煤層氣低壓管道積液動(dòng)態(tài)分析與規(guī)律研究

孟凡華 劉勝男 王子輝 李曉平 安玉敏 李詠梅

(1. 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司山西煤層氣勘探開(kāi)發(fā)分公司，山西 046000；2. 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司煤層氣開(kāi)采先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)基地，山西 046000；3. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室/石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249)

1 煤層氣管道積液的研究現(xiàn)狀

薛愛(ài)芹等通過(guò)設(shè)定不同傳熱系數(shù)和不同管徑，主要依據(jù)沿線溫度變化進(jìn)行計(jì)算，得到結(jié)論：溫度下降最快的距離均為出井場(chǎng)至井場(chǎng)外750m左右，一般2.2km以后，介質(zhì)溫度接近周圍環(huán)境溫度。故建議在出井場(chǎng)約2km以后，地形較低或管線折點(diǎn)上坡地段設(shè)置凝水器，但當(dāng)管道起始處高程差較大時(shí)，此結(jié)論則不適用。王磊等使用HYSYS軟件模擬計(jì)算繪制煤層氣采氣管線的溫降曲線、壓降曲線、含水量變化曲線，并由溫度壓力計(jì)算凝析水量，建議在飽和含水率最低點(diǎn)設(shè)置1個(gè)分水器，但其未考慮含水率大小對(duì)積液的影響，地形考慮也不夠詳細(xì)。郭簡(jiǎn)等通過(guò)對(duì)傾斜管內(nèi)氣液兩相流動(dòng)及相態(tài)變化的研究，發(fā)現(xiàn)積液通常發(fā)生在管段的前三分之一處，故建議凝水缸或放水閥等設(shè)施放置在管道初始段的地形低洼處，其未考慮氣體對(duì)液體的攜帶作用。胡倩等通過(guò)計(jì)算不同管徑、不同產(chǎn)水量工況下管線中的流型變化及持液率變化，預(yù)判管線積液情況，得到結(jié)論：煤層氣管道流速設(shè)計(jì)大于9m/s時(shí)，能有效改變管道中的流型，降低管道積液風(fēng)險(xiǎn)；煤層氣地面起伏管道在與地面成50°傾角時(shí)，管道持液率最大，如果管道為非分散流，可以在該類管道設(shè)置凝水缸收集積液，其未考慮壓力等其他因素。

上述研究雖取得了一定的成果，但仍存在不足。煤層氣管線地形起伏復(fù)雜，積液影響因素類型多樣，在實(shí)際應(yīng)用中積液定位準(zhǔn)確率較低，鑒于此，本文選取影響管道積液的幾個(gè)關(guān)鍵因素，設(shè)定合理范圍，通過(guò)大量的模擬總結(jié)規(guī)律，為積液的定位提供一定參考。

2 影響管道積液的主要因素

影響煤層氣管道積液的因素復(fù)雜多樣，由生產(chǎn)實(shí)際與現(xiàn)有研究成果可知，主要有以下幾個(gè)方面：

(1)氣體含水率。對(duì)于煤層氣管線來(lái)說(shuō)，氣量與飽和含水率決定了液相流量的多少，同一氣量和同樣的環(huán)境條件下，含水率越高，析出水量越多，也越容易形成積液。

(2)氣體流速。煤層氣管線中，液體量較氣體量來(lái)說(shuō)很小，基本靠氣體攜帶前進(jìn)，氣體的流速是決定其攜液能力大小主要因素，流速越大，攜液能力越強(qiáng)，但壓降也會(huì)越大。

(3)管徑。在保持氣體流速、含水率等其他因素不變的前提下，管徑越大，越易積液。這是因?yàn)榱魉俨蛔儠r(shí)，管徑增大，氣體流量增大，所攜帶的水蒸氣增加，沿線析出水量增加，故大管徑的管道更容易積液。

(4)末點(diǎn)壓力。隨末點(diǎn)壓力的增加，氣態(tài)水更易凝析出來(lái)，從而積液速率加快，積液量有所增加，但同時(shí)氣體的密度和黏度也會(huì)隨之增大，導(dǎo)致其攜液能力有所增強(qiáng)。

3 低壓管道積液模擬分析

由于管道起伏的復(fù)雜性，本文選取典型地勢(shì)，建立了兩個(gè)簡(jiǎn)化的低壓管道模型，運(yùn)用OLGA軟件進(jìn)行了模擬分析，并總結(jié)規(guī)律。

3.1 工況設(shè)定及模型建立

根據(jù)煤層氣的特點(diǎn)及沁水盆地某區(qū)塊工程實(shí)際，對(duì)所研究的影響因素進(jìn)行設(shè)定(表1)。

表1 模擬參數(shù)設(shè)定

環(huán)境溫度較低時(shí)凝結(jié)水更易析出，因此取該區(qū)塊冬季溫度3.4℃為環(huán)境溫度值。設(shè)定“先低后高”與“先高后低”兩種三段高差地勢(shì)進(jìn)行模擬，高程差選擇50m、100m、150m三種，管道起始段為200m水平段，管道全長(zhǎng)1500m。兩種管道路由如圖1、圖2所示。

圖1 地形Ⅰ

圖2 地形Ⅱ

圖3 各工況積液情況圖

3.2 模擬計(jì)算結(jié)果

兩種地形條件下，V=15m/s時(shí)，各工況管道均積液，其余工況的具體積液情況如圖3所示。

3.3 積液動(dòng)態(tài)累積規(guī)律分析

由于積液受各種因素的交叉協(xié)同影響，不同工況組合下積液規(guī)律或有差別。但研究樣本量較大，故通過(guò)關(guān)聯(lián)性分析，得到最主要的影響因素，將其作為變量進(jìn)行多工況的分析。

3.3.1 多因素與積液的關(guān)聯(lián)度分析

管道壓力、氣體流速、管徑、含水率等均會(huì)對(duì)積液產(chǎn)生影響，但影響程度卻不盡相同。運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)理論，對(duì)兩種地形各選取24組算例進(jìn)行分析，以積液量作為參考序列，4個(gè)影響因素作為比較序列，首先對(duì)序列做無(wú)量綱處理，再通過(guò)下列公式對(duì)4個(gè)影響因素與積液的關(guān)系進(jìn)行關(guān)聯(lián)度計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2。

Δ0i(k)=|x0(k)-xi(k)|

(1)

(2)

(3)

灰關(guān)聯(lián)系數(shù)為：

(4)

各個(gè)因素與主因素之間的灰色關(guān)聯(lián)度為：

(5)

其中，Δ0i(k)表示差序列，x0(k)為參考序列的無(wú)量綱數(shù)值，xi(k)為其他比較序列的無(wú)量綱數(shù)值，Δmax表示最大極差，Δmin表示最小極差。i=1，2，3，4分別為4個(gè)影響因素；k=1，2，3，…，24分別為24種工況；ρ為分辨系數(shù)，1>ρ>0，通常取0.5。

表2 四個(gè)影響因素與積液之間的關(guān)聯(lián)度

圖4 地形Ⅰ沿線積液量隨時(shí)間的變化情況

由表2可得，地形Ⅰ的管道積液受管徑影響最大，地形Ⅱ的管道積液受含水率影響最大，其次是氣體流速，最后是末點(diǎn)壓力。

3.3.2 積液動(dòng)態(tài)累積規(guī)律

基于上述研究，對(duì)地形Ⅰ，分析其在3種管徑下的積液規(guī)律，設(shè)定流速為20m/s，末點(diǎn)壓力為0.06MPa，含水率為0.8%；對(duì)地形Ⅱ，分析其在3種含水率下的積液規(guī)律，設(shè)定管徑為DN150，流速與末點(diǎn)壓力同地形Ⅰ所設(shè)。

(1)地形Ⅰ積液規(guī)律

圖5 地形Ⅱ沿線積液量隨時(shí)間的變化情況

不同管徑下，管道沿線積液累計(jì)隨時(shí)間的變化情況如圖4所示。由圖4可以看出，當(dāng)管徑為DN100時(shí)，幾乎不積液；當(dāng)管徑為DN150與DN200時(shí)，積液量隨時(shí)間增加，管徑越大，積液速度越快。整體規(guī)律為：最初第二個(gè)低點(diǎn)積液，一定時(shí)間后，第一個(gè)低點(diǎn)開(kāi)始積液并向后擴(kuò)展，期間后兩個(gè)低點(diǎn)的積液量幾乎不變。當(dāng)?shù)谝欢紊蟽A管的積液量達(dá)到一飽和值不再變化時(shí)，第二個(gè)低點(diǎn)的積液量繼續(xù)增加并向下游擴(kuò)展，期間第三個(gè)低點(diǎn)的積液量仍幾乎不變，直到第二段上傾管積液量達(dá)飽和，最終整條管路積液量達(dá)到一飽和值。

(2)地形Ⅱ積液規(guī)律

不同含水率下，管道沿線積液情況如圖5所示。由圖5可知，三種含水率下管道均是從第一個(gè)低點(diǎn)開(kāi)始積液，并向后擴(kuò)展，當(dāng)?shù)谝欢紊蟽A管的積液量達(dá)到飽和時(shí)，第二個(gè)低點(diǎn)開(kāi)始積液并向下游擴(kuò)展，最終整條管路積液量達(dá)到一飽和值。含水率越大，積液速度越快，在模擬的20天內(nèi)，含水率為0.8%和1.1%時(shí)，整條管路積液量已達(dá)飽和，而含水率為0.5%時(shí)，積液只存在于第一段上傾管。

(3)積液規(guī)律總結(jié)

對(duì)于地形Ⅰ，積液最初產(chǎn)生于100m左右高程差的上傾管低點(diǎn)，而后才在50m高程差的上傾管低點(diǎn)積液，這說(shuō)明在運(yùn)行開(kāi)始的一段時(shí)間內(nèi)，高程差為50m以下的管道中的液體可以被攜帶走，之后由于管線后段積液，導(dǎo)致前段壓力增加，凝析水量增加，不易被攜帶，從而積液。對(duì)于地形Ⅱ，在第一個(gè)低點(diǎn)開(kāi)始積液，積液量達(dá)飽和后第3個(gè)低點(diǎn)幾乎不積液。由此可初步推斷在此類工況下，高程差大于100m的上傾管道均會(huì)積液；若管道最大高程差不超過(guò)50m，則管道不積液。

3.3.3 積液排放技術(shù)研究

煤層氣采用低壓集氣，對(duì)于采氣管線來(lái)說(shuō)，井口回壓不能過(guò)高，否則影響正常采氣。管道積液會(huì)使壓降增加，因此需在了解積液規(guī)律的基礎(chǔ)上，及時(shí)排放積液，使之滿足壓力需求。根據(jù)此區(qū)塊設(shè)計(jì)要求，采氣管線井口回壓不得超過(guò)0.15MPa，故總結(jié)井口回壓達(dá)到0.15MPa時(shí)管線的積液情況，如表3、表4所示。

表3 地形Ⅰ積液情況

由表3可得，當(dāng)井口回壓達(dá)到0.15MPa時(shí)，積液主要分布在前兩個(gè)低點(diǎn)，故凝水缸等排液裝置可設(shè)在前兩個(gè)低點(diǎn)的爬坡處。管徑增加，排液周期可相應(yīng)延長(zhǎng)。

表4 地形Ⅱ積液情況

由表4可得，當(dāng)井口回壓達(dá)到0.15MPa時(shí)，積液只存在于第一段上傾管，因此只在第一個(gè)低點(diǎn)爬坡處設(shè)置排液裝置即可。隨含水率增加，排液周期變短。

4 結(jié)論

(1)總結(jié)分析了氣體含水率、流速、管徑、末點(diǎn)壓力對(duì)管道積液的影響，含水率越高，越容易形成積液；流速越大，攜液能力越強(qiáng)；管徑越大，越易積液；隨末點(diǎn)壓力的增加，積液速率加快，積液量增加，但同時(shí)氣體的密度和黏度也會(huì)隨之增大，導(dǎo)致其攜液能力有所增強(qiáng)。

(2)設(shè)定兩種多起伏地形，模擬了多工況組合下共270組管道的積液情況，并研究了積液動(dòng)態(tài)累積規(guī)律，由于樣本量較大，故通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)分析法得出最主要的影響因素，將其作為變量，其他因素選取一常量，對(duì)不同主控因素下管道的積液情況進(jìn)行了分析。由模擬結(jié)果可初步得出，在管徑大于等于DN150，含水率低于0.8%時(shí)，最大高程差不超過(guò)50m的管道不積液，高程差大于100m時(shí)，在管道低點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生積液。

(3)以井口回壓作為管線積液排放的控制指標(biāo)，研究不同工況下井口回壓達(dá)到某一上限時(shí)管線的積液情況，從而為確定積液位置及排液周期提供一定的思路和指導(dǎo)。