張 鵬 王大慶 田 軍

1．西南石油大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 2．西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院3．中國石油西南油氣田公司安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院質(zhì)監(jiān)站

隨著國內(nèi)外凝析氣田的不斷開發(fā)，凝析氣單管氣液混輸工藝技術(shù)被越來越廣泛地應(yīng)用，如目前國內(nèi)已開發(fā)的牙哈、吉拉克、迪那等凝析氣田都采用了氣液混輸?shù)姆椒ǎ?－2］。該方法的顯著優(yōu)點在于可以有效利用氣田地層能量，簡化地面集輸流程和設(shè)備配置，降低地面建設(shè)投資。但該方法也為天然氣管輸生產(chǎn)帶來了一定的難題，由于種種原因管線中總要滯留一定的液體，這樣會減小管道流通面積，增大輸送壓降，從而額外消耗許多能量［3］，且管線在運行一定周期后，當(dāng)管內(nèi)持液量增加至一定程度時常常會引發(fā)段塞流的產(chǎn)生，嚴(yán)重的段塞流會給管線終端處理設(shè)備造成較大的沖擊，嚴(yán)重影響集輸系統(tǒng)的安全、高效運行，甚至?xí)斐墒鹿?。而地形起伏不均是造成凝析氣單管氣液混輸管道生產(chǎn)不穩(wěn)定的一個重要因素［4］。因此，筆者以某凝析氣田的一個集輸管網(wǎng)系統(tǒng)為研究對象，利用當(dāng)前國際上公認(rèn)的多相流管網(wǎng)模擬軟件對該集輸管網(wǎng)進行了模擬計算，分析研究了不同級別的地形起伏對凝析氣集輸管道工況的影響，以期對集輸管道的工藝設(shè)計和運行管理提供幫助。

1 凝析氣混輸?shù)奶攸c及模擬工具

凝析氣田單管氣液混輸實際上是多相流輸送的一種特例，即大氣液比情況下的兩相流輸送，具有如下特點：①流型變化多，流態(tài)不穩(wěn)定；②存在相間能量變換和能量損失，管線中有液相的聚集；③流動規(guī)律復(fù)雜，流動阻力大。

針對天然氣／凝析液混輸管路的特點，20世紀(jì)90年代以來，挪威、英國、法國、美國等國均在混輸管路的穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)模擬方面做了系列的理論和實驗研究，出現(xiàn)了一些著名的多相流管網(wǎng)模擬軟件，如PIPESIM、PIPEPASHE、OLGA、PIPESYS 等 商 業(yè) 軟 件［5－6］。 筆者將采用PIPEPHASE 9．0軟件對處于地形起伏下的某凝析氣田集輸管網(wǎng)系統(tǒng)進行分析和計算。PIPEPHASE 9．0具有先進的網(wǎng)絡(luò)求解算法，能處理任意復(fù)雜度的網(wǎng)絡(luò)計算，尤其是它在集成了PRO／Ⅱ的熱力學(xué)物性計算模塊和管線瞬態(tài)模擬模塊TACITE后，其功能更加完善和強大。在搭建模擬流程時，熱物性模型采用組分模型，狀態(tài)方程采用BWRST方程，水力學(xué)模型選用MBE經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，所有這些計算模型都是歷經(jīng)室內(nèi)實驗和現(xiàn)場生產(chǎn)驗證過的，并被公認(rèn)為是較優(yōu)的模型組合［7－12］。

在凝析氣的PVT分析報告中，通常提供的是凝析氣井井流物中天然氣和凝析油的組成分析數(shù)據(jù)，并未將水組分納入其中，因此，計算前需將天然氣、凝析油和水按照現(xiàn)場實際產(chǎn)量進行混合，得到完整的井流物組分?jǐn)?shù)據(jù)，并以此作為組分模型的輸入，然后開展模擬計算分析。利用PIPHASE搭建的組分合成模擬和管網(wǎng)系統(tǒng)模擬的流程如圖1、2所示，利用該流程即可開展模擬計算。

圖2 凝析氣集輸管網(wǎng)的模擬流程圖

2 地形起伏對天然氣管輸?shù)挠绊?/h2>

為了能夠更準(zhǔn)確直觀地說明地形起伏對凝析氣管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)流體的壓力、溫度、持液率、持液量、流體流型、天然氣水合物形成情況等的影響，接下來將針對同一集輸管網(wǎng)模擬計算3種不同程度的地形起伏下管內(nèi)流體的各項參數(shù)情況，以便于對比分析（圖3）。這3種不同級別的地形起伏分別為：現(xiàn)場原高程起伏、全程1／2倍原高程起伏及全程均無高程起伏。

圖3 不同程度地形起伏下的管路高程變化圖

2．1 地形起伏對管路壓降、溫降的影響

管路壓降是管道設(shè)計、建造和運行的基礎(chǔ)，而管路溫降是管道安全運行的必要條件。對于凝析氣田混輸管網(wǎng)而言，管道沿線壓降和溫降與管內(nèi)重?zé)N凝析液量和持液率的大小又是密切相關(guān)的，于是模擬了管路壓降和溫降受不同程度地形起伏影響的情況（圖4、5）。

圖4 不同程度地形起伏下管路沿程壓力變化曲線圖

圖5 不同程度地形起伏下管路沿程溫度變化曲線圖

由圖4可知，管路沿程地形的起伏導(dǎo)致凝析氣混輸管內(nèi)流體的壓力出現(xiàn)了不同幅度的上下波動，但隨著離輸送起點距離的增加，沿程壓力的總體變化趨勢仍是保持降低的。然而，按照不同程度地形起伏計算得到的管路總壓降大小具有明顯的差別，沿程地形起伏越大，壓力波動幅度也越大，管路總壓降值越大；反之則越小。顯然，地形起伏的存在對凝析氣混輸較為不利，這是由于管路沿線壓力、溫度的降低，使重?zé)N凝析液不斷地析出并聚集在管道低洼處和上坡段內(nèi)，導(dǎo)致氣體的流通面積減小、流速增大，造成較大的摩擦損失和滑脫損失；而另一方面，在上坡段舉升液體所消耗的能量在下坡段又不能得到有效的回收。所以，對同一凝析氣管線而言，沿程存在地形起伏時的總壓降較水平或微地形起伏集輸管線的壓降要大得多，在管道設(shè)計時要特別注意。

由圖5可知，在起始段，由于管道內(nèi)外溫差較大，管內(nèi)流體溫度下降較快，直至接近管道埋深溫度后，溫降才趨于緩和，并圍繞埋深溫度上下微幅波動。管路沿程存在地形起伏時的管內(nèi)流體溫度波動幅度相對大一些，1／2倍原高程起伏下的管內(nèi)流體溫度次之，而無高程起伏下的管內(nèi)溫度幾乎未出現(xiàn)波動現(xiàn)象（圖5中在距起點15km處出現(xiàn)的氣流溫度陡然變化是由于另一口凝析氣井接入該管網(wǎng)系統(tǒng)所致），但從整體上看，不同程度地形起伏下管路沿程溫度變化趨勢大致上是一致的。可見，地形起伏對凝析氣管內(nèi)流體溫度的影響并不大。

2．2 地形起伏對持液率和持液量的影響

模擬計算得到不同程度地形起伏下凝析氣管道內(nèi)持液率的沿線分布曲線如圖6所示。從圖6可以看出，在無地形起伏的條件下，管路沿程持液率基本保持不變，平均持液率為0．1；而存在地形起伏的情況下（對照圖6和圖3），管內(nèi)持液率隨沿線地形起伏的變化出現(xiàn)了不同幅度的波動，且地形起伏高度越大，持液率波動的幅度也越大，在上坡管段內(nèi)持液率相對較大，下坡管段內(nèi)持液率相對偏小。分析這種地形高差對持液率影響較大的原因是：上升管段內(nèi)流體在爬坡過程中壓降損失比較嚴(yán)重，管內(nèi)壓力下降相對較快，氣相體積膨脹，使得氣相流速加快，攜液能力增強，致使持液率隨地形高差的增加而增大；反之亦然。

圖6 不同程度地形起伏下管路沿程持液率變化曲線圖

不同程度地形起伏下，管內(nèi)持液量的計算結(jié)果為：原高程起伏下的管內(nèi)持液量為54．65m3；1／2倍原高程起伏下的管內(nèi)持液量為48．47m3；無高程起伏下的管內(nèi)持液量為50．77m3。可以看出，不同級別的地形起伏程度下管內(nèi)持液量的大小并無太大差別，其原因在于模擬計算得到的持液量僅是指管內(nèi)流體在正常、穩(wěn)定流動過程中某一瞬間整個管道中的總持液量，這點結(jié)合其理論計算公式便不難讓人理解［13］。

式中VL表示總持液量，m3；L表示管線長度，m；HL為持液率，無量綱；A表示管道截面積，m2。

盡管不同程度地形起伏下整個管道中總持液量的計算結(jié)果相近，但管內(nèi)液體的分布卻有著顯著差別，由圖6可以發(fā)現(xiàn)，在無地形起伏時沿程管內(nèi)液體分布較為均勻，而在有地形起伏時管內(nèi)凝析液主要聚積在低洼處或上坡管段內(nèi)。此外，隨著生產(chǎn)時間的推移，管內(nèi)液體不斷被運移并在低洼處或上坡管段內(nèi)積聚得越來越多，造成起點輸送壓力不斷升高，嚴(yán)重時甚至出現(xiàn)超壓停產(chǎn)的現(xiàn)象。因此，對存在地形起伏的凝析氣集輸管道應(yīng)定期進行清管，這也是目前清除管內(nèi)積液最為直接有效的方法；同時為防止清管過程中產(chǎn)生的強烈段塞流給終端處理器帶來巨大沖擊，應(yīng)考慮在處理器前端設(shè)置段塞流捕集器，以確保終端設(shè)施的平穩(wěn)正常運行。

2．3 地形起伏對管內(nèi)流態(tài)的影響

不同程度地形起伏下凝析氣混輸管內(nèi)流體流型沿線分布預(yù)測結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，管路沿線在無地形起伏存在的情況下，管內(nèi)流體流型為分層流；在有地形起伏的情況下，管內(nèi)存在兩種流型，即分層流和段塞流，且沿線地形為原高程起伏和1／2倍原高程起伏下的流型分布大致相同，上傾管路內(nèi)流型為段塞流，下傾和水平管路內(nèi)流型為分層流?？梢?，管路沿線地形的起伏使得管內(nèi)流型呈現(xiàn)出極不穩(wěn)定的狀態(tài)，在分層流和段塞流間不斷地發(fā)生轉(zhuǎn)變。

圖7 不同程度地形起伏下管內(nèi)流體流型沿線分布預(yù)測結(jié)果圖

2．4 地形起伏對天然氣水合物形成的影響

凝析氣混輸管內(nèi)流體的相包絡(luò)圖和天然氣水合物形成曲線預(yù)測結(jié)果如圖8所示。圖8中右上角虛線框圖是對不同程度地形起伏下管內(nèi)流體p／T路徑線的局部放大圖。圖8中的天然氣水合物形成曲線左側(cè)與相包絡(luò)線圍成的區(qū)域為天然氣水合物形成區(qū)（天然氣具備生成天然氣水合物的壓力和溫度）。模擬結(jié)果顯示，在管路沿線存在地形起伏的情況下，管內(nèi)流體p／T路徑線有一部分位于天然氣水合物形成區(qū)內(nèi)，再加上所模擬的凝析氣井井流物中含有游離水，所以這部分管段內(nèi)會有天然氣水合物生成，且原高程起伏下管內(nèi)有突然水合物形成的區(qū)域（或管段）較1／2倍原高程起伏下的管內(nèi)天然氣水合物區(qū)域更大一些；而沿程無地形起伏時管內(nèi)凝析氣p／T路徑線全部位于天然氣水合物區(qū)外側(cè)，說明水平管內(nèi)無天然氣水合物生成。

圖8 管內(nèi)流體相包絡(luò)線和天然氣水合物形成曲線圖

當(dāng)然，凝析氣集輸管道內(nèi)天然氣水合物的形成還與諸多因素有關(guān)，如井流物組成、起點輸送壓力和溫度、氣候條件等等，但在這些因素均保持不變的情況下，地形起伏條件下集輸管內(nèi)更易生成天然氣水合物，且沿線地形起伏程度越大，管內(nèi)生成天然氣水合物的可能性就越大，而水平集輸管內(nèi)生成天然氣水合物的可能性相對小一些。

目前最常用的防治凝析氣集輸管道內(nèi)天然氣水合物生成的措施有加熱和噴注化學(xué)抑制劑（如甲醇、乙二醇）。在凝析氣井含水和凝析油較多的情況下，注醇用量大，成本高，且注入的醇回收困難，同時對油質(zhì)和氣質(zhì)有一定的影響。因此，建議優(yōu)先采用加熱方式，在防止管內(nèi)天然氣水合物生成的同時，也可以防止輸送過程中管內(nèi)凝析油結(jié)蠟?zāi)獭?/p>

3 結(jié)論

1）對同一凝析氣集輸管線而言，不同程度地形起伏下的管路總壓降計算結(jié)果有著明顯的差別，沿線地形起伏程度越大，管路總壓降就越大，管內(nèi)流體壓力波動幅度也越大；而地形起伏對凝析氣管線內(nèi)流體的溫度沒有太大的影響。

2）沿線地形的起伏使得凝析氣管線內(nèi)的持液率出現(xiàn)不同幅度的波動，地形起伏程度越大，持液率波動幅度也越大，而水平管路內(nèi)持液率則基本保持不變。盡管不同地形起伏程度下管內(nèi)總持液量計算結(jié)果相近，但其在管內(nèi)的分布情況卻明顯不同，水平管內(nèi)液體分布較為均勻，而在地形起伏下管內(nèi)液體主要聚積在低洼處或上坡管段內(nèi)。

3）地形起伏導(dǎo)致管內(nèi)流體流型極不穩(wěn)定，上傾管路內(nèi)流體流型為段塞流，下傾和水平管路內(nèi)流體流型為分層流；而地形起伏在原高程和1／2原高程兩種狀態(tài)下沿線管內(nèi)流體流型模擬結(jié)果大致相同。

4）在其他條件如井流物組成、起點輸送壓力和溫度、氣候條件等均相同的情況下，與水平管路相比，地形起伏下集輸管內(nèi)更易生成天然氣水合物，且沿線地形起伏程度越大，管內(nèi)生成天然氣水合物的可能性就越大。

綜上所述，在凝析氣集輸系統(tǒng)工藝設(shè)計中，應(yīng)該對沿線存在地形起伏下的集輸管道進行詳細的模擬計算和分析，尤其是要考慮不同地形起伏對管路壓降、持液量和天然氣水合物形成的影響，并配套設(shè)計必要的生產(chǎn)輔助措施，以確保管道投產(chǎn)后能安全平穩(wěn)運行。

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