王 惠，曾 萍

（1.中國石油長慶油田分公司蘇里格氣田研究中心，陜西西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，陜西西安 710018）

旁通清管器是一種專門為天然氣—凝析液兩相管道設計的清管器。目前旁通清管器在國外已經(jīng)推廣應用，國內(nèi)應用還不多見。2013 年，長慶蘇里格氣田首次引入該技術，清管時旁通氣體吹掃清管器前的段塞流，積液到達處理廠前液體峰值流量明顯減小，應用取得較好效果。然而，該技術在現(xiàn)場實施方案中清管器的旁通量設計主要借鑒國外應用實例，其具體的理論計算尚屬空白。據(jù)各油氣田清管技術調(diào)研，對流體力學孔口泄流及輸氣管短管流相關理論進行計算、比較，確定出清管旁通量的計算模型，對清管過液量控制技術的方案設計提供了理論依據(jù)和思路。

1 旁通清管器原理

技術原理：旁通清管器由一個中央圓筒連接清管器的前端和尾端，包括骨架、密封板、導向板、折流板等，氣體通過中央圓筒由清管器前端的折流板流向管壁（見圖1、圖2）。改變折流板與前盤的間距來調(diào)節(jié)旁通量的大小。清管時旁通氣體吹掃清管器前的段塞流，使液體分散，到達管道末端的液體峰值流量減小，盡量使液體流動均勻。該清管器主要應用于外徑大于或等于DN500 的管線。

圖1 旁通清管器外觀圖

圖2 旁通清管器結(jié)構圖

2 清管旁通量設計的理論探索

在天然氣礦場生產(chǎn)中，濕氣輸送管道易在內(nèi)部聚集水、凝析油、機械雜質(zhì)等污物，降低了管道輸氣效率，加劇了管線內(nèi)壁腐蝕，需要定期開展清管作業(yè)清除污物。蘇里格氣田工藝流程為濕氣輸送，據(jù)歷史清管統(tǒng)計，部分干線清出積液量較大，最高時達2 000 m3以上。由于氣田集輸系統(tǒng)尚未設置段塞流捕集器，處理廠存儲段塞流的空間有限，液體處理能力較低，短時間內(nèi)幾乎沒有能力處理清管產(chǎn)生的大量液體。采用常規(guī)的普通皮碗清管器作業(yè)時積液以段塞流方式集中到達處理廠，致使處理廠在收球過程中短時間產(chǎn)生大量積液，對下游設備造成極大安全隱患，嚴重時需要處理廠停產(chǎn)處理積液，嚴重影響了氣田的正常生產(chǎn)及集輸安全。

為減少清管器前液體累計量，達到有效控制單次清管清出液量，全面保障清管過程中管線和下游生產(chǎn)設施的安全，開展了過液量控制技術現(xiàn)場試驗，核心設備為旁通清管器。

試驗篩選管線蘇d-c 干線a 段。管線信息：2006.9投產(chǎn)，管線規(guī)格660×8.8×15，管道材質(zhì)L360，螺旋管型，設計壓力4.0 MPa，最大運行壓力3.5 MPa，當前工作壓力2.35～3.5 MPa 排量194×104m3/d，運行溫度18 ℃。

2.1 旁通量設計

“旁通量”定義：指旁通管的有效橫截面積同管道橫截面積的比值。在國外，主要基于多相流動態(tài)模擬技術的管道模擬系統(tǒng)即OLGA?？梢阅M在油井、輸油管線和油氣處理設備中的油、氣和水的運動狀態(tài)。其數(shù)學和物理模型（見圖3）。

圖3 OLGA 數(shù)學和物理模型

模型的數(shù)據(jù)庫來自實驗室的10 000 個數(shù)據(jù)點，30個氣相/凝析液管道數(shù)據(jù)，15 條較低氣油比管道數(shù)據(jù)，收集了8～15 個石油公司（Statoil，Total，Agip，ExxonMobil IFE 和Scandpower）的油井數(shù)據(jù)。鑒于知識產(chǎn)權保護，暫時還無法調(diào)用OLGA 的相關理論和試驗數(shù)據(jù)。

在國內(nèi)，相關的理論研究還處于空白，開展的1 例長慶與殼牌合作區(qū)塊CB 旁通清管試驗即是基于OLGA 計算設計。鑒于此，以該例為基礎進行相關理論探索。

輸氣管段流動過程的基本方程：

式中：p-氣體的絕對壓力；T-氣體的絕對溫度，K；ρ-氣體密度；w-氣體流速；A-管道橫截面積；u-單位質(zhì)量氣體的內(nèi)能；h-單位質(zhì)量氣體的熱焓；x-距管段起點的距離；τ-描述流動過程的時間；s-管段上各橫截面處的高程；g-重力加速度；λ-管段的水力摩阻系數(shù)；Q-在［0，x］管段上，管內(nèi)氣流向周圍環(huán)境的散熱流量。

以上6 個方程包括p、T、ρ、w、u、h 這6 個未知函數(shù)，從求微分方程通解的角度看，方程組是封閉的。該方程組通常稱為氣體管流的基本微分方程組。由連續(xù)性方程可知，管道旁通流量越大，清管器的速度就越慢，如果清管器的旁通面積太大，可能會導致管線清管器的停止運行。

2.1.1 輸氣管短管理論 將旁通清管器中央的圓筒看作一段短管，管中氣體的流速可以通過輸氣管道基本公式進行計算[1]。

威莫斯模型：

潘漢德爾A 模型：

潘漢德爾B 模型：

前蘇聯(lián)早期模型：

前蘇聯(lián)近期模型：

據(jù)以上基本流量公式，推出相應的旁通管徑計算式：

式中：α-流態(tài)修正系數(shù)，當流態(tài)處于阻力平方區(qū)時α=1；如偏離阻力平方區(qū)，則α=1/（1+2.92d2/q）0.1，其中，d 為管道內(nèi)徑；q 為輸氣量。φ 為管道接口的墊環(huán)修正系數(shù)。無墊環(huán)，φ=1；墊環(huán)間距12 m，φ=0.975；墊環(huán)間距6 m，φ=0.95。

另外，在美國和前蘇聯(lián)的近期公式中，都引入了輸氣管道效率系數(shù)，E=qr/q=（λ/λr）0.5，式中，qr-輸氣管道實際流量；q-輸氣管道設計流量；λr-實測的水力摩阻系數(shù)；λ-設計中采用的水力摩阻系數(shù)。在美國，一般取E=0.9～0.96。

2.1.2 流體力學孔口泄流理論 據(jù)清管相關技術資料[2]及工程流體力學孔口泄流理論，有孔口泄流公式[3]：

式中：u-流量系數(shù)，針對圓小孔一般取值0.98；ΔPpig-清管器兩端的壓差；d-旁通管徑。

2.1.3 實例比較 以下采用上述兩種模型對長慶與殼牌的合作區(qū)塊CB 管段的旁通清管進行計算。

CB 旁通清管管線信息：管線規(guī)格610×12×25，設計壓力6.4 MPa，最大運行壓力4 MPa，當前工作壓力3～3.5 MPa，排量560×104m3/d，運行溫度，20 ℃。

基于OLGA 計算，現(xiàn)場清管氣量353×104m3/d，旁通量取5 %。

表1、表2 計算結(jié)果表明使用流體力學孔口泄流理論計算長慶與殼牌的合作區(qū)塊CB 清管旁通量其誤差較大，而輸氣管短管理論模型計算結(jié)果則在誤差范圍內(nèi)滿足要求，可以將其作為一種清管旁通量的計算方法。

表1 輸氣管短管理論模型計算CB 清管旁通量

表2 流體力學孔口泄流模型計算CB 清管旁通量

表3 蘇里格氣田蘇d-c 干線a 段旁通清管量計算

3 模型優(yōu)選及校正

以上輸氣管短管理論模型中，有5 個常用的算法對長慶與殼牌的合作區(qū)塊CB 旁通清管進行計算，結(jié)果表明威莫斯模型旁通量最接近海量數(shù)據(jù)庫OLGA計算結(jié)果，為此優(yōu)選輸氣管短管威莫斯模型對長慶蘇里格氣田蘇d-c 干線a 段進行清管旁通量計算（見表3）。

鑒于地形高程的影響，輸氣管威莫斯模型短管理論計算蘇d-c 干線a 段旁通清管量偏小，為此對該模型加以修正取校正系數(shù)1.3，基本與現(xiàn)場試驗情況吻合。

校正后的旁通計算模型為：

通過該模型設計的蘇d-c 干線a 段旁通清管現(xiàn)場試驗效果良好，實現(xiàn)了不降產(chǎn)情況下的清管作業(yè)過液量控制。

4 結(jié)語

旁通清管器的現(xiàn)場應用為控制清管過液量提供了有效途徑。通過清管參數(shù)的設計，計算確定合適的旁通量，為旁通清管的深入研究奠定了基礎。

（1）旁通清管量數(shù)學模型的建立，為濕氣輸送過液量控制技術提供了理論基礎和思路。

（2）模型的可靠性還有待相關現(xiàn)場試驗進一步驗證。

（3）為探索旁通量與清管過程中積液的變化情況，還有很多工作需要去做。

［1］ 李勁松，陳肇日，茍潮洋.樂東氣田外輸管線清管作業(yè)段塞流的應對措施［J］.中國科技縱橫，2011，（14）：269-270.

［2］ 施冬梅，繆娟.低輸量原油管道清管器的選擇［J］.清洗世界，2008，23（8）：28-31.

［3］ 袁恩熙.工程流體力學［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1986：163-166.