0 引 言

随着海上油气田开发深度的不断增加，海底管线的铺设深度和长度也在不断增加。深水恶劣的自然环境不仅对浮式平台、水下生产系统和海上作业等提出了苛刻要求，也给运行和工作在那里的连接各个卫星井、边际油田以及中心处理系统之间，从几十米到几十公里乃至数百公里的海底管线带来了严峻考验。油田现场的生产资料表明，由于深水的低温和高压环境条件，在深水油气混输管道中极易生成固体水合物，造成输送管道堵塞，严重威胁到海底生产系统和混输管线的安全，进而影响生产的正常进行^[1]。

针对油气输送管道生成固体水合物的问题，虽然研究者们提出了注入甲醇和乙二醇等热力学抑制剂防止水合物生成或解堵的方法^[2]，但是资料表明，由于油气田开发工程的复杂性，油气输送管道中生成水合物造成堵塞的问题时有发生^{[3, 4]}。水合物堵塞一旦发生，即使在陆上其解堵过程也十分复杂^{[5, 6]}。目前主要是根据油气田当初的工艺设计，采用注剂或加热等方法促使水合物分解^{[7, 8, 9, 10]}。但有些油气田的开发设计存在缺陷，无适当的加注点或加注工艺不完善^[2]，使得水合物解堵变得相当复杂。当油气田开发逐步走向海洋深水时，由于环境条件的恶劣和操作不方便，水合物的解堵就变得更加困难，深水油气输送管道中的水合物堵塞问题已经成为国内外研究的热点和难点。

在海洋油气田开发过程中，应对水合物堵塞的第1策略是防治，当判断油气管线处于水合物形成条件时，事先注入甲醇、乙二醇或低剂量抑制剂，预防水合物形成。当发现油气管线中已经形成了水合物但尚未完全堵塞时，根据堵塞位置的不同采用降压、注甲醇或增大甲醇注入量的方法分解水合物。一旦输送管线完全被水合物堵塞，物流不能流动，则其解堵过程将变得十分复杂。国际上，目前只有道达尔公司掌握了这种水合物完全堵塞时的解堵技术，研制出了一种水合物治理橇，但其机械结构和设计参数均没有披露。我国的深水油气田开发刚刚起步^{[11, 12, 13, 14]}，在水合物堵塞治理等流动安全方面近似空白。

笔者针对我国深水油气田开发中的水合物堵塞问题，介绍了2012—2014年研制的新的治理工具和方法。当海上油气输送管道特别是油气田跨接管中发生水合物堵塞时，可以利用该工具实施降压或注剂解决水合物堵塞问题，最小程度地影响现有生产。

笔者研制的水合物堵塞治理工具主要包括橇块主体、脐带缆系统和测量监控系统。样机的橇块总体外形尺寸为5.80 m×1.45 m×2.32 m(长×宽×高)，橇块总质量约5 t。图 1为水合物堵塞治理工具样机图。

图 1 水合物堵塞治理工具样机 Fig.1 The hydrate blockage remediation device prototype

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该水合物堵塞治理工具样机有以下主要功能：

(1)对海底油气输送管线实施降压解堵；

(2)注化学剂或注热解堵，或降压+注剂/注热联合解堵；

(3)实时显示管线压力、温度和化学剂注入速率，实时视频监控水下情况。

橇块主体包括液压系统、抑制剂储罐、压力储罐和注液泵等设备。其中液压系统用于控制管路阀门的开关，由于橇块主体在水下工作，液压系统设计成自动运行、自动补压模式，可充分保证系统的稳定运行。

抑制剂储罐用于储存抑制剂，它既可独立使用，亦可通过软管连接到操作平台。这种设计的优点是：当使用过程中需要的抑制剂量较少时，可以直接使用抑制剂储罐储存抑制剂，当抑制剂使用量较多而无法携带时，可通过软管从操作平台上补充抑制剂。

压力储罐用于回收解堵时的天然气及废液。输送管线中释放的气液混合物既可存放在压力储罐内，也可通过压力储罐外接的软管释放到操作平台上储存。同时，压力储罐在降压过程中可起到缓冲作用，降压前先向压力储罐中冲入气体到一定压力，可有效减小降压时堵塞管线与压力储罐之间的压差，避免压差过大产生节流效应，在降压管线中生成水合物造成堵塞。

注液泵为抑制剂注入堵塞管道提供动力。注液泵本身所需的动力来源于液压系统的水下电机。橇块主体设计耐压15 MPa以上，可以完成海水深度超过1 500 m的管道疏通工作，满足我国目前深水油气田开发的要求。

测量监控系统包括工控机、转换盒、电子仓、摄像头、传感器和电磁阀等主要设备，主要由测量系统和控制系统组成。

测量系统中，流量、温度和压力传感器分别监测管道流量、温度和压力，流量传感器输出4~20 mA的模拟量，温度传感器和压力传感器输出0~5 V的模拟量，通过ADAM4117数据采集模块采集，然后转换成数字量由RS485接口输出。数字量输入到电子舱内的光纤收发器，经过光纤传输到转换盒中的光纤收发器，再经ADAM4520转化成RS232信号，信号通过串口传入工控机，通过软件就可以实现对管道流量、温度和压力进行实时测量。

控制系统中，通过工控机上的软件输出RS232信号，经ADAM4520转换为RS485信号，RS485信号输入到转换盒中的光纤收发器，经过光纤传输到电子舱内的光纤收发器，再由光纤收发器的RS485接口传输到控制模块ADAM4068中，由ADAM4068向阀箱的电磁铁输出控制信号，实现阀箱的信号控制。

橇块主体内的电子舱接线原理图如图 2所示。

图 2 橇块主体内电子舱接线原理图 Fig.2 Schematic of electronic cabin wiring of the skid body

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在测量监控系统中，通过开发的专业软件可完成管道疏通过程测量参数的显示和整个疏通过程的控制。可实时显示水下的各种参数，同时根据测量参数对水下橇块主体进行操作，在电脑上实现化学剂注入、管线降压或气液降压导出等动作。

脐带缆系统包括脐带缆绞车、脐带缆、光电滑环、启动柜和配电箱等设备。脐带缆绞车用于脐带缆的收放，可根据水合物治理橇块的工作水深设计脐带缆的容量。虽然样机中配置的脐带缆长度只有200 m，但可根据实际需要连接更长的脐带缆。施工船通过脐带缆连接水下的水合物治理橇，脐带缆提供380 V动力电源、220 V测控系统电源以及为水上、水下传送数据信号提供光纤。图 3为脐带缆的设计图。

图 3 脐带缆设计图 Fig.3 Design of the umbilical cable 1—0.22 mm2屏蔽双绞线(2根)；2—16.00 mm2电缆(3根)；3—单膜纤维(2根)；4—聚氨酯护套。

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光电滑环为380 V级，主回路电滑环要求在额定负载下能长期运行，能够承受4~5倍额定电流2 min，表面额定温升60 ℃。辅助回路光电滑环的额定电压为220 V，额定电流为0.5 A，2个回路，负载为测量控制系统。脐带缆系统中光电滑环的防护等级为IP56。配电箱主要是为水下液压站、测量控制系统和脐带缆绞车提供电力，需提供380 V和220 V 2种电压。

海上施工过程中，水合物堵塞治理工具的橇块主体由施工船甲板或平台上的吊机吊放下水，释放到需要解堵的管线附近，如图 4所示。用水下机器人(ROV)的机械手将治理工具上的快速安装接头连接到堵塞管线预留的接口上，再由工作船甲板上的测控系统软件依据水合物治理解堵工艺完成水下输气管线的解堵。

图 4 水合物堵塞治理工具水下作业方式 Fig.4 Underwater operation mode of the hydrate blockage remediation device

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值得一提的是：在深水油气田开发工艺设计中，油气输送管线特别是跨接两端预留水合物解堵快速接口已经成为一种趋势和要求。

研制的水合物堵塞治理工具具有降压、注剂、注热或联合解堵等功能。在降压治理过程中，当治理工具与堵塞管线两端连接后，开启图 5所示阀门2、阀门3和阀门4，将堵塞管线与压力储罐连通，对堵塞管线实施两端降压。当堵塞管线压力放空至设定值后，关闭相应管路的液控阀，停止两端放压，使水合物在低压下自然分解。

图 5 水合物堵塞治理工具工艺流程和软件运行界面 Fig.5 The processes and software running interface of the hydrate blockage remediation device

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如果输送管线中水合物堵塞程度较为严重或是分解速度较慢，则可以打开抑制剂注入管路的阀门1、阀门2和阀门3，向堵塞管线的两端同时注入甲醇或乙二醇等化学药剂或高温药剂，实现注剂/注热或降压+注剂/注热联合分解水合物。

水合物分解产生气体和水，导致管线内压力升高，水合物分解速率降低，采用专业软件可计算整个过程中水合物的分解速率；同时，通过压力变化情况亦可判断堵塞管线内水合物的分解情况，当发现水合物分解趋于停止时，再次连通堵塞管线和压力储罐，释放堵塞管线中水合物分解产生的气体和液体，降低管线压力，然后再进行水合物降压或注剂分解。

当管线解堵后，关闭水合物治理橇块管路各阀门，用ROV断开橇块主体与堵塞管线的接头，回收橇块主体。

解堵过程中，最危险的状况是只从一端分解水合物或堵塞段两端压力不能保持平衡，存在较大压差，随着解堵的进行，管线中水合物堵塞段与管线之间的胶结变得不再牢固，当堵塞段两端压差过大时，会推动水合物固体在管线中高速移动，在管线弯头或阀门处冲击并损伤管线。在笔者提出的水合物堵塞治理工艺中，无论是降压还是注剂/注热解堵，都从两端同时解堵，同时在解堵过程中全程监测堵塞段两端的压力和温度，有效避免上述危险情况的出现。

笔者根据水合物堵塞治理工具的工作原理和操作流程，开发了相应的控制软件，可在中控室控制水合物堵塞治理工具在水下的开关动作。

在软件界面(见图 5)中，只需要用鼠标点击阀门开关处的“开”或“关”按钮，在液压控制系统的作用下，水合物堵塞治理工具中对应的阀门就会开启或者关闭，使得工具在水下的使用变得十分方便，除了与堵塞管线的快速连接需要ROV操作外，其他操作均可在中控室完成。同时，该软件能够实时监测管线中的温度、压力和化学剂的注入速率等数据，保持水合物堵塞段两端的压力平衡，避免出现水合物固体两端由于存在压差导致高速移动的现象。

此外，为了更好地观察水下解堵的实施情况，水合物堵塞治理工具上还安装了水下摄像头，其信息可传输到开发的控制软件上，在电脑上实时视频监视，观察水下的实际状况，如图 6所示。

图 6 实时视频监视 Fig.6 The real-time video monitoring

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针对研制的水合物堵塞治理工具，进行了水池试验，以检验该设备在水下是否可以正常运行，工艺流程设计是否合理，各项设计功能是否能实现，以期为后续的现场试验做前期准备。

水池试验前，先把水合物堵塞治理工具吊放至水池边适宜位置，连接好测控系统，运行橇块，调试设备，检查各阀门动作、电机和泵运转是否正常。然后用吊车将橇块主体吊至水池内，水池水位高2.2 m，基本可浸没橇块主体的水下部件。橇块主体就位后连接试验管线。试验管线采用Φ101.6 mm(4 in)钢管，总长5 m。在控制软件中，按照前述操作流程进行管线降压和抑制剂注入等测试，同步记录各监测仪表的运行参数以及视频监控系统的显示画面。

在水池中进行了注剂和降压性能验证模拟试验。在两端同时注剂试验中，注剂压力约为15.00 MPa，管线平均压力为4.27 MPa，注剂流量平均达2.00 L/min，平均温度为22.91 ℃。在一端注剂工况下，当管线平均压力为0.59 MPa时，注剂流量平均为10.58 L/min，平均温度为21.78 ℃；当管线平均压力为3.98 MPa时，注剂流量平均为2.60 L/min，平均温度为22.94 ℃，设备长时间运行正常。

在降压工况下，管线压力可在5 min从5.89 MPa降到0.00 MPa，说明设备可达到对堵塞管线降压的目的。

水池试验结果表明，研制的水合物治理工具和控制系统运行正常，能够实现管线降压和抑制剂注入等功能，并可对解堵过程中的温度、压力、流量和水下情况实现远程监控，达到了设计目的。

针对深水油气混输管道中极易生成固体水合物而造成输送管道堵塞的问题，研制了水合物堵塞治理工具样机。该样机主要包括橇块主体、脐带缆系统和测量监控系统。根据水合物堵塞治理工具的设计原理提出了相应的操作流程，并开发了控制软件，同时进行了水池试验以验证工具的性能。水池试验结果表明，水合物堵塞治理工具和控制系统在水下运行正常，能够完成管线降压和抑制剂注入等规定动作，说明利用该工具可以采用降压、注剂/注热或注剂/注热+降压联合的方法解决油气输送管道中固体水合物堵塞的问题。