氣田采氣管線清管保障措施探討

孫利明，郝 麗，呂海霞，劉 佳，溫立憲，邵 文，王 浩，韓 娜

（中國石油長慶油田分公司第一采氣廠，陜西靖邊 718500）

隨著氣田新建站不斷增加，建成采氣管線數(shù)量也不斷增加，截止2018年9月靖邊氣田已建成投產(chǎn)采氣管線1 008條，蘇東南區(qū)建成投產(chǎn)采氣管線19條。由于采出的氣體含有一定水分，在生產(chǎn)過程中，由于溫度、壓力的改變，在管道內(nèi)形成水合物，影響采氣管線輸送能力，嚴重時會堵塞管線甚至導(dǎo)致氣井關(guān)井，嚴重影響氣田的正常生產(chǎn)和安全運行，因此需合理制定采氣管線清管保障措施，開展采氣管線清管作業(yè)[1-4]。

1 采氣管線清管現(xiàn)狀

目前采氣管線未開展定期的清管作業(yè)，沒有形成相應(yīng)的清管制度，前期開展清管作業(yè)時，可供借鑒的經(jīng)驗較少。同時從天然氣井產(chǎn)出未經(jīng)凈化的天然氣在管道中輸送時，由于含有較多的水和其他成分，在輸送過程中，溫度、壓力發(fā)生變化，將有部分凝析液析出，隨著時間的延長和輸送距離的增加，析出的水和凝析液量越來越多，進而聚集在管道底部形成積液，若不能及時清除，將出現(xiàn)諸多問題：

（1）液體聚積在管線的低點處，降低了氣體的有效輸送截面積，影響管道的集氣能力和節(jié)點壓力，導(dǎo)致管輸效率降低；

（2）管線過流面積減小，輸送阻力增加，導(dǎo)致單位長度管線壓降增大，增加了動力消耗；

（3）在一定溫度條件下會形成水合物，造成冰堵事故；

（4）由于積液的存在，起伏管路的末端還會形成段塞流，當液塞體積超過下游處理設(shè)備的容量時，給正常生產(chǎn)帶來了困難，嚴重時會導(dǎo)致停產(chǎn)。段塞流的產(chǎn)生還會引起管線中較大的壓力和流量波動，對管線造成沖擊和振動，引起管線破壞；

（5）雜質(zhì)長時間存在于管線中，影響了采氣管線的安全平穩(wěn)運行，存在一定的安全隱患；

（6）輸送天然氣的管道中積液的產(chǎn)生還會導(dǎo)致管線腐蝕加劇，降低管道的使用壽命。尤其是高含硫和二氧化碳的氣體，積液的存在會加速管線的電化學(xué)腐蝕，易造成管線穿孔，給管道的正常運行帶來極大的危險。

因此，為了保證氣井的穩(wěn)產(chǎn)和整個氣田的安全運行，完善氣田的生產(chǎn)流程，需在井場設(shè)置采氣管線清管器發(fā)送裝置，在集氣站設(shè)置采氣管線清管器接收裝置，以滿足采氣管線清管要求。

2 清管保障措施探討

2.1 清管時機探討

對輸氣管道進行清管的主要目的是清除管道內(nèi)部的積液和腐蝕產(chǎn)物，因此，氣田采氣管線清管時機的判定因素主要為最小輸送效率、最大允許壓降和最大積液量等。

2.1.1 最小輸送效率 根據(jù)《天然氣管道運行規(guī)范》SY/T 5922-2012規(guī)定，管道輸送效率小于95%時，可認為管道內(nèi)積液、雜質(zhì)等較多，管道的正常輸送受到了影響，需及時開展清管作業(yè)。

式中：Pb-管線起點壓力，MPa；Pe-管線終點壓力，MPa；Q-管線輸氣量，m3/d；d-管線內(nèi)徑，cm；L-管線長度，km；T-管輸天然氣的平均溫度，K；Z-管輸天然氣的平均壓縮因子；Δ-天然氣相對密度；E-輸氣效率。

采氣管線為濕氣輸送管線，依據(jù)以往現(xiàn)場清管實踐經(jīng)驗，當濕氣輸送管網(wǎng)管輸氣量低于設(shè)計輸氣量時，說明管道積液量較大，管輸效率均低于0.95。為了解決采氣管線日常清管作業(yè)的判定問題，引入相對輸送效率的概念。相對輸送效率E0為管道實際運行過程中的流量與管道上一次清管后的流量的比值，需根據(jù)多次現(xiàn)場清管結(jié)果，選擇合理的相對輸送效率。

2.1.2 最大管道壓差 當管道存在積液時，管道摩阻系數(shù)變大，上、下游壓差增大，在實際生產(chǎn)中一些單位將0.7 MPa作為最大允許壓差，并以此為依據(jù)判斷是否需要進行清管操作。

2.1.3 最大積液量 最大積液量以管線末端捕集器的處理量為最大允許積液量進行清管判斷。例如，若某管線末端捕集器的容量為60 m3，根據(jù)捕集器的處理量，即可將最大允許積液量為60 m3作為清管的一個參照標準。

依據(jù)以往清管經(jīng)驗并結(jié)合三種清管判定方法，在采氣管線實際運行中，需根據(jù)多次清管試驗的結(jié)果，選擇合理的相對輸送效率、最大管道壓差和最大允許積液量對采氣管線是否需要開展清管作業(yè)進行判斷，當三個參數(shù)有任何一個達到清管作業(yè)的要求時，就需要及時開展清管工作，保證采氣管線的安全平穩(wěn)運行。

2.2 采氣管線積液量預(yù)測

為避免清出積液量過大，導(dǎo)致清管收球過程中排液不及時，清出物進入下游管線、設(shè)備中存在生產(chǎn)隱患，同時為降低清管作業(yè)風(fēng)險，清管作業(yè)前利用Pipephase軟件進行管道積液量預(yù)測尤為重要。

2.2.1 Pipephase軟件模型計算理論依據(jù) Pipephase軟件是由美國SimSci公司開發(fā)的管道網(wǎng)絡(luò)模擬分析軟件，用以分析和計算天然氣集輸管網(wǎng)、工藝管線兩相流計算、管線的傳熱分析、節(jié)點分析、水合物生成分析等各種生產(chǎn)需求。根據(jù)相關(guān)文獻選擇Beggs&Brill-Moody持液率相關(guān)式計算管線輸送壓降及持液量。Beggs-Brill持液率修正相關(guān)式為在BB模型中引入傾角修正系數(shù)ψ，表示傾斜管截面含液率與水平管截面含液率的比值。

式中：HL（β）-傾角 β 時的截面含液率；HL（0）-水平管截面含液率。

水平管截面含液率HL（0）取決于體積含液率RL和富勞德數(shù)Fr。

圖1 采氣管線高程變化建立

式中：ω-氣液混合物速度，m/s；g-重力加速度，m/s2；D-管徑。

按兩相管路流型，可確定水平管截面含液率。由試驗得到的計算通式為：

對于 β=90°的垂直管路，ψ=1+0.3C，各公式中 a、b、c、d、E、F、g為與流型有關(guān)的系數(shù)。

2.2.2 管線積液量模型建立 利用MapSource軟件導(dǎo)出高程變化后，導(dǎo)入已建立的模型中（見圖1）。Pipephase軟件中通過選擇流體類型、添加氣質(zhì)組分、管道粗糙度、管徑、管道長度、高程變化、計算公式、流體效率等參數(shù)后，自動建立軟件模型。

2.2.3 管線積液量計算 管線積液量模型建立后，導(dǎo)入同一時刻實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，即導(dǎo)入管線下游壓力、上游壓力、流量、溫度參數(shù)，進行模擬管線壓降及持液量計算。將計算得出采氣管線理論壓差與實際壓差進行對比，通過修正氣質(zhì)組分中的水含量，達到最終計算壓差值與實際壓差一致后，得出該生產(chǎn)狀態(tài)下理論管線積液量，對后期采氣管線起指導(dǎo)作用。

2.3 采氣管線清管保障措施

2.3.1 合理控制清管器運行速度 清管作業(yè)過程中，清管作業(yè)質(zhì)量取決于清管器的速度，球速過快或過慢，都可能造成清管器破壞或功能失效，導(dǎo)致清管效果不理想。若清管器的運行速度過慢，造成清管器走走停停，易使管道內(nèi)的水等雜質(zhì)回流，甚至卡球；若球速過快，易使管道產(chǎn)生振動，使清管器的上下游發(fā)生嚴重的竄漏現(xiàn)象，使液體不能被清除，同時對清管器和管道內(nèi)壁造成較大的磨損，產(chǎn)生腐蝕，不安全因素較多。根據(jù)SY/T 5922-2012《天然氣管道運行規(guī)范》中明確規(guī)定，清管過程中清管器的運行速度不宜超過5 m/s，清管器在規(guī)定范圍內(nèi)穩(wěn)定運行才能保證管線安全和清管清液效果。

根據(jù)SY/T 5992-2012《天然氣管道運行規(guī)范》，輸氣量已知條件下清管器瞬時運行速度計算公式如下：

式中：V-清管器運行速度，km/h；Q-輸氣量，m3/d；F-管道內(nèi)徑橫截面積，m2；P-清管器后平均壓力，MPa。

利用上述公式對輸氣量已知條件下的清管器運行速度進行計算，在清管過程中，必須及時掌握清管器的運行速度，調(diào)整工藝參數(shù)，以便控制清管器的運行速度，及時發(fā)現(xiàn)和處理問題。

2.3.2 準確判定清管器進站時機 清管作業(yè)中若能在準確判斷清管器運行位置及進站時間并及時進行排污，既可減少天然氣的放空量，也可避免將污水污物推入下游，有效削減清管作業(yè)風(fēng)險。這項操作步驟主要依靠人為經(jīng)驗，但仍具有重要指導(dǎo)意義。

（1）清管器進站時間計算。一般清管器運行速度控制在3 m/s～5 m/s，計算清管器運行時間方法為：采氣管線長度除以清管器運行速度（利用上述公式）。由于清管器在管道內(nèi)運行為非穩(wěn)態(tài)過程，通常在管道大小頭處、彎頭、三通等地方運行速度發(fā)生變化，因此一般實際進站時間比理論進站時間長10 min～20 min。

（2）根據(jù)清管器理論進站時間，結(jié)合現(xiàn)場壓力顯示，進一步判斷清管器進站時間?，F(xiàn)場壓力波動較大，且站內(nèi)收球筒處可聽到由小變大的氣流聲音及管道內(nèi)積液、雜質(zhì)等管線內(nèi)滑動的聲音，則說明清管器即將進站。

3 結(jié)論

（1）結(jié)合最小輸送效率、積液量和最大允許壓降等因素，判定采氣管線清管時機，并結(jié)合多次清管結(jié)果，制定合理清管制度，確保采氣管線高效運行。

（2）管道積液量預(yù)測既可以作為采氣管線清管時機判定依據(jù)，消除不合理清管制度造成的不利影響，也可為清管過程起指導(dǎo)作用，有效削減積液量過大引發(fā)的作業(yè)風(fēng)險。

（3）清管作業(yè)過程中合理控制清管器運行速度，準確判定清管器進站時機，既可減少天然氣的放空量，也可避免將污水污物推入下游，確保清管作業(yè)安全開展。