天然氣管道積液預(yù)測技術(shù)研究與應(yīng)用

李先兵，康 寧，王曉冬，呼 軍，李 凱，韓 煒，李兵剛

（中國石油長慶油田分公司第五采氣廠，陜西西安 710016）

蘇里格氣田東區(qū)天然氣含有飽和水蒸氣、游離水以及少量凝析油，在集輸過程中，飽和水蒸氣隨管線壓力降低和地下溫度的降低會連續(xù)凝結(jié)析出水，部分游離水和凝析油會滯留在管線的低洼部分，管線的長期運行會使水和凝析油越積越多，給集輸帶來很大的麻煩；積液量的增多會增加管道阻力和壓力脈動，增加動力消耗；水的存在還會加速硫化氫、二氧化碳對管線的腐蝕，導(dǎo)致水合物的生成，使管線和設(shè)備堵塞。凝析油的析出同樣會增加集輸管道的阻力和壓力波動，影響集輸過程的安全性。因此，及時預(yù)測和測量輸送管道內(nèi)天然氣和液體流量，測量天然氣中的累計水含量和液量，對天然氣集輸?shù)陌踩院徒?jīng)濟性有著重要的意義。

本文主要對水的凝結(jié)機理開展研究，通過對由于壓力和溫度變化天然氣中水蒸氣的凝結(jié)的計算和對管線壓力降的變化和波動情況分析，進行輸氣管線積液預(yù)測與計算研究，提出積液量預(yù)測方法并現(xiàn)場應(yīng)用研究[1-4]。

1 管線積液量壓力降計算方法

沿程壓力的降低使氣體體積增加，密度減小，同時也引起壓力變化，在較長的管線內(nèi)，這個壓力變化也是不能被忽略的。管線進出口的水平高差主要引起管道內(nèi)液體重位壓力降，在計算模型中需要考慮。據(jù)以上測量、計算、分析可以知道管線中有多少積液量。這些積液量呈何種狀態(tài)，對天然氣集輸?shù)挠绊?，可以實時給出管線中積液的各種參數(shù)和管線的運行狀態(tài)。

研究分析天然氣管線中氣液兩相流動所產(chǎn)生的壓力降特性可以計算出管線內(nèi)積液量。

依據(jù)范寧方程式，管線沿程摩擦壓力降為：

式中：ΔPf-摩擦壓力降，Pa；λ-摩擦系數(shù)；u-流體流速，m/s；ρ-流體密度，kg/m3；L-管道長度，m；d-管道內(nèi)徑，m。

在輸氣工程中為了提高輸送量，流體流型多處于湍流區(qū)，式中摩擦系數(shù)的數(shù)值可根據(jù)管道粗糙度進行修正。對于較長的輸氣管道，若管內(nèi)流體為含濕氣體，通常將摩擦系數(shù)乘以1.2，以補償管內(nèi)腐蝕引起的摩擦損失，所以摩擦壓力降計算公式應(yīng)為：

管線中的重位壓力降，也就是由于管線高度差形成靜態(tài)積液而產(chǎn)生的壓力降。

式中：ΔPs-重位壓力降，Pa；Z2、Z1-管道出口、入口標(biāo)高，m；g-重力加速度，9.8 m/s2。

速度壓力降，對于流體流經(jīng)閥門、管件等產(chǎn)生的速度壓力降，這里選擇當(dāng)量長度法進行計算。該方法將所計算管件折算為直管的當(dāng)量長度，即可得到與摩擦壓力降計算公式形式相同的計算式，常用閥門及管件的當(dāng)量長度可由工程手冊查表得出。

式中：Le-閥門、管件當(dāng)量長度，m。

綜上所述，可得出氣體管道壓力降計算公式：

當(dāng)積液增加，管線中會產(chǎn)生段塞流，壓力波動加大，還需要計算段塞流的脈動壓力降。因此，壓力降計算積液方法中需要計算四個方面壓力降：沿程摩擦壓力降、段塞流脈動壓力降、重位壓力降和速度壓力降。

考慮到天然氣產(chǎn)量的變化對壓力降的影響，對計算式進一步修正。

式中：ΔPg-由于天然氣產(chǎn)量增加而產(chǎn)生的壓力降，Pa；ub-天然氣產(chǎn)量增加后的流速，m/s；ua-天然氣已有流速，m/s。

那么，真實積液引起的壓力降為：

式中，如果管線內(nèi)天然氣流量增加，為正，如果天然氣流量減少，則為負。

這樣，依照管線兩端的壓力降，就可以預(yù)測出積液的量，如果大于一定量，那么，需要進行排液了。

式中系數(shù)C 由經(jīng)驗數(shù)據(jù)確定，一般采用C 為0.1，對一根管線來說，確定后就不再變，以后每次清管排液都可以根據(jù)式（9）來決定清管排液。

在實際生產(chǎn)中，各種運行參數(shù)隨時間而變化，但是最終都反映到壓力降這個參數(shù)上。通過檢測管線兩端的壓力降可以精確得到積液量的大小。壓力降液量計算相比理論計算公式更加精確，可靠。與凝結(jié)液量計算可以相互補充，提高計算精度，增加可靠性。

根據(jù)壓力降的大小同樣可以計算出積液量的大小。當(dāng)管線內(nèi)剛清除了液量，管線進出口壓力差最小，隨著積液產(chǎn)生和增加，引起流動阻力增加，積液達到一定量，就會極大增加壓力損失，這時就需要清管工作。凝結(jié)液量計算和壓力降液量計算是兩種不同的計算方法，可以相互補充，提高計算精度，增加可靠性。

2 積液量預(yù)測方法在管道中的應(yīng)用

2.1 提出新的積液量預(yù)測方法

當(dāng)管線內(nèi)只有天然氣流動，這時測量得到的管線壓力梯度可以看作是由天然氣流動產(chǎn)生的壓力梯度Δp0，這個壓力梯度包括了管線內(nèi)壁粗糙度、彎頭的影響，與式（8）相同。

式中：p1-管線上游端進口壓力，Pa；p2-管線下游端出口壓力，Pa。

理論計算由少量水增加引起壓力梯度的增加，管線內(nèi)的流動方程為：

求微分：

式中：u-管線中天然氣流速，m/s；Qw-增加的水量，m3；A-管線截面積，m2。

以蘇東a～蘇東b 支線為例：管線直徑207 mm，長度12.44 km，天然氣流量11.2×104m3/d。

由1 m3增加所產(chǎn)生的壓力降為：

這個計算說明，在管線里增加了1 m3的水，產(chǎn)生的壓力梯度約23.4 kPa。反過來說明，當(dāng)天然氣流量不變，測量出的壓力梯度增加了23.4 kPa，那么表示水增加了1 m3。

2.2 積液量預(yù)測方法的現(xiàn)場應(yīng)用

利用研究出的積液量預(yù)測方法，選取4 條集氣管線計算出積液量并通過清管進行驗證，現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)見表1。通過對4 條管線的數(shù)據(jù)分析以及與理論計算比較，理論計算液量與實際清出液量偏差在10.0%～18.7%，平均相對誤差為14%。認為對氣液多相流的壓力降分析與微分分析求解，由微小液體體積增量引起的壓差微增量是可以計算積液量的（表2、表3）。

表1 集氣管線基本參數(shù)

表2 上半年清管前后實際和理論計算液量對比

表3 下半年清管前后實際和理論計算液量對比

根據(jù)壓力降的大小，可以精確預(yù)測出清管時間與積液量的大?。?/p>

從經(jīng)濟考慮現(xiàn)在管道輸送效率小于90%時，就可考慮進行清管作業(yè)。也就是式中系數(shù)C 一般取1.0～3.0；k 一般取0.1；在幾次清管后，得到最優(yōu)化C、k 值，更能確定最佳清管時間。式（16）為積液量計算式，式（14）、式（15）是預(yù)測清管的公式，這個公式的精度取決于Δp積液、Δp0的測量精度。

3 結(jié)論

本文主要通過開展水的凝結(jié)機理研究，提出積液量預(yù)測方法，進行輸氣管線積液預(yù)測與計算。通過研究與現(xiàn)場應(yīng)用得到以下結(jié)論。

（1）提出了積液量預(yù)測計算的兩種方法，天然氣內(nèi)含水量計算新關(guān)系式和管線積液量預(yù)測計算方法。

（2）計算管線積液量關(guān)系式與實際管線清管積液平均偏差為14%。

（3）提出了管線清管時間判據(jù)式。

（4）對4 條管線清管數(shù)據(jù)進行了分析，數(shù)據(jù)表明提出的積液量預(yù)測計算方法偏差較小，可以用來計算管線積液量，同時指導(dǎo)集氣管道常規(guī)清管工作。