曾树兵，穆家华,张苏飞，刁兆斌

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

化学药剂作为油气田开发必不可少的化学物质广泛应用于各个海域的油气田开发。化学药剂添加到生产流体及用于置换的海水等介质中，以提高分离设备的处理效率，保护设备和管线，并延长设备的使用寿命[1-3]。

随着无人平台及智能化油田建设示范项目的开发， “简化平台配置和减少人员操作频率”成为无人平台设计和建设的关键环节，同时伴随着无人平台对“少物、无人”理念的深入，作为人员操作频次和劳动强度较大的传统化学药剂供应方式越来越不能满足无人平台的设计要求。

文章从海域环境、人员劳动强度以及中海油集团公司对无人平台“无人、少物”等方面总结出无人平台传统化学药剂供应方式的缺点，并结合脐带缆在水下系统应用的成功经验，提出一种依托附近中心平台的全新化学药剂供应模式。为后续海洋石油无人平台化学药剂注入提供一种新思路。

1 传统海上无人平台化学药剂供应方式简介

1.1 组成及描述

目前海上无人平台化学药剂注入系统主要由化学药剂储罐和化学药剂泵组成，即在无人平台上设置固定或者移动式药剂储罐，通过配置化学药剂供应泵，对平台生产流体或者置换流体进行单泵对单点或者单泵对多点的药剂注入。化学药剂系统主要由药剂储罐、化学药剂供应泵、注入管线及阀门等组成，成撬布置在平台甲板上，具体流程见图1。

图1 传统药剂注入工艺流程图Fig.1 Process flow chart of traditioal reagent injection

海上油气田使用的化学药剂通常在陆地配置好并装桶，供应船定期把桶装的化学药剂运送至平台，由平台吊机把桶装的化学药剂吊装到平台堆放区，再加入化学药剂罐中，补充消耗。

1.2 存在的问题

化学药剂作为海洋石油平台主要消耗品，消耗量大。采用传统化学药剂供应方式，每个生产自持周期都需为无人平台补充化学药剂。化学药剂供应需要进行人工干预，人员需要频繁前往无人平台进行药剂补充、化学药剂供应泵的维护及维修等工作。药剂补充和药剂泵维修耗时长，劳动强度大。另外，无人平台不设置居住设施，人员需当天返回陆地，需要动用直升飞机和船舶穿梭，操作费用高。

对于南海海域的复杂情况，尤其季风天气不可控因素较多，化学药剂罐的吊装作业和船舶等待时间较长，增加了吊装作业的安全风险，同时也不满足无人平台“无人、少物”的原则要求。

2 新型海上无人平台化学药剂供应方式

2.1 脐带缆概述

脐带缆作为水下生产系统的关键组成部分在浅水、深水和超深水油气开发领域得到广泛应用[4]。国内外文献对水下脐带缆进行大量研究，分别体现在构型、力学性能及安装等方面。如郑利军等[5]从构型选型设计方面对脐带缆进行了研究，张克超等[6]从力学性能方面进行研究，梁辉等[7]从脐带缆铺设方面遇到问题和考虑因素研究，李博等[8]对脐带缆内液压管线的选型进行研究。

近年来随着脐带缆在水下系统的成熟应用和关键设备的国产化，使得脐带缆成本大幅度降低，为脐带缆的广泛使用提供成本优势。依托附近中心平台，采用脐带缆作为输送化学药剂媒介，为无人平台提供化学药剂供应的新工艺将会有很大应用空间。

2.2 新型化学药剂供应流程的组成及描述

以南海某无人平台WHPA为例，共需注入杀菌剂、破乳剂、防腐剂和防垢剂四种药剂。具体流程是将无人平台WHPA需求的四种化学药剂的储罐、化学药剂注入泵、管线及阀门等设置在附近有人平台CEP上。杀菌剂、破乳剂、防腐剂和防垢剂分别采用泵增压后送入注入管线，四种药剂注入管线与电力电缆和通讯电缆统一集成到脐带缆中，通过脐带缆输送到下游无人平台WHPA。在无人平台通过药剂转接头及分配TUBING管、阀，对药剂进行分配及注入生产物流或者置换物流。

3 脐带缆选择计算实例

以南海某无人平台WHPA为例，对依托附近中心平台CEP采用脐带缆输送方式进行化学药剂供应进行研究，从设计基础、压降计算、管径选择等方面进行分析，最终选择出合适的药剂管线尺寸和脐带缆形式。

化学药剂管线尺寸主要影响脐带缆的截面尺寸和化学药剂供应泵的排压。从设计基础入手，通过水力学计算药剂输送管线的流速和压降，对脐带缆内化学药剂管线尺寸进行计算，并根据下游背压的需求和化学药剂管线的压降，确定设置在有人平台化学药剂泵的排压和化学药剂管线的压力等级。

3.1 设计基础

南海某油田无人平台WHPA需要注入的四种药剂分别为：防腐剂、批处理剂、杀菌剂和防垢剂。药剂的性质、注入浓度及注入量见表1。

表1 化学药剂性质Tab.1 Properties of chemical agent

3.2 管径比选

单相液体管道管径的计算主要考虑流速和压降， 根据API 14E中推荐的液体管道尺寸确定准则[9]，流速和压降的计算公式如下：

式中：Δp——每1 000 ft长度压降，lb/in2;VL——液体流速，ft/s；QL——液体流量，bbl/d；di——管道内径，in；f——莫氏摩擦系数；SL——液体相对密度；ρL——液体密度，lb/ft3；ρw——水密度，lb/ft3。

此无人井口平台WHPA距离附近中心平台CEP的距离约为14 km，根据流速和压降公式计算，并转换为国际单位后，防腐剂、批处理剂、杀菌剂和防垢剂的计算结果见表2和表3。

表2 1/2″tubing in UMB计算结果Tab.2 Calculation results of 1/2″ tubing in UMB

表3 3/4″tubing in UMB计算结果Tab.3 Calculation results of 3/4″ tubing in UMB

根据表2计算结果可知，化学药剂管线都采用1/2″ 的规格，四种药剂在管线内的流速均小于1 m/s，故管线的尺寸计算流速不作为决定因素。四种药剂管线的计算压降均较大，尤其对于杀菌剂而言，如采用1/2″的尺寸规格，输送压降高达54 146 kPa。

根据表3计算结果可知，如化学药剂管线都采用3/4″的规格，四种药剂管线的计算压降都较小，对于杀菌剂而言，采用3/4″的尺寸规格，输送压降由原来的54 146 kPa降低至10 696 kPa。

综合考虑四种药剂在输送过程中的流速、压降、脐带缆整体尺寸及化学药剂泵排压，防腐剂、批处理剂、防垢剂输送管线尺寸选择1/2″，杀菌剂输送管线选择3/4″。

3.3 脐带缆选择

根据上述计算尺寸，防腐剂的管线入口需要压力最高，为21 231 kPaG，参考中海油集团公司企业标准QH/S 3042-2014中设计压力的选取原则[10]，化学药剂管线设计压力按照最大操作压力的1.1倍考虑，为23 354 kPaG，按照设计压力选择化学药剂管线等级为5 000 psi。同时为了满足后期生产的需求，四种药剂管线均采用同一压力等级，即5 000 psi。

为防止某种药剂注入管线在生产使用过程中出现故障或后期需注入新的药剂，在现有四条注入管线的基础上，考虑备用一条化学药剂供应管线，备用管线的尺寸为1/2″，压力等级为5 000 psi。

脐带缆不仅担负着化学药剂的输送，同时还负责无人井口平台WHPA的供电和通讯，故此脐带缆除了集成了防腐剂、批处理剂、杀菌剂、防垢剂和备用药剂管线外，同时还集成了供电电缆和通讯光纤(不在文章讨论范围)。具体结果见表4脐带缆功能配置表和图3脐带缆截面图。

表4 脐带缆功能配置Tab.4 Umbilical function configuration

图3 脐带缆截面图及参数表Fig.3 Umbilical section and parameter table

4 结论

1)为了解决海洋石油无人井口平台药剂补充和化学药剂泵维修耗时长，人员劳动强度大和贯彻中海油集团公司对无人平台配置“无人、少物”的要求，文章提出了一种依托附近有人中心平台，并通过脐带缆实现对无人平台化学药剂供应的新工艺。

2)以南海某无人井口平台为例，根据此无人平台注入的防腐剂、批处理剂、杀菌剂和防垢剂基础数据，通过计算得出脐带缆中化学药剂输送管线配置的尺寸规格及压力等级，同时结合供电电缆和通讯光纤的内容，最终给出脐带缆的选型，为后续其他无人平台开发化学药剂供应提供了新方法。