集氣管線清管器旁通量計(jì)算模型探討

王 惠，曾 萍

（1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司蘇里格氣田研究中心，陜西西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710018）

旁通清管器是一種專門(mén)為天然氣—凝析液兩相管道設(shè)計(jì)的清管器。目前旁通清管器在國(guó)外已經(jīng)推廣應(yīng)用，國(guó)內(nèi)應(yīng)用還不多見(jiàn)。2013 年，長(zhǎng)慶蘇里格氣田首次引入該技術(shù)，清管時(shí)旁通氣體吹掃清管器前的段塞流，積液到達(dá)處理廠前液體峰值流量明顯減小，應(yīng)用取得較好效果。然而，該技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施方案中清管器的旁通量設(shè)計(jì)主要借鑒國(guó)外應(yīng)用實(shí)例，其具體的理論計(jì)算尚屬空白。據(jù)各油氣田清管技術(shù)調(diào)研，對(duì)流體力學(xué)孔口泄流及輸氣管短管流相關(guān)理論進(jìn)行計(jì)算、比較，確定出清管旁通量的計(jì)算模型，對(duì)清管過(guò)液量控制技術(shù)的方案設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和思路。

1 旁通清管器原理

技術(shù)原理：旁通清管器由一個(gè)中央圓筒連接清管器的前端和尾端，包括骨架、密封板、導(dǎo)向板、折流板等，氣體通過(guò)中央圓筒由清管器前端的折流板流向管壁（見(jiàn)圖1、圖2）。改變折流板與前盤(pán)的間距來(lái)調(diào)節(jié)旁通量的大小。清管時(shí)旁通氣體吹掃清管器前的段塞流，使液體分散，到達(dá)管道末端的液體峰值流量減小，盡量使液體流動(dòng)均勻。該清管器主要應(yīng)用于外徑大于或等于DN500 的管線。

圖1 旁通清管器外觀圖

圖2 旁通清管器結(jié)構(gòu)圖

2 清管旁通量設(shè)計(jì)的理論探索

在天然氣礦場(chǎng)生產(chǎn)中，濕氣輸送管道易在內(nèi)部聚集水、凝析油、機(jī)械雜質(zhì)等污物，降低了管道輸氣效率，加劇了管線內(nèi)壁腐蝕，需要定期開(kāi)展清管作業(yè)清除污物。蘇里格氣田工藝流程為濕氣輸送，據(jù)歷史清管統(tǒng)計(jì)，部分干線清出積液量較大，最高時(shí)達(dá)2 000 m3以上。由于氣田集輸系統(tǒng)尚未設(shè)置段塞流捕集器，處理廠存儲(chǔ)段塞流的空間有限，液體處理能力較低，短時(shí)間內(nèi)幾乎沒(méi)有能力處理清管產(chǎn)生的大量液體。采用常規(guī)的普通皮碗清管器作業(yè)時(shí)積液以段塞流方式集中到達(dá)處理廠，致使處理廠在收球過(guò)程中短時(shí)間產(chǎn)生大量積液，對(duì)下游設(shè)備造成極大安全隱患，嚴(yán)重時(shí)需要處理廠停產(chǎn)處理積液，嚴(yán)重影響了氣田的正常生產(chǎn)及集輸安全。

為減少清管器前液體累計(jì)量，達(dá)到有效控制單次清管清出液量，全面保障清管過(guò)程中管線和下游生產(chǎn)設(shè)施的安全，開(kāi)展了過(guò)液量控制技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，核心設(shè)備為旁通清管器。

試驗(yàn)篩選管線蘇d-c 干線a 段。管線信息：2006.9投產(chǎn)，管線規(guī)格660×8.8×15，管道材質(zhì)L360，螺旋管型，設(shè)計(jì)壓力4.0 MPa，最大運(yùn)行壓力3.5 MPa，當(dāng)前工作壓力2.35～3.5 MPa 排量194×104m3/d，運(yùn)行溫度18 ℃。

2.1 旁通量設(shè)計(jì)

“旁通量”定義：指旁通管的有效橫截面積同管道橫截面積的比值。在國(guó)外，主要基于多相流動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)的管道模擬系統(tǒng)即OLGA?？梢阅M在油井、輸油管線和油氣處理設(shè)備中的油、氣和水的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。其數(shù)學(xué)和物理模型（見(jiàn)圖3）。

圖3 OLGA 數(shù)學(xué)和物理模型

模型的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)自實(shí)驗(yàn)室的10 000 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，30個(gè)氣相/凝析液管道數(shù)據(jù)，15 條較低氣油比管道數(shù)據(jù)，收集了8～15 個(gè)石油公司（Statoil，Total，Agip，ExxonMobil IFE 和Scandpower）的油井?dāng)?shù)據(jù)。鑒于知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，暫時(shí)還無(wú)法調(diào)用OLGA 的相關(guān)理論和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

在國(guó)內(nèi)，相關(guān)的理論研究還處于空白，開(kāi)展的1 例長(zhǎng)慶與殼牌合作區(qū)塊CB 旁通清管試驗(yàn)即是基于OLGA 計(jì)算設(shè)計(jì)。鑒于此，以該例為基礎(chǔ)進(jìn)行相關(guān)理論探索。

輸氣管段流動(dòng)過(guò)程的基本方程：

式中：p-氣體的絕對(duì)壓力；T-氣體的絕對(duì)溫度，K；ρ-氣體密度；w-氣體流速；A-管道橫截面積；u-單位質(zhì)量氣體的內(nèi)能；h-單位質(zhì)量氣體的熱焓；x-距管段起點(diǎn)的距離；τ-描述流動(dòng)過(guò)程的時(shí)間；s-管段上各橫截面處的高程；g-重力加速度；λ-管段的水力摩阻系數(shù)；Q-在［0，x］管段上，管內(nèi)氣流向周圍環(huán)境的散熱流量。

以上6 個(gè)方程包括p、T、ρ、w、u、h 這6 個(gè)未知函數(shù)，從求微分方程通解的角度看，方程組是封閉的。該方程組通常稱為氣體管流的基本微分方程組。由連續(xù)性方程可知，管道旁通流量越大，清管器的速度就越慢，如果清管器的旁通面積太大，可能會(huì)導(dǎo)致管線清管器的停止運(yùn)行。

2.1.1 輸氣管短管理論 將旁通清管器中央的圓筒看作一段短管，管中氣體的流速可以通過(guò)輸氣管道基本公式進(jìn)行計(jì)算[1]。

威莫斯模型：

潘漢德?tīng)朅 模型：

潘漢德?tīng)朆 模型：

前蘇聯(lián)早期模型：

前蘇聯(lián)近期模型：

據(jù)以上基本流量公式，推出相應(yīng)的旁通管徑計(jì)算式：

式中：α-流態(tài)修正系數(shù)，當(dāng)流態(tài)處于阻力平方區(qū)時(shí)α=1；如偏離阻力平方區(qū)，則α=1/（1+2.92d2/q）0.1，其中，d 為管道內(nèi)徑；q 為輸氣量。φ 為管道接口的墊環(huán)修正系數(shù)。無(wú)墊環(huán)，φ=1；墊環(huán)間距12 m，φ=0.975；墊環(huán)間距6 m，φ=0.95。

另外，在美國(guó)和前蘇聯(lián)的近期公式中，都引入了輸氣管道效率系數(shù)，E=qr/q=（λ/λr）0.5，式中，qr-輸氣管道實(shí)際流量；q-輸氣管道設(shè)計(jì)流量；λr-實(shí)測(cè)的水力摩阻系數(shù)；λ-設(shè)計(jì)中采用的水力摩阻系數(shù)。在美國(guó)，一般取E=0.9～0.96。

2.1.2 流體力學(xué)孔口泄流理論 據(jù)清管相關(guān)技術(shù)資料[2]及工程流體力學(xué)孔口泄流理論，有孔口泄流公式[3]：

式中：u-流量系數(shù)，針對(duì)圓小孔一般取值0.98；ΔPpig-清管器兩端的壓差；d-旁通管徑。

2.1.3 實(shí)例比較 以下采用上述兩種模型對(duì)長(zhǎng)慶與殼牌的合作區(qū)塊CB 管段的旁通清管進(jìn)行計(jì)算。

CB 旁通清管管線信息：管線規(guī)格610×12×25，設(shè)計(jì)壓力6.4 MPa，最大運(yùn)行壓力4 MPa，當(dāng)前工作壓力3～3.5 MPa，排量560×104m3/d，運(yùn)行溫度，20 ℃。

基于OLGA 計(jì)算，現(xiàn)場(chǎng)清管氣量353×104m3/d，旁通量取5 %。

表1、表2 計(jì)算結(jié)果表明使用流體力學(xué)孔口泄流理論計(jì)算長(zhǎng)慶與殼牌的合作區(qū)塊CB 清管旁通量其誤差較大，而輸氣管短管理論模型計(jì)算結(jié)果則在誤差范圍內(nèi)滿足要求，可以將其作為一種清管旁通量的計(jì)算方法。

表1 輸氣管短管理論模型計(jì)算CB 清管旁通量

表2 流體力學(xué)孔口泄流模型計(jì)算CB 清管旁通量

表3 蘇里格氣田蘇d-c 干線a 段旁通清管量計(jì)算

3 模型優(yōu)選及校正

以上輸氣管短管理論模型中，有5 個(gè)常用的算法對(duì)長(zhǎng)慶與殼牌的合作區(qū)塊CB 旁通清管進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明威莫斯模型旁通量最接近海量數(shù)據(jù)庫(kù)OLGA計(jì)算結(jié)果，為此優(yōu)選輸氣管短管威莫斯模型對(duì)長(zhǎng)慶蘇里格氣田蘇d-c 干線a 段進(jìn)行清管旁通量計(jì)算（見(jiàn)表3）。

鑒于地形高程的影響，輸氣管威莫斯模型短管理論計(jì)算蘇d-c 干線a 段旁通清管量偏小，為此對(duì)該模型加以修正取校正系數(shù)1.3，基本與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況吻合。

校正后的旁通計(jì)算模型為：

通過(guò)該模型設(shè)計(jì)的蘇d-c 干線a 段旁通清管現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果良好，實(shí)現(xiàn)了不降產(chǎn)情況下的清管作業(yè)過(guò)液量控制。

4 結(jié)語(yǔ)

旁通清管器的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用為控制清管過(guò)液量提供了有效途徑。通過(guò)清管參數(shù)的設(shè)計(jì)，計(jì)算確定合適的旁通量，為旁通清管的深入研究奠定了基礎(chǔ)。

（1）旁通清管量數(shù)學(xué)模型的建立，為濕氣輸送過(guò)液量控制技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)和思路。

（2）模型的可靠性還有待相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

（3）為探索旁通量與清管過(guò)程中積液的變化情況，還有很多工作需要去做。

［1］ 李勁松，陳肇日，茍潮洋.樂(lè)東氣田外輸管線清管作業(yè)段塞流的應(yīng)對(duì)措施［J］.中國(guó)科技縱橫，2011，（14）：269-270.

［2］ 施冬梅，繆娟.低輸量原油管道清管器的選擇［J］.清洗世界，2008，23（8）：28-31.

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