含凝析油管道注氮效果分析

周華英　何平　郭建偉

【摘要】含凝析油長輸管道注氮不同于一般輸氣管道注氮，在注氮過程中，管道低洼處集聚的凝析油會由于溫度、壓力、氣流速度的變化產(chǎn)生3 種不同的凝析油蒸發(fā)動態(tài)情形，不斷蒸發(fā)凝析氣，并隨著注入的氮氣輸往下游，影響注氮檢測結(jié)果，本文對含凝析油管道注氮過程中的影響因素進行分析，提出應(yīng)對的方法措施，為下一步類似作業(yè)提供參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】凝析油；注氮；效果；分析

在長輸天然氣管道運行管理中，需根據(jù)生產(chǎn)要求對運行中的管道進行停氣檢修或改造作業(yè)。為了避免在施工過程中發(fā)生燃燒、閃爆和“打炮”事故，需要對管內(nèi)高壓輸送天然氣進行放空和氮氣置換。在有火源的前提下，天然氣在以下兩種情況不會燃燒，第一，在空氣中的濃度小于某一臨界值并且熱損失大于氧化產(chǎn)生的熱量；第二，其濃度雖然超過臨界值，但是沒有氧氣，即燃燒三要素缺一不可。由于在對長輸管道開口割管后，管口不可避免要進入大量空氣，若天然氣的含量達到管道的爆炸極限，遇到火花則會燃燒甚至發(fā)生打炮事故，因此，為了保障施工動火過程的安全，最大限度降低管道內(nèi)存在的天然氣含量（降低至燃燒極限以下）是氮氣置換的唯一目的。

含凝析油長輸管道注氮作業(yè)不同于一般輸氣管道注氮作業(yè)，由于管道長期輸送富含不穩(wěn)定性凝析油氣體的天然氣，其攜帶的凝析油蒸汽容易受到地形、溫度、壓力、速度影響，造成氣體氣相不穩(wěn)定而析出。張鵬、王大慶等在《地形起伏對凝析氣集輸管道工況的影響》文章中得出了長輸管道內(nèi)流體壓力、局部積液量以及管路總壓降與沿線地形起伏的劇烈程度成正比，但管路總積液量受沿線地形起伏的影響較小的結(jié)論。根據(jù)結(jié)論，在管道沿線地形起伏劇烈的區(qū)域，管內(nèi)天然氣水合物析出的可能性就越大，由于重力原因，水合物積液就大量集聚堵塞在管道低洼處。凝析油性質(zhì)極其不穩(wěn)定，揮發(fā)性極好，在經(jīng)過放空降壓的環(huán)境突變后，快速蒸發(fā)凝析氣，隨著注入管內(nèi)的氮氣帶入管道下游，影響注氮檢測結(jié)果。

1.凝析油本質(zhì)特點

凝析油是指從凝析氣田或者油田伴生天然氣凝析出來的液相組分，其主要成分是C5至C11+烴類的混合物，并含有少量的大于C8的烴類以及二氧化硫、噻吩類、硫醇類、硫醚類和多硫化物等雜質(zhì)。天然氣中部分較重的烴類在油層的高溫、高壓條件下呈蒸氣狀態(tài)，采氣時由于壓力和溫度降低到地面條件，這些較重的烴類從天然氣中凝析而出，成為輕質(zhì)油（稱凝析油）。凝析油的特點是揮發(fā)性好，極易燃燒，可直接用作燃料。

凝析氣包含輕質(zhì)組分甲烷、乙烷、丙烷、丁烷，非烴組分二氧化碳、硫化氫、氮等成分。

2.凝析油對注氮效果的影響分析

2.1凝析油影響注氮效果的現(xiàn)象

含凝析油管道注氮過程中，管道內(nèi)低洼處的積液凝析油將會直接影響注氮的檢測結(jié)果。以2014年7月2日實施的××支線缺陷修復(fù)換管工程為例，曾發(fā)生過長時間注氮但仍無法檢測合格的情況。

××支線2008年建成投產(chǎn)，管道規(guī)格D610X8-4.0，管線起點A站，終點B站，中間設(shè)a閥室和b閥室，管道全長26.3km，管道設(shè)計輸量600萬/日，全線最高點位于a閥室，最大高差達500米。管網(wǎng)示意圖如下圖1所示：

××支線上游管道××干線于2013年4月發(fā)現(xiàn)進入大量凝析氣田氣，管理單位對××干線及××支線管道進行了清管掃油作業(yè)，其中，××支線自2013年4月至2014年7月共計實施清管掃油6次，清出凝析油污水185方，硫化鐵粉混合污物850kg。清管詳細情況如下表1所示：

根據(jù)上級安排，管理單位計劃對××支線進行缺陷修復(fù)停氣換管工程。工程項目組于7月2日16：05開始從××支線A站向B站進行氮氣置換，注氮口徑DN50，混氣排放口徑DN200，平均置換速度2000方/小時，根據(jù)空管容積7284方計算注氮時間，預(yù)計至7月2日當(dāng)晚19：43左右應(yīng)注滿空管，20：00前可注氮合格。但是至7月2日晚上21：02 B站火焰熄滅，經(jīng)取樣分析甲烷含量仍有16%，繼續(xù)置換至當(dāng)晚23：15，甲烷含量在12%-16%反復(fù)波動，項目組立即決定對中間閥室（a閥室和b閥室）進行取樣和點火，取樣結(jié)果含10%甲烷并點火成功。項目組對流程進行全面檢查，確認流程無問題。7月3日，項目組經(jīng)過分析決定反向、分段注氮，即：從B站向b閥室注氮，待b閥室檢測合格后，再由b閥室向A方向注氮，順利注氮合格。

2.2凝析油影響注氮效果的原因分析

2.2.1 凝析油的形成分析

一般來說，礦區(qū)所開采的含凝析氣天然氣，所含凝析氣的飽和度常常界于臨界飽和度的邊界條件上，當(dāng)外部輸送條件發(fā)生變化時，例如發(fā)生高差變化時就析出凝析油。吳蕾等在《凝析油蒸發(fā)動態(tài)特征》文中，根據(jù)凝析氣混輸管內(nèi)流體的相包絡(luò)圖對天然氣水合物形成曲線進行預(yù)測，結(jié)果顯示，輸送凝析氣管線內(nèi)出現(xiàn)的積液量的多少與管道沿線地形的起伏程度有直接關(guān)系，管道沿線地形起伏程度越大，管內(nèi)積液量也越多。盡管輸送凝析氣管道在不同地形條件下其管內(nèi)總積液量總量接近，但積液量在管道沿途的分布情況卻不盡相同，在地形起伏不大，埋設(shè)高度較為平均的管內(nèi)，積液量分布較為均勻，但在地形有較為明顯甚至地形劇烈變化的情況下，管內(nèi)積液主要聚集在低洼處或上坡管段內(nèi)。據(jù)此判斷，A 站輸往 B 站含凝析油天然氣，在翻越景山過程中形成的凝析油主要集聚在翻越景山之前的低洼處。

2.2.2相態(tài)平衡效應(yīng)

考慮到氣液兩相在不同壓力狀態(tài)下的相平衡效應(yīng)，在氣液兩相臨界交界面上將會產(chǎn)生三種動態(tài)蒸發(fā)（反蒸發(fā)）狀態(tài)：一是當(dāng)環(huán)境壓力低于臨界反凝析壓力后發(fā)生凝析油蒸發(fā)，二是保持環(huán)境壓力穩(wěn)定過程中的凝析油再蒸發(fā)，三是對環(huán)境壓力加壓使得凝析油產(chǎn)生反蒸發(fā)效應(yīng)。

詳細來說，當(dāng)高壓長輸管道進行放空作業(yè)時，管內(nèi)壓力不斷降低，根據(jù)相平衡效應(yīng)，氣液兩相開始發(fā)生動態(tài)平衡過程，管內(nèi)液態(tài)凝析油不斷蒸發(fā)出輕組分或中間組分，即凝析氣，而重組分含量也在壓力衰竭過程中不斷裂變減少，凝析油積液量則越來越少，最終達到低壓狀態(tài)下的兩相平衡。而隨著注氮作業(yè)的持續(xù)進行，管內(nèi)氮氣流速和壓力形成穩(wěn)定的動態(tài)平衡，凝析油蒸發(fā)動態(tài)逐漸進入到保持壓力過程中的再蒸發(fā)狀態(tài)，蒸發(fā)的凝析氣持續(xù)隨著氮氣被帶入下游。

2.2.3 注氮選擇因素

××支線缺陷修復(fù)工程首次注氮選擇的方向為A往B方向（順氣流方向），根據(jù)2.2.1中分析的結(jié)果，凝析油主要集聚在翻越景山前的低洼處，并在該區(qū)域的管道內(nèi)不斷蒸發(fā)凝析氣，氮氣進入該區(qū)域后，由于地形發(fā)生明顯變化，氮氣上升前進速度由于高差原因逐漸變緩，這就為氮氣攜帶更多的凝析氣創(chuàng)造了條件。更換注氮方向后，氮氣進入到凝析油集聚處前是下坡路段，氮氣前進速度加快，同時對低洼處形成局部壓差（盡管壓差值很?。欢ǔ潭壬弦种屏四鲇偷恼舭l(fā)效應(yīng)，減少攜帶的凝析氣組成成分。

2.3應(yīng)對措施建議

2.3.1單相介質(zhì)輸送的管線應(yīng)避免輸送含凝析油天然氣，這是解決影響注氮效果及安全施工的根本辦法。

由于管理單位管轄的管線多為單相介質(zhì)輸送管道，在設(shè)計之初均未考慮到多相介質(zhì)輸送對管線、設(shè)備的影響，同時也未考慮對后續(xù)管理和施工的影響，因此，在管理過程中應(yīng)盡量避免使用單相輸氣管道的材質(zhì)輸送多相氣質(zhì)天然氣。

2.3.2從設(shè)計方面進行考慮，設(shè)計過程中應(yīng)避免過長的（兩個站場之間的）管道間距，避免較大的管道高差，避免管道通過復(fù)雜的地貌環(huán)境，從而防止水合物（包括凝析油）在爬升前形成積液堵塞管道。

2.3.3應(yīng)采用綜合措施防止凝析氣集輸管道內(nèi)大量生成天然氣水合物。例如對長輸管道采用較為常用的注入化學(xué)抑制劑（甲醇、乙二醇）等，或提高輸送介質(zhì)溫度，但同時應(yīng)綜合考慮所采用措施對輸送介質(zhì)成分的影響。

2.3.4確認管線中存在凝析油的情況下，應(yīng)在施工前多次對管線進行清管作業(yè)，為了最大限度減少管內(nèi)凝析油含量，應(yīng)綜合運用清管球、泡沫清管器、鋼刷清管器等特殊清管方式，降低管內(nèi)水合物存量。

2.3.5合理優(yōu)化注氮作業(yè)方案，選擇合理注氮點，分段進行注氮，具備條件的，建議從中間向兩側(cè)進行注氮。

3.結(jié)論

管道中含有大量凝析油是影響注氮效果的主要原因。從長輸管道經(jīng)營方面考慮，對不滿足兩相、多相介質(zhì)輸送的管道，應(yīng)盡量避免輸送含凝析油天然氣；從設(shè)計上充分考慮輸氣的特點，避免管道敷設(shè)經(jīng)過復(fù)雜的地貌環(huán)境；針對長輸管道中含有大量凝析油的施工作業(yè)，應(yīng)充分考慮并充分落實施工作業(yè)前的準(zhǔn)備工作，在施工前應(yīng)反復(fù)清掃管內(nèi)凝析油，合理優(yōu)化注氮作業(yè)方案，選擇合理注氮位置和注氮方向。

參考文獻：

[1] 張鵬，王大慶等.地形起伏對凝析氣集輸管道工況的影響.天然氣工業(yè)，2013（08）

[2] 吳蕾等.凝析油蒸發(fā)動態(tài)分析.天然氣工業(yè)，2004（04）