蘇里格氣田集輸管道段塞流的動態(tài)預(yù)測

王熒光，鄧玉明，秦芳晨，孔冬梅，裴巧卉

（中油遼河工程有限公司，遼寧盤錦 124010）

蘇里格氣田集輸管道段塞流的動態(tài)預(yù)測

王熒光，鄧玉明，秦芳晨，孔冬梅，裴巧卉

（中油遼河工程有限公司，遼寧盤錦 124010）

蘇里格氣田地面環(huán)境惡劣，由于地形起伏變化較大，在集輸管道中極易形成段塞流，造成管路的不穩(wěn)定振動。如何準(zhǔn)確預(yù)測管道系統(tǒng)段塞流的形成對高效開發(fā)蘇里格氣田具有非常重要的意義。現(xiàn)采用TACITE軟件對蘇-10井區(qū)集氣閥組管道的正常投產(chǎn)和通球情況下的段塞流進行預(yù)測，并采用PIPEFLO軟件對其結(jié)果進行驗證，結(jié)果表明：TACITE計算結(jié)果比PIPEFLO計算結(jié)果較保守。經(jīng)預(yù)測，在蘇-10井區(qū)由于地形變化大產(chǎn)生了地形段塞流，流體在流動過程中流型等流動特性發(fā)生了變化。流體經(jīng)上凹肘部時會產(chǎn)生段塞積液，引起不穩(wěn)定的振動現(xiàn)象，導(dǎo)致液體出流；流體經(jīng)上凸肘部時，由于流動特性變化，段塞流可能存在或消失。在通球過程中，由于清管器的運行，使管道各點出現(xiàn)超高壓力值，應(yīng)引起注意。

TACITE軟件；PIPEFLO軟件；段塞流；清管；動態(tài)預(yù)測；蘇里格氣田

0 引言

蘇里格氣田位于長慶靖邊氣田西北側(cè)的蘇里格廟地區(qū)，是本世紀(jì)初我國新發(fā)現(xiàn)的第一個世界級整裝大氣田，累計探明儲量7×1011m3。該區(qū)域處于毛烏素沙漠的南部，地勢由西北向東南逐漸傾斜，地形起伏大，集輸管道中的水平管段和上升管段易產(chǎn)生段塞流。段塞流的產(chǎn)生容易使多相流體管路出現(xiàn)不穩(wěn)定的振動、斷流或分離器溢流。嚴(yán)重段塞流的產(chǎn)生還會使管段流量和壓降急劇變化，該變化往往造成下游設(shè)備的關(guān)閉、停產(chǎn)甚至毀壞[1]。因此，開展管道內(nèi)流體瞬態(tài)變化和清管操作時流體特性的研究有利于蘇里格氣田地面建設(shè)管道和設(shè)備的設(shè)計與操作。

目前，段塞流的預(yù)測一般采用兩種方法：一種方法是采用經(jīng)驗相關(guān)式進行段塞流的模擬，找出段塞的形成區(qū)域，采用該種方法的軟件有PIPESIM、PIPEPHASE、PIPEFLO等。該方法效率較高，計算相對簡單，但通用性差，計算精度不理想。另外一種方法是通過建立獨立力學(xué)模型對段塞流進行嚴(yán)格的計算，這類應(yīng)用較廣泛的軟件有PeTra、TACITE、OLGA和TUFFP。PeTra雖然首次采用拉格朗日算法，能夠預(yù)測段塞流開頭與段塞流尾的流動情況，但由于PeTra軟件沒有包括能量方程，因此沒有考慮與溫度相關(guān)的問題[2]；TACITE、OLGA和TUFFP模擬的結(jié)果可與實驗數(shù)據(jù)有較好的匹配，其中OLGA和TACITE可對大半徑的長輸管道進行真實的瞬態(tài)流動模擬，而TACITE比OLGA更加準(zhǔn)確[3-4]。

此外，近年來對段塞流的工程預(yù)測多集中在嚴(yán)重段塞流的預(yù)測上，盡管嚴(yán)重段塞所表現(xiàn)出來的周期性與地形段塞相似，但是對受上下游流體條件變化影響的地形段塞流的預(yù)測與分析更加復(fù)雜?，F(xiàn)采用TACITE軟件對蘇里格氣田蘇-10井區(qū)地面建設(shè)工程在正常投產(chǎn)和通球情況下集氣閥組管道地形段塞流進行瞬態(tài)預(yù)測，并采用PIPEFLO軟件對計算結(jié)果進行驗證。

1 TACITE多相流模型

1.1 TACITE流體動力學(xué)模型

TACITE模型是一種漂移流動模型，該模型分解為4個守恒聯(lián)立方程式[5]。

TACITE通過一個取決于流動狀態(tài)穩(wěn)態(tài)閉合關(guān)系的曲線來恢復(fù)有關(guān)相間滑脫的遺漏信息[6]，為了確定相態(tài)，假設(shè)每種狀態(tài)都是兩個基本方式的空間與時間的結(jié)合，即分離流動 （層狀流和環(huán)狀流）和分散流動方式。間歇流動便可以看作是這兩個基本方式的結(jié)合，并且通過分離流的比率β=1來確保閉合規(guī)律的連續(xù)性。因此，該模型的獨創(chuàng)性就在于：動力方程組確保了模型在整個流動狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間的連續(xù)性；閉合定律對坡度和流體特性來說保持其連續(xù)性；建立了在被計算的變量連續(xù)性基礎(chǔ)上的流動方式轉(zhuǎn)換理論。

1.2 TACITE流體熱力學(xué)模型

TACITE含有最優(yōu)化的完整的熱力學(xué)閃蒸計算方法，可保證對給定組分的相性質(zhì)和相平衡計算的可靠性。該閃蒸算式使油—氣—水三相平衡計算更加準(zhǔn)確。TACITE計算時間會隨著跟蹤組分數(shù)量的增加而增加許多，因此當(dāng)采用TACITE計算時，實際上不是以定義的實際組分進行模擬，而是首先將流體組分分成N個虛擬組分，再估計虛擬組分的性質(zhì)，最后在適當(dāng)?shù)臏囟葔毫Ψ秶鷥?nèi)將虛擬組分的性質(zhì)加以優(yōu)化，用虛擬組分的性質(zhì) （如優(yōu)化的流體密度和蒸汽質(zhì)量分數(shù)）來替代初始組分的多種性質(zhì)。采用產(chǎn)生的虛擬組分來進行模擬，這樣可以減少組分的數(shù)量，保證流體性質(zhì)模擬的準(zhǔn)確性。對于設(shè)定的虛擬組分的最佳分餾界限應(yīng)該使蒸汽質(zhì)量分數(shù)或狀態(tài)參數(shù)方程的目標(biāo)函數(shù)最小化，這種方法是首次在TACITE中加以應(yīng)用。該二進位表示法對于標(biāo)準(zhǔn)流體模擬是很準(zhǔn)確的[7]。

1.3 TACITE流體熱傳遞模擬

TACITE軟件有4種熱傳遞模擬方法：一是使用自己定義的流體溫度梯度；二是采用穩(wěn)態(tài)計算得到的溫度梯度；三是瞬時熱傳遞，即假設(shè)在特定的位置徑向熱傳遞速率比連續(xù)的穩(wěn)態(tài)徑向溫度場的傳遞速率快；四是包括各層間慣性的瞬時熱傳遞，即假定由于管道及保溫材料的熱容量的有限性使徑向熱傳遞比瞬時溫度場的傳遞速度快。

1.4 TACITE數(shù)值格式

該數(shù)值格式所采用的守恒方程形式如下：

式中W——守恒變量；

t——時間；

F——流量；

x——坐標(biāo)；

S——源項。

該方程是一個非線性雙曲型組，在迭代循環(huán)中和沿管道單元有較好的質(zhì)量和能量平衡，同時該方程也是非耗散型的，可以確保有較好的正面跟蹤能力。在段塞流發(fā)生時空隙率波會向兩個方向擴展，這樣采用顯隱式混合格式來優(yōu)化計算速度和正面跟蹤能力以預(yù)測段塞流便顯得十分重要了。

2 段塞流的動態(tài)預(yù)測

2.1 天然氣典型組成

鄂爾多斯盆地上古生界天然氣的生氣源巖主要為石炭～二疊系煤系地層，物理性質(zhì)相對穩(wěn)定。其物理組成為：甲烷平均含量92.50%，乙烷平均含量4.525%，CO2平均含量0.779%，不含H2S，相對密度0.6037；凝析油含量很低，介于2.15～4.93g/m3之間，生產(chǎn)氣油比介于159396.83～364125.45m3/m3之間。具體組分見表1。

表1 蘇里格氣田天然氣典型組成

2.2 TACITE虛擬組分的生成

TACITE程序?qū)⑻烊粴饨M分的液體密度和氣體質(zhì)量分數(shù)進行優(yōu)化。圖1~3分別列出了真實組分與虛擬組分的物性對比圖?？梢娡ㄟ^TACITE計算將天然組分分成2個或3個虛擬組分時，組分的物性優(yōu)化較差，而分成5個虛擬組分時，優(yōu)化的物性較接近實際組分，7個虛擬組分有更好的優(yōu)化結(jié)果。因此，考慮到計算的準(zhǔn)確性和計算時間，TACITE程序?qū)⑻K里格氣田的10個天然氣組分分成7個虛擬組分。

2.3 段塞流的TACITE模擬

為了保證工程實際運行，計算采用較苛刻的邊界條件，具體數(shù)據(jù)如下：管道規(guī)格D 273.1 mm×5.2 mm；粗糙度為0.08 mm；標(biāo)準(zhǔn)工況下天然氣輸量為Qg=22.5×104m3/a；含水量為5×10-4m3/m3；管道總長L=7 600 m；管道埋地敷設(shè)，管頂埋深1.5 m；環(huán)境溫度取0℃，集氣閥組起點溫度為5℃;壓力為800 kPa。地形起伏多相流管道由75個起伏點和74段起伏管段組成 （見圖4），收發(fā)球筒位于管道首端與末端。穩(wěn)態(tài)時間100 s，正常投產(chǎn)計算時間7 500 s，通球計算時間2 000 s，發(fā)球起始時間20 s。從該圖可見TACITE計算出的主要段塞流位置，同PIPEFLO計算的段塞流位置115.4、810、1 000.19、 1 500.25、 1 585.96、 3 933.76、 4 451.80、5 884.95、7 349.95 m相接近。表2為兩種軟件計算結(jié)果的對比舉例。

表2 TACITE和PIPEFLO軟件計算結(jié)果對比

2.3.1 正常投產(chǎn)段塞流預(yù)測

圖5列出了不同時刻沿管道變化的流型圖，

通過比較可以看出，兩種軟件計算結(jié)果比較接近，而TACITE計算的段塞流長度和總持液量要比PIPEFLO的大10%以上，可見該軟件的計算結(jié)果較保守，可較安全地應(yīng)用于實際工程。同時表明該管道的段塞流量較小。

由圖6可見在 200、1 100、2 500、4 300、6 000、7 000 m出現(xiàn)了較大的壓力變化，結(jié)合圖4可見這些壓力變化較大的位置均出現(xiàn)在極易產(chǎn)生段塞的地形起伏較大的上升管段和下降管段的凹凸結(jié)合處。

圖7和圖8為流量瞬時變化曲線，從中可以看出在出現(xiàn)地形段塞流的位置，氣體與液體流量隨時間發(fā)生了較大的變化。液體流量在零上下變化，而氣體流率穩(wěn)定在2.7 kg/s左右。值得注意的是液體在不同時刻產(chǎn)生了倒流現(xiàn)象，具有負流量，這是地形段塞的一個重要特征。

對于圖4中a點所示流體，流經(jīng)上凸肘部后在重力作用下不斷脫落液體，導(dǎo)致段塞流長度變短。在少數(shù)特殊情況下，段塞流在肘部會完全消失，轉(zhuǎn)換成分層流。即使段塞流沒有完全消失，在接下來的下降段流動中，段塞流在重力的作用下不斷脫落到尾部膜區(qū)，長度會逐漸減小。如果下降段足夠長，或流速較低時，段塞流仍可能最終消失而產(chǎn)生分層流動，從圖5中可以明顯看到段塞流與分層流之間的轉(zhuǎn)換過程。然而，一旦段塞流成功地通過下游段，它將最終在下游的水平段中穩(wěn)定下來[8-10]。

對于圖4中b點所示流體，一種情況是流經(jīng)下凹肘部時流體的流動方向發(fā)生了變化，重力對流體的作用發(fā)生改變，使液體的流速減小，部分液體堆積在肘部，穩(wěn)定的段塞流流經(jīng)肘部時會拾起從前一個段塞流脫落并堆積在尾部膜區(qū)的液體，使段塞流長度增加。由于流動方向的改變，肘部兩相流體之間的相互作用增強，許多小氣泡被捕獲在段塞流中，段塞流的平均含液率會降低，從而導(dǎo)致段塞流的長度進一步增加。隨著傾角的增加，重力的作用更明顯。另一種情況是當(dāng)流體流過下凹肘部時，將產(chǎn)生新的段塞流，即地形段塞流，它是由于管道布置因地形變化產(chǎn)生的，這種情況主要出現(xiàn)在來流是分層流或流速較低的段塞流。將來流作為分層流進行分析，因來流速度低，且油的黏度大，流動阻力也大，液體流到肘部不再往上流動或非常緩慢，液體堆積在肘部，但上游不斷有液體提供，肘部液體越積越多。當(dāng)堆積在管段下凹肘部的液體接觸到管道的上表面時，一個液柱便立即產(chǎn)生。該液柱在上游不斷增加的氣體壓力推動下提升液位，進而導(dǎo)致重位壓頭的增加。當(dāng)液柱尾部截面超過下凹肘部的最低點時，液柱的重位壓頭不再增加，所形成的段塞流被帶入下游，地形段塞流產(chǎn)生。這種段塞的長度都比較短，其長度小于穩(wěn)定長度的最小值，很不穩(wěn)定，并且很容易充入氣體。在管段的下凹處，當(dāng)液體堆積在管段下凹處并且接觸到管道的上表面時，地形段塞流便立即產(chǎn)生。然而，并不是每一個地形段塞流都能長到足夠大，變成熟并最終穩(wěn)定下來的，大部分地形段塞流在以后上升段短的距離流動中衰減下來，而只有少量的地形段塞流才能生存下來流進下游的水平段。即便如此，這些暫時生存下來的地形段塞流是否能在進一步的下游中生存也是不確定的[11-14]。

從圖8的液相體積分數(shù)變化曲線可看出，在段塞流發(fā)生的地方液相體積分數(shù)突然增加，并且與壓力、流量具有相同的變化趨勢，即在這些地方發(fā)生了液體堆積。

2.3.2 通球情況段塞流的預(yù)測

表3為TACITE和PIPEFLO軟件對通球工況的計算結(jié)果。

表3 TACITE和PIPEFLO軟件通球工況計算結(jié)果對比

通過比較可看到，TACITE與PIPEFLO計算的通球時間和流體類型都較接近，但TACITE計算的系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)態(tài)時間要比PIPEFLO短得多，這可能是由于計算方法不同所致。同時在正常投產(chǎn)與通球狀態(tài)下流型的變化主要是由于通球過程影響流體正常流動造成的。

圖9顯示出了壓力與液體流量隨時間變化趨勢。

當(dāng)清管器進入管道后，流動阻力使清管器上游氣體被壓縮，從而使入口起始壓力出現(xiàn)短暫升高；在清管器開始運動后，入口處壓力逐漸恢復(fù)到新的穩(wěn)態(tài)，而在管道其他位置，在清管器進入管道后流體暫時中斷導(dǎo)致流體出現(xiàn)短暫的停滯，各點壓力開始下降，直到通球過程中液體到達壓降下降各點，壓力才開始逐漸升高；而當(dāng)清管器通過各點后，在清管器后部一段時間沒有液體存在，清管器經(jīng)過后的各點壓力幾乎相同；通球結(jié)束后，各處壓力又重新回到了新的穩(wěn)態(tài)[15]。液體流量變化主要是由于清管器在經(jīng)過管道時，段塞液體連續(xù)被清管器收集到一起，使各處液體流量出現(xiàn)短期急劇增大現(xiàn)象，待清管器通過各積液點后，由于積液被清管器帶走，使得一段時間內(nèi)液體流量為零。

3 結(jié)論

通過采用TACITE軟件對蘇里格正常投產(chǎn)和通球情況下段塞流進行預(yù)測，可知：

（1） TACITE軟件可以動態(tài)地預(yù)測集輸管道的段塞流形成及相關(guān)參數(shù)，以指導(dǎo)工程技術(shù)人員采取相應(yīng)的措施來避免或緩解段塞流的形成。

（2）采取數(shù)量恰當(dāng)?shù)奶摂M組分以使虛擬流體物性接近實際流體是模擬準(zhǔn)確的前提。TACITE軟件與PIPEFLO軟件計算結(jié)果較接近，相對來說TACITE軟件的計算結(jié)果較保守，可較安全地應(yīng)用到實際工程，兩種軟件在流型預(yù)測上有一定的差別。

（3）在蘇-10井區(qū)正常投產(chǎn)情況下，由于地形影響，在流體經(jīng)過下管道凹肘部時會產(chǎn)生積液，產(chǎn)生了在分層流與段塞流之間進行轉(zhuǎn)化的地形段塞。新的段塞流在流速、重力、管道長度和傾角等特性的交互影響下，在管道的下游消失或穩(wěn)定存在下去；在流體經(jīng)過上凸肘部時，下游段塞流與原有段塞流的流動特性發(fā)生變化。由此可見地形變化對流型變化和段塞流的大小有顯著影響，掌握該規(guī)律對工程設(shè)計與現(xiàn)場施工具有一定指導(dǎo)作用。

（4）在通球狀態(tài)下，清管器的運動使流型較正常投產(chǎn)情況發(fā)生變化，同時清管器的運動和收集液體的增加，使管道各點壓力依次達到遠超過穩(wěn)態(tài)值的一個高峰值，對該現(xiàn)象應(yīng)給予高度重視。

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Dynamic Prediction for Slug Flow of Gas Gathering Pipelines in Sulige Gas Field

WANG Yin-guang（PetroChina Liaohe Petroleum Engineering Co.,Ltd.,Panjin 124010,China）,DENG Yue-ming,QIN Fang-chen,et al.

Since the terrain changes rapidly in Sulige gas field,it is easy to generate terrain-induced slug flow leading to vibration in gas gathering pipelines.Therefore it is very important for the development of Sulige Gas Field to predict the slug flow and optimize the gas gathering pipelines and facilities downstream.The software TACITE was used to simulate slug flow modeling of gas gathering pipeline with valves in the phases of typical production and pigging operation at Sulige 10 Block.And the results were validated by the software PIPEFLO.The dynamic prediction shows that the results from TACITE are conservative than those from PIPEFLO.The simultaneous presence of gas and liquid flowing in pipeline with several uphill and downhill sections at Sulige 10 Block leads to the formation of terrain-induced slugging,which results in the transformation of flow characteristics （i.e.flow pattern）;Liquid tends to build up at the lowest points of the pipeline,until it is forced onward through the rest of the pipeline by the pressure of the gas caught behind;Slugs from an upward inclined section can be carried over to downward inclined section after passing a top elbow,and the slug flow would exist or dissipate owing to change of flow characteristics.In pigging operation,pressures in the pipeline exceed normal value owing to the pig moving,that should be attached importance.

software TACITE；software PIPEFLO;slug flow;pigging;dynamic prediction;Sulige Gas Field

TE86

A

1001－2206（2011）04－0001－06

王熒光 （1979-），男，滿族，遼寧撫順人，工程師，2005年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)設(shè)計化學(xué)工程與工藝專業(yè)，碩士，現(xiàn)主要從事石油天然氣地面工程及研究工作。

2010-08-18；

2011-05-26