟的温降曲线13 h后温度应变为28 ℃.此后进入保压过程，试验压力是最大工作压力(7 MPa)的1.155倍，即8.085 MPa.

通过4次稳压，可以看出随着温度差值日趋减小，工艺反推压降数值逐步逼近现场的实际数据，且趋于重合,见图2～图5。

图2 第1次稳压压降曲线比较

图3 第2次稳压压降曲线比较

图4 第3次稳压压降曲线比较

图5 第4次稳压压降曲线比较

前3次稳压过程中，工艺模拟压降曲线的压力下降比现场记录更快，是因为选取的海底水温18.4 ℃(按海域海底8月最低温度选取)是有统计以来最低水温，而现场海底水温应比这个数值要高。随着海管内试压介质与外部海水的温差逐渐减小，工艺反推压降数值逐步逼近现场的实际数据，且趋于重合，整条曲线未出现明显奇异点。

在压力观测过程中，定时对海面以上部分设备管线进行检查，未发现泄漏情况。该新建海管满足系统试压要求，并与2013年9月20日正式投产。

2.2 新方法的效果

采用新试压判定方法只用了126 h即得出结论。相比原来要等待10余天才能确定保压成功来讲，明显节约费用，按照南海深水100万元/天的船舶待机费用来算，可节约建设成本上千万元。

该条海管按照此种新方法试压成功后，一直使用正常，没有发生泄漏事故。这也从另一方面验证了新方法的可靠性。

3 结束语

近些年，南海油田开发中水深已达到300～1 500 m 的范围，尤其对于水深150 m 以上区块分散的油田，倾向于采用水下系统开发的模式，传统的固定式平台将逐步被替代，油田内水下井口间连接海底管道的系统试压设施将布置于施工船上，如存在管内外温差对稳压过程的干扰，施工船舶将持续停留在现场。

该试压方法利用函数和计算机来模拟推导出“压强-时间”的理论变化曲线，与实际测量到的压强随时间的变化曲线进行对比，进而来判断管线是否有泄漏点。此方法只需对管线内压降进行100 h左右的连续跟踪，即可得出结论。

参考文献：

[1] GUO B Y,SONG S H,CHACKO J,et al.Offshore Pipelines.Elsevier Inc.,2005.

[2] BRAESTRUP M W,ANDERSEN J B,ANDERSEN L W,et al.Design and Installation of Marine Pipelines.Blackwell Science Ltd.,2005.

[3] 沈慧君. 布朗运动. 物理,1986(3):177-181.

[4] 谢锐生.热力学原理.关德相，等译.北京：人民教育出版社, 1980:12.

[5] 王俊越，张玮，里佐威．水体膨胀系数随温度变化的测定.物理实验，1999(3)：6-7.

New Method of the Pipeline Pressure Test in Deep Water of South China Sea

LI Jian1,DAI Zhong2,LIANG Chao1,LI Liang-long1,ZHOU Xin-da1

(1. China Offshore Oil Engineering Co.,Ltd., Tianjin 300452, China;2.Tianjin Branch,CNOOC (China) Co., Ltd.,Tianjin 300452, China)

Abstract： As the temperature difference between the sea surface and bottom is large in South China Sea, it will cause thermal exchange between the test medium and sea water outside and this process will last for a long time because of the insulation material between carrier pipe and casing pipe. They can’t hold the pressure in acceptable limits until the thermal exchange process is finished and it will cost a long time. This will have a great influence on the installment of the pipeline.Combining the new pipeline pressure testing method in South China Sea, this paper presented a new method of fast testing acceptance, which successfully solved the influence of heat exchange process and shorten the time of pipeline pressure test needs. It can be used for reference to deep-water pipeline engineering especially the pressure test of development facilities under water, and significantly control the engineering cost.

Key words：pipeline pressure test; thermal exchange; casing pipe; the pressure drop curve