Морская нефть. Трубопроводный транспорт и переработка продукции сква

Независимо от причин возникновения твердых и парафиновых отложений на внутренней поверхности стенок их удаление должно быть осуществлено таким образом, чтобы не повредить трубопровод и не создать опасности его закупоривания. В идеальном случае метод должен давать возможность уда­ лять отложения без остановки трубопровода для очистных операций. Кроме того, очищать трубопровод необходимо сразу по всей длине, без разделения на обработку по секциям.

Очистные устройства, создающие усиленное воздействие на стенки тру­ бы, специально сконструированы так, чтобы они были более агрессивными, чем стандартные очистные устройства. Новые приборы могут быть подрегу­ лированы, чтобы избежать слишком сильного воздействия на стенку трубы во время первого и последующих проходов.

Излишнее количество загрязнений, движущееся впереди очистного сна­ ряда, может привести к его застреванию. Поэтому агрессивность снаряда при первом запуске должна быть лишь немного выше, чем агрессивность стандартного очистного снаряда, используемого владельцем трубопрово­ да для его очистки в процессе эксплуатации. При последующих запусках агрессивность снаряда должна с каждым разом повышаться в зависимости от результатов предыдущего прохождения.

Если при каком-то прохождении снаряда вынесено небольшое количество загрязнений, то при следующем прохождении агрессивность должна быть увеличена в несколько раз больше, чем после предыдущего прохождения с большим выносом загрязнений. Методы контролирования агрессивности будут рассмотрены ниже, сейчас важно понять, насколько необходимо обо­ рудование с высокой агрессивностью.

Имеется три типа очистных снарядов, создающих усиленное воздействие на стенки трубы. К первому типу относится магнитное очистное устройство для сбора рассыпных загрязнений в трубопроводах, предназначенных для транспортирования как газа, так и жидкостей. Ко второму - устройство, снабженное дисками с булавками, для удаления твердых осадков и отложе­ ний парафинов, прилипающих обычно к стенкам трубопроводов, по кото­ рым транспортируются жидкости. Третий тип - устройство со щеточными дисками. Этот снаряд запускается только после обработки трубопровода магнитным очистным снарядом и снарядом с булавочными дисками или комбинацией этих двух снарядов.

Магнитное очистноеустройство обладает самой низкой агрессивнос­ тью и представляет собой модуль, снабженный твердыми полиуретановыми поддерживающими дисками (обычно в количестве двух-четырех) и более мягкими уплотнительными дисками (обычно в количестве от четырех до восьми).

Между фронтальным и концевым дисками помещено несколько крупных магнитных пластин для сбора и удержания всякого вида металлического мусора (от тонкой стружки до сварочных стержней). Многие из стандарт­ ных очистных снарядов отвечают этому описанию, но разница между стан­ дартным и усиленного воздействия очистными снарядами заключается

вочень большой мощности постоянных магнитных пластин и в конструкции прицепного оборудования, присоединение которого превращает снаряд уси­ ленного воздействия из одномодульного в двухмодульный. Это магнитное очистное устройство в одномодульной сборке может представлять собой первый очистной снаряд усиленного воздействия, который можно запускать

втрубопровод независимо от вида перекачиваемого продукта и который одинаково хорошо себя чувствует как в газовой, так и в жидкой среде.

Первый и все последующие запуски тщательно контролируются, давле­ ние позади снаряда записывается, чтобы показать насколько трудно снаряду приходится работать. Например, если давление проталкивания снаряда по­ стоянно повышается во время его продвижения, это может указывать на то, что снаряд собирает и перемещает большое количество грязи. Если же дав­ ление остается постоянным или поднимается незначительно, это означает, что снаряд сравнительно легко проходит по трубопроводу.

После прибытия снаряда в приемник его состояние и количество грязи, находящейся непосредственно перед снарядом и прилипшей к магнитным пластинам, дадут четкие сведения о том, каким было прохождение - легким или трудным. Следует отметить, однако, что количество грязи, обнаруженное непосредственно перед снарядом, будет остаточным, поскольку основная масса грязи уносится потоком продукта, перекачиваемого по трубопроводу,

коборудованию, находящемуся далее по течению. Необходимо осуществлять запись данных, чтобы фиксировать все вышеупомянутые детали для сравне­ ния с результатами последующих прохождений снарядов. Если трубопровод загрязнен не слишком сильно, нет надобности повторять запуск одномодуль­ ного снаряда магнитной очистки перед усилением воздействия устройства. Нужная агрессивность достигается добавлением второго модуля. Он присо­ единяется к первому модулю с использованием универсального устройства, создающего двухмодульный магнитный очистной снаряд, который является более агрессивным, чем одномодульный снаряд, по очевидным причинам. Во время первоначального запуска двухмодульного снаряда второй модуль будет идентичным первому. Если трубопровод не очень загрязнен, вполне достаточно выполнить два или три прохождения двухмодульных снарядов

ина этом завершить операцию по очистке снарядами усиленного воздей­ ствия. Однако некоторые трубопроводы оказываются очень загрязненными, в таком случае требуется более высокая агрессивность. В трубопроводах, по которым транспортируются жидкости (особенно парафиновые нефти),

необходимо использовать различные типы очистных снарядов усиленного воздействия.

Для очистки газопроводов используются те же двухмодульные магнит­ ные очистные снаряды, но только к переднему модулю крепятся еще мощные щетки, которые отличаются от щеток консольного типа или распираемых спиральными пружинами, обычно применяемых в стандартных очистных снарядах. Это довольно жестко закрепленные щетки, какие можно видеть на внутритрубных инспекционных снарядах, работающих по принципу маг­ нитного обнаружения утечек. Поэтому-то внутритрубные снаряды-дефекто­ скопы являются и самыми лучшими очистными снарядами.

Однако закрепление полного комплекта щеток на переднем модуле на этой стадии очистки привело бы к созданию сверхагрессивного снаряда. В связи с этим необходим полноценный контроль за агрессивностью. При­ крепляя только 25 или 50 % щеток, можно значительно снизить агрессив­ ность. Установка необходимого числа щеток будет зависеть от результатов прохождения различных снарядов усиленного воздействия в данное время. Если трубопровод крайне загрязнен, то необходимо установить только 25 % щеток, а при меньшем загрязнении трубопровода можно прикрепить 50% щеток.

При последующих запусках к снаряду обычно крепится больше щеток. После прохождения снаряда с полным комплектом щеток предстоит решить, нужно ли прикреплять щетки к заднему модулю, что приведет к исключи­ тельно высокой агрессивности очистного снаряда, равной, если не превосхо­ дящей, агрессивности внутритрубного снаряда-дефектоскопа. Что касается газопроводов, то двухмодульные магнитные очистные снаряды, снабженные щетками, можно запускать до тех пор, пока трубопровод не станет чистым и готовым к инспекции внутритрубным прибором.

Снаряд с булавочными дисками. Как было упомянуто выше, этот сна­ ряд обычно используется только для усиленной очистки трубопроводов, по которым перекачиваются жидкие продукты, хотя в некоторых случаях он показал свою эффективность при удалении со стенок газопроводов твердых осадков и других отложений.

Снаряд с булавочными дисками применяется после того, как двухмо­ дульный магнитный очистной снаряд (без применения щеток) удалит непри­ крепленные загрязнения из жидкостного трубопровода и останутся только прочные отложения, прилипшие к стенкам трубы. Можно утверждать, что двухмодульный магнитный очистной снаряд, снабженный щетками, эффек­ тивно удаляет твердые осадки и парафины. Это так, но контролировать агрес­ сивность при использовании щеток невозможно, что чревато созданием ситу­ ации слишком жесткой очистки, которая приведет к заклиниванию снаряда.

Снаряды с булавочными дисками состоят из цилиндрического сталь­ ного корпуса, похожего на любой стандартный очистной снаряд. Однако вместо обычных полиуретановых поддерживающих и уплотняющих дис­ ков на нем устанавливаются четыре или шесть специально разработанных

иизготовленных дисков с булавками по наружному диаметру. Эти диски изготовляются из полиуретана средней жесткости, имеют толщину 51 мм

инаружный диаметр на 100 мм меньше, чем номинальный внутренний диа­ метр трубы. Радиально по окружности каждого диска выступают стальные булавки, которые ввинчены в гнезда, закрепленные в торце диска. Длина булавок такова, чтобы диаметр между концами любых двух противополож­ ных булавок был больше внутреннего диаметра трубопровода на 19 мм. Это значит, что коща устройство движется по трубопроводу, булавки отклонены назад под небольшим углом, помогая процессу очистки и, что более важно, компенсируя любое изменение внутреннего диаметра трубы. Концы булавок имеют наплавки из твердого металла, чтобы замедлить их износ до мини­ мума. Наплавки закруглены, чтобы исключить повреждение стенок трубы. Этот снаряд всегда движется позади одномодульного магнитного очистно­ го снаряда, и для соединения двух снарядов используется универсальное устройство. Каждый диск ориентируется таким образом, чтобы булавки на нем удобно смещались одна относительно другой. Такое смещение гаран­ тирует эффективную очистку всей поверхности. Устройство со съемными булавками допускает выбор степени агрессивности для удаления парафина

итвердых осадков, а по завершении каждого прохождения снаряда по тру­ бопроводу любая изношенная или поврежденная булавка может быть про­ сто заменена новой. За счет увеличения твердости полиуретанового диска, несущего булавки, достигается усиление агрессивности.

Когда осуществляется очистка с усиленным воздействием на стенки трубопровода при использовании устройства с дисками, оснащенными бу­ лавками, необходимо контролировать уровень агрессивности, чтобы умень­ шить риск закупоривания, который может возникнуть, если слишком много материала удаляется со стенок трубы. Для снижения риска закупоривания трубы во время первых запусков устройства для очистки желательно, чтобы поверхность трубы очищалась не полностью. Парафин и твердые осадки лучше удалять постепенно, во время нескольких запусков очистных снаря­ дов. Это достигается путем запуска снаряда, оснащенного 25.. .50 % булавок,

азатем добавлением их с каждым последующим запуском, пока не будут установлены все булавки. Помимо этого, если требуется большая агрессив­ ность, то устанавливаются диски большей жесткости.

Конструкция снаряда такова, что удаляемые со стенок парафин и твердые осадки не проталкиваются вперед самим булавочным снарядом. Они остают­ ся позади него в трубопроводе. Для удаления этих загрязнений из трубопро-

вода используется двухмодульный магнитный очистной снаряд (без щеток), обычно относящийся к бульдозерному типу снарядов. Последовательные запуски булавочного, а затем бульдозерного снаряда будут продолжаться до тех пор, пока не прекратится выход загрязнений из трубопровода.

Необходимое число запусков зависит от того, насколько загрязнены стен­ ки трубы. При легком загрязнении может потребоваться по три или четыре запуска снарядов булавочного и бульдозерного типов. Для сильно загрязнен­ ных трубопроводов, которые прежде не подвергались чистке внутритрубными устройствами, может потребоваться до нескольких десятков запусков снарядов каждого типа. Как отмечалось ранее, устройства с дисками, осна­ щенными булавками, используются главным образом в трубопроводах, по которым перекачиваются жидкости, особенно они требуются для очистки нефтепроводов.

Внутритрубные снаряды со щеточными дисками. Трубопроводы, у которых на боковых стенках и на дне образовались каверны в результате коррозии, не могут быть эффективно очищены ни магнитным устройством, ни устройством с дисками, оснащенными булавками. В магнитных очист­ ных устройствах щетки, прикрепленные в одном или обоих модулях, не­ способны чистить коррозионные каверны (чистке подвергаются в основном перемычки между ними). Отдельные булавки в устройствах с булавочными дисками входят в каверны, однако этого недостаточно, чтобы полностью их очистить. В таких случаях вступает в действие устройство, снабженное щеточными дисками. Оно сконструировано для очистки коррозионных ка­ верн сравнительно крупных размеров. Устройство фактически идентично устройству с булавочными дисками, за исключением того, что все булавки заменены маленькими округлыми щеточными пучками, имеющими диаметр 12,7 мм. Это устройство было разработано в результате обширных пробных прохождений через трубы различных диаметров. При этом была доказана его высокая эффективность при очистке коррозионных каверн в работающих трубопроводах. Устройство со щеточными дисками движется позади одно­ модульного магнитного очистного устройства. В случае сильного загрязне­ ния трубопровода используется два модуля щеточных дисков, в результате чего образуется трехмодульное устройство и сокращается число необходи­ мых запусков снарядов для очистки трубопровода.

Очистка с усиленным воздействием на стенки - успешный способ из­ бавления от твердых осадков и отложений парафина на стенках работающих трубопроводов. Благодаря тому что очистка с усиленным воздействием на стенки трубы выполняется без прекращения работы трубопровода, она не оказывает влияния на производительность трубопровода. Очистку можно выполнять в любое время. Она не требует применения опасных химиче­ ских веществ и не вызывает повреждений трубопровода. Благодаря тому

в трубопроводном деле использовала в 1971 г. компания «Dowell of Canada» для удаления воды из нефтесборных линий, так как обычные поршни не могли выполнить эту операцию.

Впоследующие годы гелеобразные поршни часто использовались для обычного разделения партии жидкости в трубопроводах, не оснащенных устройствами для запуска и приема обычных механических разделителей. Затем было запатентовано использование гелей для химической обработки стенок трубопроводов путем размещения обрабатывающих химреагентов или растворителей между гелеобразными «поршнями» с обычным составом гелей, или путем применения гелей, в которые также введены химреаген­ ты [74].

Большинство применяемых в трубопроводах гелей - на водной основе, но можно получить в гелеобразной форме ряд химреагентов, растворителей

идаже кислот [75]. Некоторые химреагенты могут быть получены в геле­ образной форме без добавок, другие растворяются в жидкости-носителе. Так, гелеобразное дизельное топливо (впервые запатентованное для исполь­ зования в трубопроводном деле в 1973 г.) все в большей степени применяет­ ся в качестве носителя ингибиторов коррозии в газопроводах [66, 70].

При трубопроводных работах применяются гели четырех типов:

• гели - разделители партий нефтепродуктов [74];

• гелеобразные поршни для выноса мусора из полости трубопровода [80];

• углеводородные гели [75];

• осушающие гели [76].

Втрубопроводном деле гели используются для следующих целей [28]:

• разделения перекачиваемых продуктов, удаления из полости трубопро­ вода мусора;

• при заполнении и гидравлических испытаниях трубопроводов, осво­ бождении полости трубопровода от воды и ее осушке;

• удаления конденсата из газопроводов;

• прокачки ингибиторов коррозии и биоцидов;

• проведения специальной химической обработки;

• удаления застрявших в трубопроводах механических скребков.

Применение гелей при последовательной перекачке. Гелеобразные раз­ делители получают путем добавки в пресную или морскую воду гуаровой смолы, характеризующейся поперечными связями молекул с одновремен­ ным непрерывным или периодическим перемешиванием. Концентрация геля подбирается в зависимости от условий его применения. Гели, приме­ няемые в качестве разделителей, отличаются псевдопластичностью, вязко­ упругостью, когезионностью, способностью к самовосстановлению формы

иуменьшению напряжения сдвига.

Такого рода гели обтекают препятствия или проходят через сужение, восстанавливая затем свою форму и свойства до первоначальных. Разде­ лительные гели обеспечивают высокую степень герметичности, полнос­ тью предотвращая перетоки разделяемых жидкостей. При применении же обычных механических разделителей обычно около 1 % проталкивающей жидкости проникает в проталкиваемую.

Небольшое перемешивание (значительно меньшее, чем при применении механических разделителей) происходит только в результате образования тонкой пленки (0,1...0,2 мм) из проталкиваемой жидкости, в которой пере­ мещается гель. Так как гель представляет собой воднодисперсионную сре­ ду, наблюдается некоторый размыв его при проталкивании водой, особенно если наблюдается турбулентность потока.

При необходимости сброса геля, например, в море, его можно легко дис­ пергировать, особенно целесообразно при этом производить перемешивание. Если требуется, для разрушения вязкоупругой структуры геля после выхода его из трубопровода можно использовать химреагенты. Разложившийся гель можно легко собрать и откачать для дальнейшей обработки.

Уже при слабом воздействии окружающей среды гели разлагаются так же, как полисахариды. Разрешен сброс деградированных гелей в британский и норвежский секторы Северного моря.

Разделительный поршень из геля может быть использован самостоя­ тельно или в комбинации с механическим разделителем, что значительно повышает эффективность последнего. В результате такой комбинации устра­ няется опасность застревания механического разделителя. Гелевые поршни высокоэффективны при удалении механических разделителей, застрявших в трубопроводах вследствие износа уплотнительных манжет или накопления впереди них мусора.

Механические разделители продвигаются вперед под действием перепада давления между проталкиваемой и проталкивающей жидкостями (рис. 64).

В механических разделителях уплотнение достигается лишь по неболь­ шому кольцу, причем площадь контакта уменьшается по мере продвижения разделителя вследствие износа уплотнительных манжет в изгибах трубо­ провода или на проварах кольцевых швов. Постепенный износ манжет при­ водит к увеличивающемуся пере­ току проталкивающей жидкости в проталкиваемую перед разде­ лителем и уменьшению перепа­ да давления на разделителе. Ско­ рость продвижения разделителя постепенно снижается, и может

наступить такой момент, когда он полностью остановится в результате трения о стенки трубопровода (рис. 65).

t

2

Рисунок 65 — Застревание очистных поршней или разделителей:

— изношенные манжеты; 2 — накопившийся загрязняющий материал

Переток жидкости приведет к дальнейшему ухудшению степени герме­ тичности.

При прокачке гелевого разделителя к застрявшему механическому вос­ станавливается герметичность уплотнения последнего и уменьшается тре­ ние его о стенки трубопровода. Реология геля такова, что когда механичес­ кий разделитель начинает двигаться, он как бы становится одним целым с гелевым поршнем и в результате выталкивается из трубопровода.

При застревании механического разделителя из-за накопления впереди него мусора, перетоки жидкости быстро возрастают вследствие нарастаю­ щего разрушения манжет. При прокачке гелевого поршня к такому разде­ лителю гель вначале проникает через зазор между стенками и манжетами и воздействует на некоторую часть мусора, проталкивая его вперед, затем восстанавливается герметичность уплотнения, и освобожденный механичес­ кий разделитель в результате может быть вытолкнут из трубопровода. Так как мусор распределяется по некоторой длине трубопровода, вероятность повторного застревания механического разделителя до выхода его из линии невелика.

Длина гелевых разделительных поршней колеблется в пределах от 60 до 600 м, в зависимости от протяженности и диаметра трубопровода. В трубо­ проводе с большим содержанием влаги гель течет, сохраняя ламинарность центральной части потока. Давления вытеснения аналогичны давлениям, при которых производится заполнение трубопровода. Однако при расчете процесса вытеснения необходимо всегда принимать большие давления, тре­ буемые для страгивания вязкоупругого геля с поверхности сухой стенки.

Гелевые поршни для очистки трубопроводов. Для очистки трубопрово­ да от мусора могут использоваться с разной степенью эффективности гели

всех типов. Состав геля специально для выталкивания мусора из полости трубопровода запатентован компанией «Shell development» [80] и разработан совместно с компаниями «Shell expo» и «Dowell Schlumberger». В 1978 г. были начаты интенсивные исследования с целью подготовки к очистке гелем газо­ проводной системы «Flags» протяженностью 450 км в Северном море [28]. Для очистки газопровода в качестве гелеобразователя был выбран 1,2%-й (по весу) раствор полимера «Кельцан ХС» в чистой пресной воде, который и был рекомендован фирмой «Shell Development». Гидравлические характеристи­ ки трубопровода в результате очистки были существенно улучшены [32].

Гели для очистки полости трубопроводов от мусора подготавливаются путем ввода в морскую воду ксантанового полимера, причем доля послед­ него в растворе должна составлять 1 % [28]. Образующийся гель с попереч­ ными связями характеризуется высокой вязкостью и адгезионностью, он представляет собой бингамовскую среду с высоким значением предела те­ кучести, что обеспечивает поддержание частиц мусора в геле во взвешенном состоянии, даже если гель неподвижен в течение долгого периода времени. Как вязкость, так и предел текучести такого геля возрастают по мере увели­ чения в его массе доли загрязняющего материала.

За гелевым поршнем для удаления мусора из трубопровода следует меха­ нический поршень. Скорость движения должна поддерживаться в пределах 0,3...0,9 м/с, что обеспечит пробковое течение геля по трубопроводу. При таком режиме движения центральная часть гелевого поршня имеет полу­ твердую структуру, в отличие от кольцевой зоны у стенки трубопровода. При передвижении гель кольцевой зоны перемещается механическим поршнем в направлении центральной зоны. Таким образом, движение геля внешне напоминает перемещение гусениц трактора (рис. 66).

Рисунок 66 — Механизм переноса загрязняющего материала в очистном поршне из геля

Гель отличается весьма высокой адгезионной способностью по отноше­ нию к загрязняющим материалам. Эти материалы захватываются и перено­ сятся в центральную часть гелевого поршня по траекториям, показанным на рис. 66 стрелками. Таким образом, загрязняющий материал не может накапливаться перед гелевым поршнем, и поэтому опасность застревания