海上采油注水系统水锤效应分析与控制措施

王佳中

(中海石油(中国)有限公司秦皇岛32-6/渤中作业公司 天津300452)

0 引 言

石油开采进程以向产油地层注水补充驱油能量为标志进入二次采油阶段，海水、地下淡水和油气田生产水是常见的注入介质。近十年来随着国家环保立法的逐步完善和企业环保意识的普遍增强，生产水回注地层自然而然地成为石油企业首选的石油开发生产工艺，既可以实现油气增产和减少污染物排放的双重目标，又能够开创企业经济效益和国家环境保护同步双赢的局面。然而严重的水锤效应对大型压力管道系统和设备有巨大破坏力，是影响系统安全运行的重大隐患。从20世纪60年代起国内水动力专业和相关行业就进行了大量的水锤理论研究和工程防护措施实践，近年来取得了很大进展。海上采油生产水注水系统具有自动化程度高、长距离海底管道输送、末端高压、隔离空气环境运行等特点，较陆地一般给水行业而言其水锤引发因素更加多样化，加之海上作业场地规模受限、安全环保因素敏感度高等因素，海上采油生产水注水系统水锤效应控制措施研究意义愈显重大。本文基于水锤理论研究成果和海上陆地各行业的成功经验，通过建立典型模型分析系统内水锤效应的影响范围和严重程度，从全系统、各专业、各阶段综合调控角度归纳、总结了以下两个问题的解决措施：①阀门快速关闭、水泵骤停时水锤效应引起的管道系统超压；②生产水回注井口平台水锤效应导致的生产水紧急舷外排放。

1 水锤简介

当压力管道中流体流速因外界原因而发生急剧变化时，液体的内部会产生压强迅速升降，以纵向波的形式沿管道系统往复传播的现象，就像锤子敲打一样，所以这种现象称为水锤，是体现流体的可压缩性、惯性和管道材料弹性的一种物理现象，由水锤效应引起的系统瞬时高压对管道和设备有极大的破坏性[1]。

水锤分类方式有多种[2]，从水锤成因角度又可分为启停泵水锤和开关阀水锤。根据水锤相是否大于阀门关闭历时的关系，关阀水锤分为直接水锤和间接水锤。根据压力的变化趋势，当管内流速急剧下降、压强迅速上升时为正水锤；管内流速急剧上升、压强迅速下降时为负水锤。根据管道内是否发生气液两相分离，将水锤分为断流弥合水锤和无断流水锤。本文重点分析对海上采油注水系统危害较大的停泵、关阀引起的正水锤效应。

图1 典型模型系统Fig.1 Typical model

水锤理论研究和工程实践表明，除人为操作因素外，水锤效应还受管材、介质流速、阀门种类、管道长度、管道布置方式、水泵转动惯量、已采取的防护措施等多种因素影响[1]：在同一管道系统中管道材质、尺寸、上下游工况相同时，系统内流速变化值越大水锤压力增幅越大[3]，流速变化越慢水锤压力增幅越小[4]，因此流速变化值相同的情况下管道直接水锤的压力增幅大于间接水锤的压力增幅。如发生间接水锤，管道阀门距上游泄压阀的长度越长，阀门完全关闭历时越短，系统内压力增幅越大[1]。

2 各种工况下水锤影响分析

2.1 注水系统模型

海上采油注水系统由滤器、水泵、采油树等多种机械设备、阀门和地面及海上管道组成，在不影响分析结果的前提下，笔者将其进行必要简化后构建了具有代表性的典型模型，系统简图如图1所示。

日常运行时系统中关断阀、注水井井上安全阀、压力调节阀、液位调节阀、各设施注水增压泵和注水泵都接受中央控制系统信号远程控制，仅FPSO液位调节阀由FPSO中控室值班人员手动调控，信号源包括设置于注水海底管道两端和泵两端管道的压力超低/超高信号、缓冲罐液位超低信号、电力系统卸载以及中控系统生产、火灾、撤离平台 3级逐级升高的关断信号，不同的各关断信号关闭不同的阀门和泵，典型的因果逻辑关断动作参见表1。

2.2 影响分析

笔者采用理论指导结合实践的方法，依照水泵和设施关停范围从小到大的顺序对停泵、关阀水锤效应对上述注水系统模型系统造成的不同影响分别进行分析，发现低级别单个水泵或设施的关停在压力保护值设置不当、阀门关闭过快的情况下也可能引起单平台、单系列、双系列及全油田设施注水系统关停，对系统管道、设备造成严重影响。

2.2.1 单泵关停

由于本系统多台泵、多注水设施平台并联，单泵关停后流量变化和相应的管道内流速变化都相对较小，只影响对应单泵进出口管线，对整个系统影响范围和严重程度都较小，远端注水平台停泵影响更小，一般情况下不会引起上或下游水泵连续关停，但若保护值设定不当，可能引起并联泵关停，进而扩大影响范围到整个平台。

2.2.2 单平台关断

2.2.2.1 并联设施系统

并联设施注水系统中单设施注水泵、注水增压泵由于排出口压力异常全部关停，将引起泵吸入口一侧管道压力升高，如果是泵出口压力高则泵出口压力调节阀打开，一定量生产水排舷外；单平台停泵的影响与平台的水泵总注入量及与 FPSO增压泵的距离有关，通过科学计算和实践检验确定上游平台的压力高高保护值可以将其影响限制在单个平台。最小流量保护阀有止回阀的特性，又可在压力升高到设定值时开启，使一定量流体回流到泵吸口管道，对缓解泵出口阀门关闭引起的水锤效应有一定的作用，同时能防止水泵倒转，作用类似于缓闭止回阀。

2.2.2.2 串联设施系统

串联设施系统中注水增压平台 WHPA或下游WHPC注水关断，将间接导致A系列全部关断，这种情况下FPSO至WHPA、WHPA至C上游水锤情况比较严重。

2.2.3 单系列关断

并联设施系列关断工况下，A或 B侧注水系统全关断，对 FPSO到近端平台 WHPA/B供水管道的影响较严重。

2.2.4 双系列关断

注水泵、注水增压泵关停或关断阀关闭，FPSO至 WHPA/B的管道系统将受到严重的水锤影响，是水锤最严重的工况，模型中采用了压力调节阀泄压回流控制措施，泄放的超压水排入缓冲罐，有缓冲罐内液位高可溢流排入水处理系统。

2.2.5 油田注水系统关断

FPSO注水增压泵关停，下游各平台由于水系统压力降低分别停泵，这种情况下，FPSO增压泵出口至下游各平台发生负水锤，无超压风险，其上游为缓冲罐，大量的生产水返回缓冲罐。

表1 典型的因果逻辑关断动作Tab.1 Typical cause-and-effect logic shutdown actions

3 水锤控制措施

①新建油田开发项目在设计阶段应依照系统中流量最大工况作为最不利情况进行计算分析，进而确定油田管道、海底管道系统及设备压力等级，在海管首末端和大型滤器进出口均设置安全阀。在系统中水锤最严重的部位——FPSO增压泵止回阀下游设置缓冲气体压力罐[5-6]，充入氮气或油田伴生气，增强对FPSO和单点之间的跨接软管及海底管道的保护效果，改、扩建项目则需进行必要的水锤压力升限计算、管道压力等级校核及防控措施补充。

②安全阀和调压阀是保护管道设备的有力措施[7]，通过计算比较排出的液体，保留其中排液较少的方式，设置两个同一种阀门互相备用，增加系统安全可靠性，井口平台水锤应急排放液进入闭排罐或独立应急排放缓冲罐[4]，或者利用低压高注入量注水井或停产油井作为应急储液设施。

③并联供水主管道上设置缓闭止回阀代替自力式压力调节阀，水泵出口管道用最小流量保护阀代替止回阀[4]，回流到水泵吸入口。

④并联运行的泵各泵出口分别设置压力高高和低低传感器，根据水泵数量和水锤压力将压力高高值分档，依次关停各水泵，降低流量变化绝对值和变化速度。

⑤发生高别级关断后，中控系统发出停泵信号后延时 30～50,s或现场控制仪表气供给速度缓闭关断阀和注水井井上安全阀[7-8]，变直接水锤为间接水锤，具体延时时长根据计算确定，对于超过两台并联运行的泵，设定延时调整器分别、依次关停各水泵。

⑥并联运行管网系统泵吸口方向海底管道压力高高信号不引起相对应的关断阀关闭和水泵关停，远端注水泵与近端注水泵吸入口压力低低保护值设定相同，这样一旦供水端压力降低，将先关停远端平台注水泵，避免单系列、双系列和油田注水系统关断，降低水锤的破坏力，同时减小其影响范围。

⑦海底输水管道关断阀关闭结合泄漏监测执行手动关阀控制方式，减少关阀水锤发生的可能性并控制事故工况下生产水泄漏量。

⑧增压泵引入采用变频技术自动控制流量、压力。

⑨优化管道配管设计控制流速、流向突变[9]。

⑩优化常规启停泵、开关阀门及 SDV阀的操作规程[7,10]。

4 结 论

海上采油注水系统受自身特点和海上空间环境的约束，使陆地一般给水系统防护水锤的空气阀、调压塔等措施在海上并不适宜，在成本、安全和可靠性优化的条件下，应采取尽可能多种形式的控制措施，才能达到理想的防护效果。在中心平台 CEP或FPSO——生产水源供给端、场地空间条件相对较好、且水锤影响最严重的大型设施上推荐采用防护效果较好的充气压力缓冲罐；各类增压泵、注水泵都用最小流量保护阀或缓闭止回阀代替普通的止回阀。除了在硬件管道、设备方面采取措施外，在电力、控制系统方面控制潜力巨大，通过调整运行参数值、优化控制逻辑等方法结合电机变频驱动技术的引入，将简化停泵关阀动作，变成自动化条件下的局部的、有序的、一定节奏的可控关停，降低系列和多系列关断的可能性。在井口平台采用双安全阀或调节加安全阀的防护方式，使水锤现象发生频率及其对安全、环保和油田生产的影响范围、严重程度均最小化。

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