濕天然氣輸送管道積液發(fā)展過程影響因素分析*

劉建武 何利民

1中國(guó)石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院

2中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司

濕天然氣（簡(jiǎn)稱濕氣）輸送是指原料氣未在采氣井口深度脫水、脫烴而進(jìn)入集氣管道進(jìn)行輸送的一種工藝[1]，具有流程簡(jiǎn)單、節(jié)約投資、環(huán)保和便于管理等優(yōu)點(diǎn)，在氣田、油田伴生氣以及越來越多的邊際氣田集輸領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。進(jìn)行積液的有效處理是濕氣管道日常運(yùn)行管理中的一項(xiàng)重要工作。通常采用定期清管的方法來清除管道內(nèi)的積液，但受介質(zhì)組成、地形條件、操作條件以及環(huán)境因素等的影響，管道的積液量往往是變化的，這給清管周期以及清管末端處理設(shè)備容積的確定帶來了難題[2-4]，同時(shí)也會(huì)造成清管過程的壓力劇烈波動(dòng)，使局部管段具有超壓風(fēng)險(xiǎn)，影響了管道的運(yùn)行安全。因此，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者開展了濕氣集輸管線中的積液預(yù)測(cè)與流動(dòng)規(guī)律研究，以尋求合理的積液防控措施[5-9]。

運(yùn)行壓力和溫度條件下有冷凝水和重?zé)N的析出是濕氣管道產(chǎn)生積液的必要條件，多元物系的組成及其所在的溫度和壓力范圍，決定了整個(gè)物系的相態(tài)分布。實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過程中，集氣管道面臨的環(huán)境條件是復(fù)雜多變的，基于不同的氣井生產(chǎn)工藝，進(jìn)入集氣管道濕氣的含水有可能以未飽和、飽和或者過飽和的形式存在；管道沿線的環(huán)境溫度伴隨季節(jié)的交替也會(huì)發(fā)生變化；針對(duì)不同地層壓力的生產(chǎn)井，集氣管網(wǎng)也將具有不同的壓力等級(jí)匹配，這些因素都將對(duì)積液在管道中的沉積及發(fā)展帶來影響。本文將在前期研究工作基礎(chǔ)上，分析環(huán)境溫度、含水量以及運(yùn)行壓力等參數(shù)對(duì)濕氣輸送管道積液沉積以及發(fā)展過程的影響，以期為濕氣管道集輸工藝的優(yōu)化以及積液控制和處理方案的制定提供指導(dǎo)。

1 基準(zhǔn)案例模型與計(jì)算方法

來料濕氣含水摩爾分?jǐn)?shù)W=0.87%，管道里程L=18 km，管徑D=590 mm，管道首站運(yùn)行溫度T=60 ℃，環(huán)境溫度T0=10 ℃，管道末端壓力p=2.6 MPa，設(shè)計(jì)輸量Q=1.8×106m3/d，管道沿線高程H如圖1 所示。

圖1 管道沿線高程Fig.1 Elevation along the pipeline

以此作為基準(zhǔn)案例開展積液發(fā)展過程的影響因素分析，輸送濕氣的氣質(zhì)組成以及OLGA 模擬模型和計(jì)算方法的實(shí)施等內(nèi)容詳見文獻(xiàn)[10]。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境溫度的影響

圖2 所示為管道沿線環(huán)境溫度T=0 ℃、10 ℃和20 ℃時(shí)，管道全線的積液發(fā)展情況。從圖2 可以看出，管道穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的積液量隨著環(huán)境溫度的降低而增大，積液在管道中沉積直至達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的持續(xù)時(shí)間也隨著環(huán)境溫度的降低逐漸延長(zhǎng)。

圖2 環(huán)境溫度對(duì)管道積液發(fā)展的影響Fig.2 Effect of ambient temperature on pipeline liquid loading development

埋地管道運(yùn)行過程中會(huì)與周邊環(huán)境進(jìn)行熱交換并最終達(dá)到熱平衡，由于管道沿線存在熱損失，從集氣管道起點(diǎn)開始，管道沿線的運(yùn)行溫度會(huì)逐漸降低；集氣管道入口溫度以及管道沿線總傳熱系數(shù)保持不變，環(huán)境溫度越低，管道沿線的熱損失越大，管道沿線的溫降也就越大，如圖3 所示。根據(jù)多元物系的相平衡特性，管道運(yùn)行溫度越低，在管道沿線的不同位置則會(huì)有更多的液相從氣相中快速凝結(jié)出來，并在管道沿線具有不同傾角的起伏段進(jìn)行聚集，環(huán)境溫度越低，管道全線的積液量越大。

圖3 環(huán)境溫度對(duì)管道沿線溫度分布的影響Fig.3 Effect of ambient temperature on the temperature distribution along the pipeline

濕天然氣中的重?zé)N組分和水蒸氣能否快速地凝結(jié)析出并進(jìn)行沉積以及管道沿線低洼處形成的積液能否快速流動(dòng)進(jìn)行質(zhì)量交換，是影響濕氣管道積液量多少以及發(fā)展持續(xù)時(shí)間快慢的關(guān)鍵。在管輸量以及末點(diǎn)壓力不變的情況下，管道沿線環(huán)境溫度的不同會(huì)使管內(nèi)的介質(zhì)流速發(fā)生變化。為了更清楚地了解管道流速的影響，這里僅對(duì)環(huán)境溫度T=0 ℃和20 ℃時(shí)的情況進(jìn)行分析。圖4 為清管器到達(dá)集氣管道末端時(shí)管道沿線的氣體流速分布情況，此時(shí)管道內(nèi)部剛完成清管，濕氣中僅有少量的液相析出，還未形成積液，最能反映運(yùn)行溫度對(duì)管輸流速的影響。從圖4 可以看出，管道沿線的氣體流速隨著運(yùn)行溫度的降低而減小；環(huán)境溫度越低，管道沿線輸送介質(zhì)整體的流速越慢，越不利于管道沿線形成的積液進(jìn)行質(zhì)量交換，管道全線積液量達(dá)到穩(wěn)定所持續(xù)的時(shí)間就越長(zhǎng)。

圖4 環(huán)境溫度對(duì)管道全線氣相流速的影響Fig.4 Effect of ambient temperature on gas phase velocity along the pipeline

2.2 含水量的影響

不同油氣藏的儲(chǔ)氣構(gòu)造、地質(zhì)條件、自然條件、介質(zhì)組成等因素是千變?nèi)f化的，因而適應(yīng)這些因素的井場(chǎng)采氣與集氣流程也是多種多樣的，這也就造成了進(jìn)入集氣管道濕天然氣中的含水量是不確定的?；诓煌牟蓺夤に嚕诩瘹夤艿廊肟谒跍囟群蛪毫l件下，進(jìn)入集氣管道的濕氣可能會(huì)以未飽和、飽和或者過飽和的狀態(tài)呈現(xiàn)，伴隨管道沿線運(yùn)行和壓力的降低，也必然會(huì)對(duì)積液的沉積和發(fā)展產(chǎn)生影響。這里對(duì)來料濕氣含水摩爾分?jǐn)?shù)W為0.27%、0.87%、1.47%時(shí)的管道積液沉積與發(fā)展情況進(jìn)行分析?；诙嘣锵档南嗥胶庥?jì)算分析，在集氣管道入口溫度和壓力條件下，W=0.27%時(shí)濕氣處于未飽和狀態(tài)，而W=0.87%和W=1.47%時(shí)濕氣則均處于過飽和狀態(tài)。

圖5 為不同含水摩爾分?jǐn)?shù)濕氣進(jìn)入集氣管道后的管道積液沉積與發(fā)展情況。從圖5 可以看出，管道中的積液量隨濕氣中含水量的增加而增大。圖6為3 種不同含水摩爾分?jǐn)?shù)濕氣中水-水蒸氣體系的相平衡曲線。從圖6 可以看出，濕氣中含水量越大，導(dǎo)致水相凝結(jié)析出的溫度和壓力范圍就越寬泛，伴隨管道沿線的溫度和壓力降低，液相就越容易析出，并在不同傾角的管道低洼處聚集，導(dǎo)致管道全線積液量增多。

圖5 含水量對(duì)管道積液的影響Fig.5 Effect of water content on pipeline liquid loading

圖6 濕氣中水-水蒸汽體系的相平衡曲線Fig.6 Phase equilibrium curve of water-steam system in wet natural gas

從圖5 中還可以看出，積液在管道中沉積直至達(dá)到穩(wěn)定的持續(xù)時(shí)間隨著含水量的減小而延長(zhǎng)，并且當(dāng)濕氣處于過飽和態(tài)時(shí)，管道積液發(fā)展達(dá)到穩(wěn)定所持續(xù)的時(shí)間是略有延長(zhǎng)，初始含水摩爾分?jǐn)?shù)為1.47%、0.87%的過飽和濕氣管道積液發(fā)展至穩(wěn)定的時(shí)間分別為16.6 d 和24.6 d（減掉清管前穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的3 d，下同），而初始含水摩爾分?jǐn)?shù)為0.27%的未飽和濕氣管道積液發(fā)展至穩(wěn)定的時(shí)間則達(dá)到了84.2 d。管道積液從發(fā)展直至穩(wěn)定持續(xù)時(shí)間的快慢與管道積液在起伏地段的流動(dòng)速度和質(zhì)量交換快慢有關(guān)，當(dāng)濕氣管道含水量較低尤其是處于未飽和狀態(tài)時(shí)，管道沿線積液的形成首先靠的是管道低洼地段的聚集作用，管道含水量越小，越難發(fā)生液相的凝結(jié)和聚集作用。為了更好地說明問題，這里僅給出W為0.27%、1.47%的未飽和、過飽和濕氣在管道后半程最大起伏管段（圖1）的下傾管上游和上傾管下游管截面的持液率隨運(yùn)行時(shí)間的變化情況，分別如圖7 和圖8 所示。

圖7 最大起伏下傾管上游截面持液率變化Fig.7 Change of liquid holdup in upstream section of downdip tube with maximum fluctuation

圖8 最大起伏上傾管下游截面持液率變化Fig.8 Change of liquid holdup in downstream section of updip tube with maximum fluctuation

從圖7、圖8 中可以看出，無論是下傾管段還是上傾管段，在管道積液沉積最開始的一段時(shí)間里，管截面持液率比較穩(wěn)定且波動(dòng)較小，說明此時(shí)管道的下傾、上傾管段中持液率的形成主要以水蒸氣和重?zé)N凝結(jié)成液滴與管壁碰撞聚集形成的分層流為主，并不斷地在管道的低洼處匯集；伴隨管道低洼處聚集的積液越來越多，液位開始升高，氣體的剪切應(yīng)力作用使液面產(chǎn)生波動(dòng)，當(dāng)管線低洼處的液位到達(dá)一定高度時(shí)，基于Kelvin-Helmholtz 理論[11]，由于伯努利效應(yīng)，在液面處氣體流速大而壓力低。與其他位置相比，液面波峰處部分壓能轉(zhuǎn)化成了動(dòng)能，當(dāng)壓力作用大于波浪所受的重力作用時(shí)，液面的波幅能夠到達(dá)管內(nèi)頂部形成液橋，液橋阻塞了氣體的流動(dòng)，隨即產(chǎn)生了液塞。液塞運(yùn)動(dòng)伴隨液塞頭部液膜的不斷卷吸和液塞尾部液膜的不斷脫落，受管道沿線地形起伏以及流體物性的影響，若液塞頭部的液膜卷吸速度小于液塞尾部的液膜脫落速度，則液塞會(huì)在管道中發(fā)生耗散[12]，液塞的形成以及耗散促成了積液在管道沿線的不同管段進(jìn)行流動(dòng)和質(zhì)量交換。濕氣中含水越多，積液沉積的速率越快，管道形成段塞并進(jìn)行質(zhì)量交換的時(shí)間越短；濕氣中含水越少，積液沉積的速率越慢，管道形成段塞并進(jìn)行質(zhì)量交換的時(shí)間越長(zhǎng)，即管道積液從發(fā)展到穩(wěn)定所持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)。

2.3 運(yùn)行壓力的影響

在保持管道輸量不變的條件下，通過約束集氣管道末端的壓力為40、26、15 bar，來分析不同的管道運(yùn)行壓力對(duì)濕氣管道積液的影響。如圖9 所示，管道中的積液量隨著運(yùn)行壓力的增大而增大，積液在管道中沉積直至達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的持續(xù)時(shí)間也隨著運(yùn)行壓力的增大而逐漸延長(zhǎng)，且增幅較大。管道運(yùn)行壓力的增大，一方面使得濕氣更容易在多元物系相平衡中處于液相區(qū)范圍，使得積液在具有不同傾角的低洼管段聚集，造成管道積液量的增大；另一方面，不同的運(yùn)行壓力造成濕氣在管道中的運(yùn)行速度存在差異，為了更好地說明問題，這里僅給出集氣管道末端壓力為40 bar 和15 bar 時(shí)，在清管器到達(dá)集氣管道末端時(shí)管道沿線的氣體流速分布情況，如圖10 所示。從圖10 可以看出，在保持管道輸量不變的條件下，管道運(yùn)行壓力越大，管道中氣體流速就越小，攜液進(jìn)行流動(dòng)以及質(zhì)量交換能力就越弱，管道積液發(fā)展直到穩(wěn)定的持續(xù)時(shí)間就越長(zhǎng)。

圖9 運(yùn)行壓力對(duì)管道積液的影響Fig.9 Effect of operating pressure on pipeline liquid loading

圖10 運(yùn)行壓力對(duì)管道全線氣相流速的影響Fig.10 Effect of operating pressure on gas phase velocity along the pipeline

3 結(jié)論

（1）針對(duì)所研究的案例，受環(huán)境溫度、運(yùn)行壓力、介質(zhì)組成以及管道流速等因素的影響，濕天然氣管道輸送過程中，液相從凝結(jié)析出到發(fā)生沉積直至積液量達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間往往會(huì)持續(xù)數(shù)天到數(shù)月不等。

（2）在其他操作條件不變的情況下，濕氣管道積液量隨著環(huán)境溫度的降低、運(yùn)行壓力的增大以及含水量分?jǐn)?shù)的增加而增加；管道積液發(fā)展持續(xù)的時(shí)間會(huì)隨著環(huán)境溫度的降低、含水量的減少以及管道流速的減小而延長(zhǎng)；其中，含水量和管道流速是影響濕氣管道積液量以及發(fā)展持續(xù)時(shí)間的關(guān)鍵參數(shù)。