地形起伏對(duì)凝析氣集輸管道工況的影響

張 鵬 王大慶 田 軍

1．西南石油大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 2．西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院3．中國(guó)石油西南油氣田公司安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院質(zhì)監(jiān)站

隨著國(guó)內(nèi)外凝析氣田的不斷開發(fā)，凝析氣單管氣液混輸工藝技術(shù)被越來越廣泛地應(yīng)用，如目前國(guó)內(nèi)已開發(fā)的牙哈、吉拉克、迪那等凝析氣田都采用了氣液混輸?shù)姆椒ǎ?－2］。該方法的顯著優(yōu)點(diǎn)在于可以有效利用氣田地層能量，簡(jiǎn)化地面集輸流程和設(shè)備配置，降低地面建設(shè)投資。但該方法也為天然氣管輸生產(chǎn)帶來了一定的難題，由于種種原因管線中總要滯留一定的液體，這樣會(huì)減小管道流通面積，增大輸送壓降，從而額外消耗許多能量［3］，且管線在運(yùn)行一定周期后，當(dāng)管內(nèi)持液量增加至一定程度時(shí)常常會(huì)引發(fā)段塞流的產(chǎn)生，嚴(yán)重的段塞流會(huì)給管線終端處理設(shè)備造成較大的沖擊，嚴(yán)重影響集輸系統(tǒng)的安全、高效運(yùn)行，甚至?xí)斐墒鹿?。而地形起伏不均是造成凝析氣單管氣液混輸管道生產(chǎn)不穩(wěn)定的一個(gè)重要因素［4］。因此，筆者以某凝析氣田的一個(gè)集輸管網(wǎng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，利用當(dāng)前國(guó)際上公認(rèn)的多相流管網(wǎng)模擬軟件對(duì)該集輸管網(wǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算，分析研究了不同級(jí)別的地形起伏對(duì)凝析氣集輸管道工況的影響，以期對(duì)集輸管道的工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理提供幫助。

1 凝析氣混輸?shù)奶攸c(diǎn)及模擬工具

凝析氣田單管氣液混輸實(shí)際上是多相流輸送的一種特例，即大氣液比情況下的兩相流輸送，具有如下特點(diǎn)：①流型變化多，流態(tài)不穩(wěn)定；②存在相間能量變換和能量損失，管線中有液相的聚集；③流動(dòng)規(guī)律復(fù)雜，流動(dòng)阻力大。

針對(duì)天然氣／凝析液混輸管路的特點(diǎn)，20世紀(jì)90年代以來，挪威、英國(guó)、法國(guó)、美國(guó)等國(guó)均在混輸管路的穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)模擬方面做了系列的理論和實(shí)驗(yàn)研究，出現(xiàn)了一些著名的多相流管網(wǎng)模擬軟件，如PIPESIM、PIPEPASHE、OLGA、PIPESYS 等 商 業(yè) 軟 件［5－6］。 筆者將采用PIPEPHASE 9．0軟件對(duì)處于地形起伏下的某凝析氣田集輸管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行分析和計(jì)算。PIPEPHASE 9．0具有先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)求解算法，能處理任意復(fù)雜度的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，尤其是它在集成了PRO／Ⅱ的熱力學(xué)物性計(jì)算模塊和管線瞬態(tài)模擬模塊TACITE后，其功能更加完善和強(qiáng)大。在搭建模擬流程時(shí)，熱物性模型采用組分模型，狀態(tài)方程采用BWRST方程，水力學(xué)模型選用MBE經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，所有這些計(jì)算模型都是歷經(jīng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)驗(yàn)證過的，并被公認(rèn)為是較優(yōu)的模型組合［7－12］。

在凝析氣的PVT分析報(bào)告中，通常提供的是凝析氣井井流物中天然氣和凝析油的組成分析數(shù)據(jù)，并未將水組分納入其中，因此，計(jì)算前需將天然氣、凝析油和水按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際產(chǎn)量進(jìn)行混合，得到完整的井流物組分?jǐn)?shù)據(jù)，并以此作為組分模型的輸入，然后開展模擬計(jì)算分析。利用PIPHASE搭建的組分合成模擬和管網(wǎng)系統(tǒng)模擬的流程如圖1、2所示，利用該流程即可開展模擬計(jì)算。

圖2 凝析氣集輸管網(wǎng)的模擬流程圖

2 地形起伏對(duì)天然氣管輸?shù)挠绊?/h2>

為了能夠更準(zhǔn)確直觀地說明地形起伏對(duì)凝析氣管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)流體的壓力、溫度、持液率、持液量、流體流型、天然氣水合物形成情況等的影響，接下來將針對(duì)同一集輸管網(wǎng)模擬計(jì)算3種不同程度的地形起伏下管內(nèi)流體的各項(xiàng)參數(shù)情況，以便于對(duì)比分析（圖3）。這3種不同級(jí)別的地形起伏分別為：現(xiàn)場(chǎng)原高程起伏、全程1／2倍原高程起伏及全程均無高程起伏。

圖3 不同程度地形起伏下的管路高程變化圖

2．1 地形起伏對(duì)管路壓降、溫降的影響

管路壓降是管道設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行的基礎(chǔ)，而管路溫降是管道安全運(yùn)行的必要條件。對(duì)于凝析氣田混輸管網(wǎng)而言，管道沿線壓降和溫降與管內(nèi)重?zé)N凝析液量和持液率的大小又是密切相關(guān)的，于是模擬了管路壓降和溫降受不同程度地形起伏影響的情況（圖4、5）。

圖4 不同程度地形起伏下管路沿程壓力變化曲線圖

圖5 不同程度地形起伏下管路沿程溫度變化曲線圖

由圖4可知，管路沿程地形的起伏導(dǎo)致凝析氣混輸管內(nèi)流體的壓力出現(xiàn)了不同幅度的上下波動(dòng)，但隨著離輸送起點(diǎn)距離的增加，沿程壓力的總體變化趨勢(shì)仍是保持降低的。然而，按照不同程度地形起伏計(jì)算得到的管路總壓降大小具有明顯的差別，沿程地形起伏越大，壓力波動(dòng)幅度也越大，管路總壓降值越大；反之則越小。顯然，地形起伏的存在對(duì)凝析氣混輸較為不利，這是由于管路沿線壓力、溫度的降低，使重?zé)N凝析液不斷地析出并聚集在管道低洼處和上坡段內(nèi)，導(dǎo)致氣體的流通面積減小、流速增大，造成較大的摩擦損失和滑脫損失；而另一方面，在上坡段舉升液體所消耗的能量在下坡段又不能得到有效的回收。所以，對(duì)同一凝析氣管線而言，沿程存在地形起伏時(shí)的總壓降較水平或微地形起伏集輸管線的壓降要大得多，在管道設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意。

由圖5可知，在起始段，由于管道內(nèi)外溫差較大，管內(nèi)流體溫度下降較快，直至接近管道埋深溫度后，溫降才趨于緩和，并圍繞埋深溫度上下微幅波動(dòng)。管路沿程存在地形起伏時(shí)的管內(nèi)流體溫度波動(dòng)幅度相對(duì)大一些，1／2倍原高程起伏下的管內(nèi)流體溫度次之，而無高程起伏下的管內(nèi)溫度幾乎未出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象（圖5中在距起點(diǎn)15km處出現(xiàn)的氣流溫度陡然變化是由于另一口凝析氣井接入該管網(wǎng)系統(tǒng)所致），但從整體上看，不同程度地形起伏下管路沿程溫度變化趨勢(shì)大致上是一致的?？梢?，地形起伏對(duì)凝析氣管內(nèi)流體溫度的影響并不大。

2．2 地形起伏對(duì)持液率和持液量的影響

模擬計(jì)算得到不同程度地形起伏下凝析氣管道內(nèi)持液率的沿線分布曲線如圖6所示。從圖6可以看出，在無地形起伏的條件下，管路沿程持液率基本保持不變，平均持液率為0．1；而存在地形起伏的情況下（對(duì)照?qǐng)D6和圖3），管內(nèi)持液率隨沿線地形起伏的變化出現(xiàn)了不同幅度的波動(dòng)，且地形起伏高度越大，持液率波動(dòng)的幅度也越大，在上坡管段內(nèi)持液率相對(duì)較大，下坡管段內(nèi)持液率相對(duì)偏小。分析這種地形高差對(duì)持液率影響較大的原因是：上升管段內(nèi)流體在爬坡過程中壓降損失比較嚴(yán)重，管內(nèi)壓力下降相對(duì)較快，氣相體積膨脹，使得氣相流速加快，攜液能力增強(qiáng)，致使持液率隨地形高差的增加而增大；反之亦然。

圖6 不同程度地形起伏下管路沿程持液率變化曲線圖

不同程度地形起伏下，管內(nèi)持液量的計(jì)算結(jié)果為：原高程起伏下的管內(nèi)持液量為54．65m3；1／2倍原高程起伏下的管內(nèi)持液量為48．47m3；無高程起伏下的管內(nèi)持液量為50．77m3。可以看出，不同級(jí)別的地形起伏程度下管內(nèi)持液量的大小并無太大差別，其原因在于模擬計(jì)算得到的持液量?jī)H是指管內(nèi)流體在正常、穩(wěn)定流動(dòng)過程中某一瞬間整個(gè)管道中的總持液量，這點(diǎn)結(jié)合其理論計(jì)算公式便不難讓人理解［13］。

式中VL表示總持液量，m3；L表示管線長(zhǎng)度，m；HL為持液率，無量綱；A表示管道截面積，m2。

盡管不同程度地形起伏下整個(gè)管道中總持液量的計(jì)算結(jié)果相近，但管內(nèi)液體的分布卻有著顯著差別，由圖6可以發(fā)現(xiàn)，在無地形起伏時(shí)沿程管內(nèi)液體分布較為均勻，而在有地形起伏時(shí)管內(nèi)凝析液主要聚積在低洼處或上坡管段內(nèi)。此外，隨著生產(chǎn)時(shí)間的推移，管內(nèi)液體不斷被運(yùn)移并在低洼處或上坡管段內(nèi)積聚得越來越多，造成起點(diǎn)輸送壓力不斷升高，嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)超壓停產(chǎn)的現(xiàn)象。因此，對(duì)存在地形起伏的凝析氣集輸管道應(yīng)定期進(jìn)行清管，這也是目前清除管內(nèi)積液最為直接有效的方法；同時(shí)為防止清管過程中產(chǎn)生的強(qiáng)烈段塞流給終端處理器帶來巨大沖擊，應(yīng)考慮在處理器前端設(shè)置段塞流捕集器，以確保終端設(shè)施的平穩(wěn)正常運(yùn)行。

2．3 地形起伏對(duì)管內(nèi)流態(tài)的影響

不同程度地形起伏下凝析氣混輸管內(nèi)流體流型沿線分布預(yù)測(cè)結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，管路沿線在無地形起伏存在的情況下，管內(nèi)流體流型為分層流；在有地形起伏的情況下，管內(nèi)存在兩種流型，即分層流和段塞流，且沿線地形為原高程起伏和1／2倍原高程起伏下的流型分布大致相同，上傾管路內(nèi)流型為段塞流，下傾和水平管路內(nèi)流型為分層流?？梢?，管路沿線地形的起伏使得管內(nèi)流型呈現(xiàn)出極不穩(wěn)定的狀態(tài)，在分層流和段塞流間不斷地發(fā)生轉(zhuǎn)變。

圖7 不同程度地形起伏下管內(nèi)流體流型沿線分布預(yù)測(cè)結(jié)果圖

2．4 地形起伏對(duì)天然氣水合物形成的影響

凝析氣混輸管內(nèi)流體的相包絡(luò)圖和天然氣水合物形成曲線預(yù)測(cè)結(jié)果如圖8所示。圖8中右上角虛線框圖是對(duì)不同程度地形起伏下管內(nèi)流體p／T路徑線的局部放大圖。圖8中的天然氣水合物形成曲線左側(cè)與相包絡(luò)線圍成的區(qū)域?yàn)樘烊粴馑衔镄纬蓞^(qū)（天然氣具備生成天然氣水合物的壓力和溫度）。模擬結(jié)果顯示，在管路沿線存在地形起伏的情況下，管內(nèi)流體p／T路徑線有一部分位于天然氣水合物形成區(qū)內(nèi)，再加上所模擬的凝析氣井井流物中含有游離水，所以這部分管段內(nèi)會(huì)有天然氣水合物生成，且原高程起伏下管內(nèi)有突然水合物形成的區(qū)域（或管段）較1／2倍原高程起伏下的管內(nèi)天然氣水合物區(qū)域更大一些；而沿程無地形起伏時(shí)管內(nèi)凝析氣p／T路徑線全部位于天然氣水合物區(qū)外側(cè)，說明水平管內(nèi)無天然氣水合物生成。

圖8 管內(nèi)流體相包絡(luò)線和天然氣水合物形成曲線圖

當(dāng)然，凝析氣集輸管道內(nèi)天然氣水合物的形成還與諸多因素有關(guān)，如井流物組成、起點(diǎn)輸送壓力和溫度、氣候條件等等，但在這些因素均保持不變的情況下，地形起伏條件下集輸管內(nèi)更易生成天然氣水合物，且沿線地形起伏程度越大，管內(nèi)生成天然氣水合物的可能性就越大，而水平集輸管內(nèi)生成天然氣水合物的可能性相對(duì)小一些。

目前最常用的防治凝析氣集輸管道內(nèi)天然氣水合物生成的措施有加熱和噴注化學(xué)抑制劑（如甲醇、乙二醇）。在凝析氣井含水和凝析油較多的情況下，注醇用量大，成本高，且注入的醇回收困難，同時(shí)對(duì)油質(zhì)和氣質(zhì)有一定的影響。因此，建議優(yōu)先采用加熱方式，在防止管內(nèi)天然氣水合物生成的同時(shí)，也可以防止輸送過程中管內(nèi)凝析油結(jié)蠟?zāi)獭?/p>

3 結(jié)論

1）對(duì)同一凝析氣集輸管線而言，不同程度地形起伏下的管路總壓降計(jì)算結(jié)果有著明顯的差別，沿線地形起伏程度越大，管路總壓降就越大，管內(nèi)流體壓力波動(dòng)幅度也越大；而地形起伏對(duì)凝析氣管線內(nèi)流體的溫度沒有太大的影響。

2）沿線地形的起伏使得凝析氣管線內(nèi)的持液率出現(xiàn)不同幅度的波動(dòng)，地形起伏程度越大，持液率波動(dòng)幅度也越大，而水平管路內(nèi)持液率則基本保持不變。盡管不同地形起伏程度下管內(nèi)總持液量計(jì)算結(jié)果相近，但其在管內(nèi)的分布情況卻明顯不同，水平管內(nèi)液體分布較為均勻，而在地形起伏下管內(nèi)液體主要聚積在低洼處或上坡管段內(nèi)。

3）地形起伏導(dǎo)致管內(nèi)流體流型極不穩(wěn)定，上傾管路內(nèi)流體流型為段塞流，下傾和水平管路內(nèi)流體流型為分層流；而地形起伏在原高程和1／2原高程兩種狀態(tài)下沿線管內(nèi)流體流型模擬結(jié)果大致相同。

4）在其他條件如井流物組成、起點(diǎn)輸送壓力和溫度、氣候條件等均相同的情況下，與水平管路相比，地形起伏下集輸管內(nèi)更易生成天然氣水合物，且沿線地形起伏程度越大，管內(nèi)生成天然氣水合物的可能性就越大。

綜上所述，在凝析氣集輸系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)中，應(yīng)該對(duì)沿線存在地形起伏下的集輸管道進(jìn)行詳細(xì)的模擬計(jì)算和分析，尤其是要考慮不同地形起伏對(duì)管路壓降、持液量和天然氣水合物形成的影響，并配套設(shè)計(jì)必要的生產(chǎn)輔助措施，以確保管道投產(chǎn)后能安全平穩(wěn)運(yùn)行。

［1］張紅燕，隋永剛．凝析氣田地面集氣工藝技術(shù)［J］．石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，2007，18（2）：25－27．ZHANG Hongyan，SUI Yonggang．Gas gathering technology in condensate gas field［J］．Petroleum Planning and Engineering，2007，18（2）：25－27．

［2］葉帆，徐久龍，付秀勇．大澇壩凝析氣田集輸工藝技術(shù)及發(fā)展方向［J］．天然氣與石油，2008，26（6）：7－10．YE Fan，XU Jiulong，F(xiàn)U Xiuyong．Gas gathering and tran－sportation techniques and development trend of Dalaoba condensate gas field［J］．Natural Gas and Oil，2008，26（6）：7－10．

［3］龔寧．海上氣液混輸管線的段塞流問題［J］．中國(guó)海洋平臺(tái)，1993，8（4）：165－170．GONG Ning．Slugflow problem in gas－liquid offshore pipeline［J］．China Offshore Platform，1993，8（4）：165－170．

［4］王熒光．蘇里格氣田集輸管線清管過程瞬態(tài)模擬［J］．天然氣工業(yè)，2009，29（11）：94－99．WANG Yingguang．Transient simulation of the pigging process of gathering pipelines at the Sulige Gas Field［J］．Natural Gas Industry，2009，29（11）：94－99．

［5］石油和化工工程設(shè)計(jì)工作手冊(cè)編委會(huì)．海上油氣田工程設(shè)計(jì)［M］．北京：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2010：1036－1043．Editorial Committee for the Petroleum and Chemical Engineering Design Manual．Offshore oil and gas engineering design［M］．Beijing：China University of Petroleum Press，2010：1036－1043．

［6］孟榮章，張?jiān)蚂o，龐軍峰．上海平湖海底天然氣管道輸送問題研究［J］．油氣儲(chǔ)運(yùn)，2000，19（9）：6－8．MENG Rongzhang，ZHANG Yuejing，PANG Junfeng．Research on offshore natural gas transmission of pipeline in Shanghai Pinghu Oil Gas Field［J］．Oil and Gas Storage and Transportation，2000，19（9）：6－8．

［7］MUKHERJEE H，BRILL J P．Liquid holdup correlations for incline two－phase flow［J］．Journal of Petroleum Technology，1983，35（5）：1003－1008．

［8］MUKHERJEE H，BRILL J P．Empirical equations to predict flow patterns in two－phase inclined flow［J］．International Journal of Multiphase Flow，1985，11（3）：299－315．

［9］EATON B A，KNOWLES C R，SILBERBRG I H．The prediction of flow pattern，liquid holdup and pressure losses occurring during continuous two－phase in horizontal pipelines［J］．Journal of Petroleum Technology，1967，19（6）：815－828．

［10］曹學(xué)文，李玉星，馮叔初．平湖—上海輸氣管道模擬計(jì)算軟件開發(fā)［J］．油氣儲(chǔ)運(yùn)，1997，16（6）：16－21．CAO Xuewen，LI Yuxing，F(xiàn)ENG Shuchu．Development of Pinghu－Shanghai gas pipeline simulator［J］．Oil and Gas Storage and Transportation，1997，16（6）：16－21．

［11］李玉星，馮叔初，舒軍星．高氣油比混輸管路水力計(jì)算模型的比較［J］．油氣儲(chǔ)運(yùn)，2001，20（7）：21－24．LI Yuxing，F(xiàn)ENG Shuchu，SHU Junxing．The comparison between pressure calculation models for the high GOR multiphase flow pipeline［J］．Oil and Gas Storage and Transportation，2001，20（7）：21－24．

［12］鄧曉輝，鄧衛(wèi)東，廖伍彬，等．番禺氣田天然氣管道積液及清管可行性分析［J］．全面腐蝕控制，2010，24（12）：40－43．DENG Xiaohui，DENG Weidong，LIAO Wubin，et al．Feasibility analysis on Panyu gas pipeline pigging fluid and clearing the pipeline［J］．Total Corrosion Control，2010，24（12）：40－43．

［13］梁法春，曹學(xué)文，魏江東，等．積液量預(yù)測(cè)方法在海底天然氣管道中的應(yīng)用［J］．天然氣工業(yè)，2009，29（1）：103－105．LIANG Fachun，CAO Xuewen，WEI Jiangdong，et al．Application of accumulated liquid volume prediction method in submarine gas pipeline［J］．Natural Gas Industry，2009，29（1）：103－105．