天然氣凝析液起伏管道集輸敏感特性模擬研究

鄧嬌 趙曉樂 劉爭(zhēng)芬

摘 ? ? ?要： 天然氣凝析液管道采用氣液混輸技術(shù)進(jìn)行輸送，地形起伏可能造成管線內(nèi)流型復(fù)雜和流動(dòng)不穩(wěn)定，導(dǎo)致管線低洼處容易產(chǎn)生積液，影響集輸效率。采用多相流模擬軟件LedaFlow建立某凝析氣田集輸管道水力模型，模擬分析地形起伏對(duì)管線壓力和持液率分布的影響，探究削弱地形起伏對(duì)壓力波動(dòng)影響的集輸條件，模擬分析輸氣量、管徑以及管道出口壓力對(duì)起伏管道水力特性的影響。研究表明：地形起伏增大了壓力和持液率的波動(dòng)，使流動(dòng)不穩(wěn)定。高輸量、小管徑和低壓集輸能夠削弱地形起伏的影響。高壓集輸壓降小，低壓集輸壓降大，存在最優(yōu)運(yùn)行壓力使生產(chǎn)成本最低。該研究為氣液混輸管路輸送參數(shù)的選取提出了合理化建議，對(duì)復(fù)雜地貌條件下天然氣凝析液集輸管道的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理具有意義。

關(guān) ?鍵 ?詞：氣液混輸;地形起伏;輸氣量;管徑;出口壓力;LedaFlow

中圖分類號(hào)：TE832 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? 文章編號(hào)： 1671-0460（2020）04-0654-05

Abstract： The natural gas condensate is always transported by gas-liquid mixed transportation technology. The topography fluctuation may cause the appearance of complicated flow pattern and unstable flow in the pipeline， and it is easy to generate liquid accumulation in the lower part of the pipeline， which affects the efficiency of gathering and transportation. A hydraulic model of gathering and transportation pipeline in a condensate gas field was established by using new multiphase flow simulation software LedaFlow. The effect of topography fluctuation on hydraulic characteristics was simulated and analyzed， and the conditions weakening the influence of topography on pressure fluctuation were investigated. The effect of gas flow， pipe diameter and outlet pressure on hydraulic characteristics was also simulated and analyzed. The results showed that the topography undulation increased the fluctuation of pressure and liquid holdup to make the flow unstable. High gas flow， small diameter and low pressure gathering could weaken the influence of topography. The optimum gas flow and the optimum diameter caused the lowest pressure drop and liquid holdup during the gathering and transportation. The pressure drop was low in high-pressure gathering， and was high in low-pressure gathering. At last， reasonable suggestions for the selection of conveying parameters of gas-liquid mixed pipelines were put forward. The paper has guiding significance for the design and operation management of gas condensate gathering and transportation pipeline under complicated geomorphic conditions.

Key words： Gas-liquid mixed transportation; Topography fluctuation; Gas flow; Pipe diameter; Outlet pressure; LedaFlow

在油氣集輸領(lǐng)域，氣液混輸技術(shù)能加快油氣田的開發(fā)速度，降低成本，在天然氣凝析液集輸管道中較為常見[1]。受地理?xiàng)l件影響，絕大多數(shù)凝析氣田區(qū)塊地形地貌復(fù)雜，井位分散，氣液混輸時(shí)管路起伏大，造成管線積液增多，壓降損失增大，由此造成現(xiàn)有工藝集輸困難[2-5]。潘峰等利用OLGA軟件對(duì)起伏天然氣凝析液管道水力特性進(jìn)行了模擬研究[6-8]，該研究只針對(duì)壓力變化進(jìn)行了分析，沒有考慮集輸條件對(duì)管道中持液率的影響。張鵬等人研究了地形起伏對(duì)凝析氣集輸管道工況的影響，沒有考慮其他集輸條件對(duì)管道輸送中水力特性的影響。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于凝析氣田在復(fù)雜地貌條件下集輸管路流動(dòng)特性的研究不夠全面，文獻(xiàn)資料缺乏。

LedaFlow是石油行業(yè)新興的多相流瞬態(tài)模擬軟件，由挪威SINTEF研究院、法國(guó)Total和美國(guó)ConocoPhillips公司合作研發(fā)。它的基礎(chǔ)模型是經(jīng)雙流體模型擴(kuò)展的多相流體模型，該模型充分考慮了油氣水三相中可能存在的分散相，并建立了分散相相應(yīng)的物理模型，其模擬準(zhǔn)確性得到石油行業(yè)的廣泛認(rèn)可。本文利用LedaFlow軟件建立了某天然氣凝析液集輸管道水力計(jì)算模型，通過(guò)穩(wěn)態(tài)模擬分析了地形起伏、輸氣量、管徑和管道出口壓力對(duì)管道壓降和持液率的影響，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行理論分析，為復(fù)雜地貌下的天然氣凝析液集輸管道的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理提供理論基礎(chǔ)。

1 ?水力模型基本參數(shù)

利用LedaFlow軟件模擬計(jì)算某天然氣凝析液集輸管道的流動(dòng)情況，該管線總長(zhǎng)4.65 km，所處地勢(shì)地形起伏較大，最大高差達(dá)到63 m，管線路由如圖1所示。

管線中流體主要成分為天然氣、天然氣凝析液和水，其中天然氣組分構(gòu)成見表1。為了研究天然氣凝析液起伏管道流動(dòng)的水力特性，在模擬過(guò)程中分別改變地形起伏程度、輸氣量、管徑和管道出口壓力，并保持其他邊界條件不變，得到穩(wěn)態(tài)條件下管線的壓力和持液率分布情況。

2 ?地形起伏對(duì)集輸敏感特性影響分析

2.1 ?地形起伏對(duì)管道壓力和持液率的影響

分別建立水平管線和現(xiàn)場(chǎng)起伏管線計(jì)算模型，采用S代表工況：溫度為20 ℃，壓力為0.1 MPa，設(shè)置集輸管徑為0.04 m，氣液比為1 000 Sm3/m3，輸氣量為648 Sm3/h，管道出口壓力為5 MPa。經(jīng)過(guò)模擬，得到水平管路與起伏管路中壓力和持液率分布對(duì)比情況如圖2和圖3所示。

由上圖可以看出，水平管道壓力和持液率基本無(wú)波動(dòng)，呈線性分布，而起伏管路中的壓力和持液率出現(xiàn)不同幅度的波動(dòng)。由圖2可知：起伏管線中各個(gè)位置的壓力都比水平管線壓力大，在下降管中，壓降梯度變小，在上升管中，壓降梯度變大。這是因?yàn)槠鸱苈房山频刃в谙陆倒芘c上升管組合的管路，下降管中流體的位能減小，抵消了壓能的部分損失，上升管中位能增大，增加了壓能的損失。由圖3可知：下傾管持液率減小，下傾管末段和上傾管持液率增加。這是因?yàn)橄聝A管中的液體由于自重加速流入低洼處，上升管中的液體由于自重產(chǎn)生減速甚至倒流，造成液體積聚。

2.2 ?地形起伏對(duì)集輸敏感性影響強(qiáng)弱分析

根據(jù)以上模擬結(jié)果，地形起伏增大了管線沿程壓降損失，同時(shí)在管線低洼處產(chǎn)生積液，影響集輸效率。在工程實(shí)際中，集輸管線多為大傾角起伏管線，增大了集輸難度。通過(guò)模擬不同邊界條件下地形起伏對(duì)集輸敏感特性的影響，分析削弱地形起伏影響的集輸邊界條件。

分別模擬不同輸氣量、管徑和出口壓力條件下起伏管路和水平管路中壓力分布情況，結(jié)果如圖4、圖5和圖6所示。

根據(jù)模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)地形起伏對(duì)集輸敏感特性影響的強(qiáng)弱與輸氣量、管徑和出口壓力均有關(guān)聯(lián)。在輸氣量較大、管徑較小和出口壓力較小情況下，起伏管路與水平管路的壓力分布差別不大，壓力波動(dòng)較小，地形起伏對(duì)集輸敏感特性產(chǎn)生的影響較小。因此，凝析氣田集輸氣量較大、管徑較小和低壓集輸時(shí)，可削弱地形起伏造成的壓力波動(dòng)影響。

3 ?集輸邊界條件對(duì)起伏管路集輸敏感特性影響分析

3.1 ?輸氣量對(duì)管道壓力和持液率的影響

起伏管線路由如圖1所示，設(shè)置管徑為0.04 m，氣液比為1 000 Sm3/m3，管道出口壓力為5 MPa。模擬6種不同輸氣量條件下管道的壓力和持液率分布，計(jì)算結(jié)果如圖7和圖8所示。

從圖7可以看出，在較低輸量范圍內(nèi)，隨著輸量的增加，管道入口壓力逐漸降低，管道總壓降減小。輸氣量超過(guò)一定范圍，隨著輸量增加，管道入口壓力逐漸升高，管道總壓降增大。并且隨著輸氣量增加，壓降梯度逐漸增大，趨近于線性變化。這是因?yàn)檩^低輸氣量下總壓降主要由高程變化引起，輸氣量的增加引起流速增大，摩阻壓降在總壓降中的比重隨之增加。

從圖8可以看出，隨著輸氣量的增加，下傾管持液率略微增加，上傾管道持液率和管道低洼處持液率減小，上傾管的變化趨勢(shì)比下傾管更加明顯。這是因?yàn)殡S著輸氣量增大，氣體的攜液能力也隨之增加，在上傾管和管道低洼處更多的液體被氣體帶出，因此持液率減小。在下傾管處，由于重力作用，液體產(chǎn)生加速，造成氣體攜帶作用減弱。當(dāng)輸氣量增加到一定程度，持液率變化不明顯，全線持液率保持在較低水平。

綜上所述，輸氣量在一定范圍內(nèi)增加能使壓降減小，持液率降低，但是輸氣量超過(guò)一定范圍會(huì)使壓降增大。因此在實(shí)際集輸方案設(shè)計(jì)中，存在最優(yōu)輸量使壓降和持液率分布滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 ?管徑對(duì)管道壓力和持液率的影響

設(shè)置氣液比為1 000 Sm3/m3，輸氣量為648 Sm3/h，管道出口壓力為5 MPa。模擬6種不同管徑條件下管道的壓力和持液率分布，計(jì)算結(jié)果如圖9和圖10所示。

從圖9可以看出，管徑較小時(shí)，隨著管徑的增加，管道入口壓力逐漸降低，管道總壓降減小，壓降梯度逐漸減小。這是因?yàn)椋軓皆龃笤斐闪魉贉p小，摩阻損失也隨之減小。當(dāng)管徑超過(guò)一定范圍，隨著管徑增加，入口壓力逐漸升高，管道總壓降逐漸增大。當(dāng)管徑增大到一定程度時(shí)，管徑的增大對(duì)壓力影響作用變小，壓降損失主要由高程變化引起。

從圖10可以看出，隨著管徑的增加，下傾管道持液率略微減小，上傾管道持液率和管道低洼處持液率顯著增加。這是因?yàn)椋軓皆黾釉斐蓺怏w流速減小，氣體攜液能力隨之減弱，在上傾管和管道低洼處氣體攜帶液體的量大大減少，造成液體積累，持液率顯著升高。下傾管中液體能夠依靠自身重力向前流動(dòng)，因此持液率不會(huì)增加。

3.3 ?出口壓力對(duì)管道壓力和持液率的影響

設(shè)置管徑為0.04 m，氣液比為1 000 Sm3/m3，輸氣量為648 Sm3/h。模擬6種不同出口壓力條件下管道的總壓降和持液率變化，總壓降結(jié)果如表2所示，持液率分布如圖11所示。