提高山區(qū)酸氣管道清管效果技術(shù)研究

王小魏 袁銀春 李 怡 劉子熠 陳建國(guó)

（中國(guó)石化西南油氣分公司采氣二廠，四川 閬中 637400）

0 引言

在天然氣集輸管線運(yùn)行過程中，因受到地勢(shì)起伏和運(yùn)行參數(shù)的變化，管線容易在相對(duì)低點(diǎn)位置形成積液，甚至形成段塞流或者冰堵，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行也會(huì)出現(xiàn)管道結(jié)垢、雜質(zhì)黏附等情況［1］。管道中積液和污垢不僅會(huì)加劇管道的腐蝕，而且會(huì)造成上游管網(wǎng)和井站回壓增大，影響管線輸氣效率及氣井產(chǎn)能發(fā)揮［2］。因此，定期清管作業(yè)是保障輸氣管道安全平穩(wěn)、經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行的重要措施。

清管作業(yè)主要分為新建管道投產(chǎn)清管和運(yùn)行管道清管。前者一般采用清管器清除管道內(nèi)的毛刺、焊條、石塊及鐵屑等遺留雜物，在管道用水進(jìn)行強(qiáng)度試壓后，用清管器進(jìn)行干燥、排水等作業(yè)。后者主要通過清管作業(yè)清除管道內(nèi)的積水、沉積硫等污物，降低集輸管道的運(yùn)行壓差，提高管網(wǎng)輸送效率［3］。同時(shí)酸氣管道開展批處理作業(yè)前，也需要對(duì)管壁進(jìn)行充分清潔，并在管道內(nèi)壁涂上一層0.1 mm的緩蝕劑保護(hù)膜，隔絕腐蝕介質(zhì)和管道內(nèi)壁接觸，保護(hù)金屬管道。因此確保酸氣管道清管效果、清除管道污垢、降低集輸管道運(yùn)行壓差、提高管網(wǎng)輸送效率等對(duì)××氣田集輸管網(wǎng)的高效平穩(wěn)運(yùn)行具有重要意義。

1 現(xiàn)狀調(diào)查

××氣田共有35 段酸氣運(yùn)行管道，除采用鎳基復(fù)合管和處在氮封狀態(tài)暫未投運(yùn)的酸氣管道外，其余24 段酸氣管道均定期開展清管作業(yè)，清除管道內(nèi)部雜質(zhì)和各類沉積物，防止采出流體中H2S、CO2及腐蝕性地層水造成的各種腐蝕，提高管道輸送效率。

1.1 清管器使用現(xiàn)狀

輸氣管道中常用的清管器類型有泡沫清管器、直板式清管器、皮碗式清管器及智能清管器，每種清管器不同的形狀直接影響作用效果。目前××氣田主要采用直板型清管器開展清管作業(yè)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)得清管球的過盈量控制在4%左右，涂膜前球的過盈量控制在3.8%左右，涂膜后球的過盈量控制在2.3%左右。清管球與涂膜球過盈量及尺寸見表1。

1.2 清管器速度難以預(yù)測(cè)

清管作業(yè)質(zhì)量取決于清管器的類型、運(yùn)行的速度和推動(dòng)介質(zhì)的壓力。清管效果與清管器運(yùn)行速度有很大關(guān)系，速度過快或過慢都可能造成清管器破壞或功能失效，導(dǎo)致清管效果不理想。

依據(jù)《天然氣管道運(yùn)行規(guī)范》（SYT 5922—2012等標(biāo)準(zhǔn)，清管速度要求在3～5 m/s。實(shí)際清管過程中，清管器在管道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)的過程。清管器在直管段內(nèi)速度接近于氣流速度，但是隨著清管器前方積液和雜質(zhì)的增多，阻力不斷增大，清管器兩端的壓差逐漸增大；當(dāng)清管器進(jìn)入彎頭等位置時(shí)，阻力更大，速度隨之減小，甚至停止，這時(shí)后方氣體的逐漸積聚，推動(dòng)力不斷增大，又使得清管器速度慢慢增大。

同時(shí)受上游井站調(diào)產(chǎn)影響，目前××氣田各段酸氣管道清管初始速度控制主要通過調(diào)整上游氣量實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)行的清管公式對(duì)于氣液兩相流動(dòng)的酸氣管道不能準(zhǔn)確給出清管運(yùn)行氣量范圍，實(shí)際清管速度差異較大，存在因氣量不足而卡球的安全風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 清管后清管效果不佳

清管作業(yè)后管道內(nèi)污物、積液被清出，管段運(yùn)行壓差減小，管網(wǎng)輸送效率提高，因此可通過清管前后管段壓差變化判斷清管效果。定義參數(shù)“壓差降低程度”來表示清管前后管段壓差變化，計(jì)算公式如式（1）。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2022年××氣田各段酸氣管線平均壓差降低程度為1%～50%，所有管段平均壓差降低程度為19.9%。根據(jù)實(shí)際清管收球情況，部分管段積液、污物較多，清管壓差降低程度較低。

2 原因分析

通過全面總結(jié)分析，酸氣管道清管效果差的原因包括：清管器運(yùn)行速度控制得不合理、清管器類型不適用、管道氣液輸送模式影響、清管器的過盈量不合理、清管次數(shù)不合理及清管周期不合理等。經(jīng)過分析調(diào)查，將酸氣管道清管效果差的原因分為四類：一為操作類、二為設(shè)備類、三為方法類、四為工藝類。原因分析如圖1所示。

圖1 山區(qū)酸氣管道效率低原因分析

通過一系列的試驗(yàn)，確定了影響山區(qū)管道清管效果的主要因素有三個(gè)，分別是清管器運(yùn)行速度控制得不合理、清管器類型不適用和清管器的過盈量不合理；非主要因素有三個(gè)，分別是管道氣液輸送模式影響、清管次數(shù)不合理和清管周期不合理。對(duì)三個(gè)主要因素影響的分析如下。

一是清管器運(yùn)行速度控制得不合理。山區(qū)集輸管網(wǎng)在地勢(shì)低點(diǎn)更易積聚液體或其他污物，同時(shí)受力和前后壓差變化使得清管器在管道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)是個(gè)非穩(wěn)態(tài)的過程。清管效果與清管器運(yùn)行速度有很大關(guān)系，速度過快或過慢，都可能造成清管器破壞或功能失效，導(dǎo)致清管效果不理想。若清管器的運(yùn)行速度過慢，易造成清管器走走停停，使管道內(nèi)的水等雜質(zhì)回流，甚至卡頓；若速度過快，容易對(duì)清管器和管壁造成較大的磨損，縮短管道的使用壽命，同時(shí)過快的速度還會(huì)增大管道的震蕩，破壞集輸管道及其附屬設(shè)備的穩(wěn)定［4］。

二是清管器類型不適用。清管器種類有很多，按結(jié)構(gòu)和形狀主要分為球型清管器、皮碗清管器、直板清管器、聚氨酯泡沫清管器等類型。不同清管器結(jié)構(gòu)與運(yùn)行時(shí)的受力情況不同，相同條件下清管效果差異很大［5］。

考慮到集輸管網(wǎng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行，未在××氣田酸氣管道開展球形清管器清管試驗(yàn)。參考LG-X1至YB-X2 酸氣管線球形清管器、泡沫清管器清管過程，對(duì)比清管效果。LG-X1 至YB-X2 清管前后壓差見表2，可以看出，使用泡沫清管器清管后管網(wǎng)壓差減少值明顯大于使用球形清管器的壓差減少值。相同條件下，泡沫清管器的清管效果明顯好于球形清管器。

表2 LG-X1至YB-X2清管前后壓差表

直板清管器、皮碗清管器清管效果對(duì)比如圖2所示。在YB-X3 至YB-X4、YB-X10 至YB-X11 兩段酸氣管道對(duì)比直板清管器、皮碗清管器清管效果?？梢钥闯鍪褂闷ね肭骞芷鲏翰顪p小值大于直板清管器清管，YB-X3至YB-X4使用皮碗清管器管線壓差降低程度為77.8%，使用直板清管器管均壓差降低程度為62.5%，皮碗清管器清管效果更好。

圖2 直板清管器、皮碗清管器清管效果對(duì)比

三是清管器的過盈量不合理。在對(duì)管道進(jìn)行清理的過程中，清管器與管道之間的過盈配合，形成密封以隔絕前后流體，由此清管器與管道內(nèi)壁之間產(chǎn)生接觸力，在清管器前后造成壓力差，該壓力推動(dòng)清管器運(yùn)行。若清管器與管道內(nèi)壁之間存在間隙，會(huì)使流體在清管器前后壓差的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入間隙，從而影響管壁與清管器之間的相互作用。過盈量過小時(shí)，球在過彎頭時(shí)易卡球，過盈量過大時(shí)，會(huì)造成球兩端壓差過大，易造成上游井站憋壓關(guān)斷，因此清管器的過盈量至關(guān)重要。

3 對(duì)策制定

3.1 清管速度優(yōu)化

利用單因素法，在相同的清管條件下，采取不同的清管運(yùn)行速度，得到最合理的清管器運(yùn)行速度。YB-X5 總站清管后管段壓差變化如圖3 所示，試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)清管器運(yùn)行速度從1 m/s 上升至3.5 m/s 時(shí)，清管前后壓差降低程度顯著增大；當(dāng)清管器運(yùn)行速度大于3.5 m/s時(shí)，清管前后壓差減少值隨清管速度的增長(zhǎng)的趨勢(shì)逐漸平緩。

圖3 YB-X5總站清管后管段壓差變化

3.2 清管器類型優(yōu)選

在YB-X10 至YB-X11 酸氣管線分別使用直板清管器、皮碗清管器進(jìn)行清管試驗(yàn)。直板清管器、皮碗清管器清管效果對(duì)比見表3，使用直板清管器管線壓差降低程度為66%，使用皮碗清管器管線壓差降低程度為78%，相同條件下使用皮碗清管器的清管效果更好，僅考慮清管效果的情況下，皮碗清管器的清管效果更好?？紤]到直板清管器可雙向移動(dòng)，清管過程中卡堵可能性小，皮碗清管器相較于直板清管器更易卡堵和損壞，在實(shí)際清管過程中，應(yīng)根據(jù)管線實(shí)際情況優(yōu)選清管器類型。

表3 直板清管器、皮碗清管器清管效果對(duì)比

3.3 清管器過盈量?jī)?yōu)化

利用單因素法，控制清管器過盈量在2.5%～9%，分別在相同的清管條件下，采用不同過盈量的清管器，得出最合理的清管器過盈量。試驗(yàn)結(jié)果表明：在清管條件保持不變的情況下，隨著清管器過盈量的增大，清管效果變好，當(dāng)過盈量小于5%時(shí)，清管后壓差仍然大于0.1 MPa。且過盈量越低，壓差越大，甚至達(dá)到0.2 MPa。當(dāng)過盈量從7%上升至8%時(shí)，清管前后壓差減少值隨過盈量的增長(zhǎng)的趨勢(shì)逐漸平緩（見圖4）。過盈量超過8%后，發(fā)球端的壓力由6.52 MPa 上漲至7.55 MPa，壓力上漲過大，存在氣井關(guān)斷風(fēng)險(xiǎn)。因此，推薦最優(yōu)氣液比5%～8%之間。

圖4 不同過盈量的清管壓差

清管器過盈量?jī)?yōu)化后，采用過盈量為6%的清管器開展清管試驗(yàn)，4 次的清管試驗(yàn)結(jié)果顯示清管后壓差減少0.44 MPa，平均清管效率為93.7%（見圖5）。

圖5 不同過盈量的清管壓差

4 效果評(píng)價(jià)

通過優(yōu)化控制清管速度、優(yōu)選清管器類型、優(yōu)化清管器過盈量等措施，管線壓差降低程度由50%提高至78%，管線平均壓差降低程度由19.9%提高至43.2%。酸氣管道清管效果的提高減少了管道中積液，降低集輸管道運(yùn)行壓差，提高管網(wǎng)輸送效率，延緩了積液段管道腐蝕，對(duì)××氣田集輸管網(wǎng)的高效平穩(wěn)運(yùn)行具有重要意義。

5 結(jié)論

通過對(duì)××氣田酸氣管道清管作業(yè)過程中清管器卡堵、清管器速度難以預(yù)測(cè)、清管后清管效果不佳等清管現(xiàn)狀和原因進(jìn)行分析，對(duì)清管器運(yùn)行速度進(jìn)行預(yù)測(cè)與控制，對(duì)清管器類型、清管次數(shù)、清管器過盈量等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使得清管器盡可能將管道中污物清理干凈，從而降低管段運(yùn)行壓差，提高管網(wǎng)輸送效率。最終實(shí)現(xiàn)將管線壓差降低程度提高20%以上，顯著提高酸氣管道清管效果。