輸氣管道清管作業(yè)動態(tài)模擬分析與研究

張曉東，孫世武，馬軍鵬，劉畑，翟瑞欣，陳學(xué)敏

1.中國石油華北油田分公司 工程技術(shù)研究院（河北 任丘062552）

2.中國石油華北油田分公司 消防支隊(duì)（河北 任丘062552）

3.中國石油新疆油田分公司 油氣儲運(yùn)公司（新疆 昌吉831100）

4.中國石油管道局工程有限公司 第四分公司（河北 廊坊065000）

在氣田開發(fā)的前期和后期，由于輸氣量不足，輸氣管道常處于低輸量工況，氣體流速減緩，在地勢低洼及低洼上坡管段形成積液，導(dǎo)致管內(nèi)流動空間減小，沿程摩阻增大，當(dāng)積液足夠多時，會形成間歇性段塞流，同時可能形成水合物發(fā)生凍堵。為了保證輸氣管道高效運(yùn)行，必須定期進(jìn)行清管作業(yè)。但管道運(yùn)行過程中，溫度、壓力、氣量、組分等工況變化均會影響管內(nèi)積液情況[1-2]，因此實(shí)施清管作業(yè)前有必要對管內(nèi)積液情況進(jìn)行模擬，制定合理的清管方案和清管周期，保證管道安全運(yùn)行。

1 確定清管策略

SY/T 5922—2012《天然氣管道運(yùn)行規(guī)范》中規(guī)定，可依據(jù)管輸介質(zhì)的氣質(zhì)組分、輸氣效率和壓差變化等原則確定合理的清管策略。徐文龍等[3]認(rèn)為一些較大管徑的輸氣管道在輸氣量較小時，即使進(jìn)行反復(fù)清管，輸氣效率仍然小于95%，故輸氣效率無法指導(dǎo)清管策略的制定；陳思錠等[4]認(rèn)為故障停機(jī)、計(jì)劃放空、停輸作業(yè)、儲氣調(diào)峰等操作均會影響沿程壓降變化，故最大壓降法在特殊瞬態(tài)工況條件下容易導(dǎo)致誤判。因此，為了保證下游分離器或段塞流捕集器可以在清管作業(yè)階段安全接收清管段塞或積液，以分離器的有效容積作為清管方案是否可行的依據(jù)[5]。

2 軟件模擬

某輸氣管道為集氣站氣液分離器分離出的濕氣，通過管道輸送至中央處理廠進(jìn)行脫水、脫烴、脫碳等深度處理，管長21.03 km，管徑355.6 mm，壁厚8.5 mm，設(shè)計(jì)輸量1.6×104m3/h。該氣田處于產(chǎn)能初期，單井采用氣嘴控制產(chǎn)量，管道實(shí)際輸量為5 000 m3/h，入口溫度60℃，出口溫度25℃，出口分離器設(shè)定壓力3.5 MPa，有效容積150 m3。采用3PE防腐層，管道沿程起伏較大，最大最小高程差為253 m，沿線管道路由如圖1所示。由于投產(chǎn)后實(shí)際輸量低于設(shè)計(jì)輸量，一直未進(jìn)行清管作業(yè)。

圖1 管道路由

采用多相流瞬態(tài)模擬軟件OLGA進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，入口流量節(jié)點(diǎn)，入口流量5 000 m3/h；出口壓力節(jié)點(diǎn)，出口壓力3.5 MPa。先將模型置于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，由于OLGA軟件采用入口溫度計(jì)算出口溫度，出口壓力反算入口壓力的方法，穩(wěn)態(tài)完成后出口溫度和入口壓力與實(shí)際工況相比誤差在5%以內(nèi)，說明水力和熱力計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，可以為后期的清管作業(yè)提供模型基礎(chǔ)。導(dǎo)入穩(wěn)態(tài)Restart文件，在穩(wěn)態(tài)的基礎(chǔ)上進(jìn)行清管作業(yè)，第2天放入清管器，模擬時間80天。清管器與內(nèi)壁的阻尼系數(shù)為9 500 N·s/m，根據(jù)規(guī)范要求，過盈量取5%。模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 清管模擬結(jié)果

在清管作業(yè)開始前，管內(nèi)穩(wěn)態(tài)的積液量為377 m3，入口壓力5.1 MPa，清管后積液量迅速下降至9 m3，入口壓力下降至3.6 MPa。忽略作業(yè)前后氣體溫度、黏度、壓縮因子等工況參數(shù)的變化，采用式（1）計(jì)算輸氣量增加了70%，公式如下：式中：p1和p2分別為清管后和清管前的入口壓力，MPa；p0為出口壓力，MPa。

在清管模擬中，清理出來的液量為368 m3，遠(yuǎn)大于分離器的有效容積150 m3。一方面可采用間歇清管的方式，當(dāng)清出積液達(dá)到分離器高高液位時，關(guān)斷入口輸氣閥門，待分離器液位降低至低低液位時，恢復(fù)輸氣。但該方法涉及停輸再啟動瞬態(tài)過程，在停輸階段，由于與周圍環(huán)境熱交換導(dǎo)致溫度降低，管內(nèi)積液情況會更加嚴(yán)重，也有可能形成水合物，造成惡性循環(huán)。另一方面，可增加清管作業(yè)的次數(shù)，在管內(nèi)積液量達(dá)到分離器有效工作容積之前進(jìn)行作業(yè)，根據(jù)圖2，管內(nèi)積液150 m3時對應(yīng)的瞬態(tài)天數(shù)為16天，此時管內(nèi)積液尚未達(dá)到穩(wěn)態(tài)，清管周期過短可造成不必要的資源浪費(fèi)，同時清管作業(yè)屬于風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)，如遇卡堵現(xiàn)象直接影響下游產(chǎn)量。

3 積液影響因素分析及清管方案優(yōu)化

大量學(xué)者對輸氣管道積液的影響因素及變化規(guī)律進(jìn)行了研究[6-7]，在其余因素不變的條件下，入口氣量增加，氣體流速增大，攜液能力增強(qiáng)，積液量減??；管徑增大，氣體過流面積增加，流速減小，積液量增大；出口壓力增加，由于氣體具有可壓縮性，氣體體積減小，截面持液率增大，積液量增大；氣體中重組分含量增加，相圖變寬，凝析液量增加，積液量增大[8-10]。綜上所述，氣體流速是導(dǎo)致積液產(chǎn)生及形成的主要因素，其余因素如管徑、氣質(zhì)組分等屬不可調(diào)節(jié)因素。因此，將清管分為吹掃和清管兩個階段，即在發(fā)球前進(jìn)行吹掃作業(yè)減少管內(nèi)積液量，通過提高入口氣量或降低出口壓力實(shí)現(xiàn)；在發(fā)球后進(jìn)行清管作業(yè)，通過降低入口氣量或提高出口壓力實(shí)現(xiàn)。降低清管器在管內(nèi)的行進(jìn)速度，使積液緩慢推出進(jìn)入分離器，運(yùn)行速度需滿足規(guī)范要求。

根據(jù)不同的運(yùn)行狀態(tài)和管輸環(huán)境，選擇幾種方式達(dá)到作業(yè)目的。在此，模擬4種清管方案。

1）先增大入口氣量（5 000 m3/h→6 500 m3/h），后減小入口氣量（6 500 m3/h→3 500 m3/h）。

2）先增大入口氣量（5 000 m3/h→6 500 m3/h）后提高出口壓力（3.5 MPa→5 MPa）同時恢復(fù)入口氣量（6 500 m3/h→5 000 m3/h）。

3）先降低出口壓力（3.5 MPa→2 MPa）后提高出口壓力（2 MPa→5 MPa）。

4）先降低出口壓力（3.5 MPa→2 MPa）后減小入口氣量（5 000 m3/h→3 500 m3/h）同時恢復(fù)出口壓力（2 MPa→3.5 MPa）。

4種清管方案的模擬結(jié)果如圖3所示。①在方案1中，吹掃階段管內(nèi)積液量降低至315 m3，出口最大段塞量21 m3，清管階段管內(nèi)積液量大幅下降，出口最大段塞量290 m3，超過了分離器的有效容積150 m3，清管器的最大速度為1.5 m/s，此方案不可行。②在方案2中，吹掃階段的積液量和出口最大段塞量與方案1相同，清管階段在恢復(fù)入口氣量的同時提高了出口壓力，積液量大幅下降，出口最大段塞量118 m3，未超過分離器的有效容積150 m3，清管器的最大速度為0.3 m/s，與方案1相比，清管速度更小。清管時間從0.62天延長到了1.05天，此方案可行。③在方案3中，吹掃階段管內(nèi)積液量降低至188 m3，降壓方式的吹掃效果比增大入口氣量好，出口最大段塞量143 m3，清管階段出口最大段塞量230 m3，超過了分離器的有效容積150 m3，清管器的最大速度為1.6 m/s，此方案不可行。④在方案4中，吹掃階段的積液量和出口最大段塞量與方案3相同，清管階段在恢復(fù)出口壓力的同時減小了入口氣量，積液量大幅下降，出口最大段塞量110 m3，未超過分離器的有效容積150 m3，清管器的最大速度為0.5 m/s，與方案3相比，清管速度更小，清管時間從0.61天延長到了0.82天，此方案可行。

圖3 不同方案模擬結(jié)果

綜上所述，方案2和方案4可作為備選方案，兩種方案在清管階段的出口段塞量接近，其中方案2在吹掃階段的出口段塞量更小，清管器運(yùn)行速度更小，清管時間更長。因此選擇方案2作為清管優(yōu)化方案。

4 現(xiàn)場作業(yè)

根據(jù)方案2進(jìn)行現(xiàn)場作業(yè)，清管器共運(yùn)行19.52 h，與模擬結(jié)果19.68 h接近，清管段塞達(dá)到分離器后，分離器液位迅速上升，根據(jù)油相和水相出口計(jì)量結(jié)果，吹掃階段油相約為18 m3，水相約為2 m3，與模擬結(jié)果21 m3接近；清管階段油相約為105 m3，水相約為10 m3，與模擬結(jié)果118 m3接近，證明模擬結(jié)果準(zhǔn)確，可以用于指導(dǎo)清管作業(yè)和滿足生產(chǎn)需求。

5 結(jié)論

1）為了保證下游分離器或段塞流捕集器可以安全接收清管段塞，選擇將分離器的有效容積作為清管方案是否可行的依據(jù)。

2）通過調(diào)節(jié)氣體流速控制管內(nèi)積液量及出口段塞量，在吹掃階段盡量增大氣體流速，清管階段降低氣體流速，可有效排除積液，保證分離器正常工作。

3）對比分析了4種清管方案，其中先增大入口氣量后提高出口壓力同時恢復(fù)入口氣量的做法，可使吹掃和清管階段的出口段塞量最小，清管器的運(yùn)行速度最小。