朱浩平，徐曉偉，何彥君，馬云峰

（長慶油田第二采氣廠工藝所，陜西榆林 719000）

由于神木氣田的地址特征、天然氣性質(zhì)和地面自然條件及集輸成本等因素，主要采用濕氣輸送。輸送過程中，由于濕氣中水的存在可能積液或形成水合物，積液會(huì)降低管道有效截面積，增大輸送阻力和管線壓降，降低管輸效率，加速管線的腐蝕，增加管線泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。受管內(nèi)流體流速以及地形起伏等因素的影響，管道內(nèi)有可能產(chǎn)生段塞流，造成管線振動(dòng)性破壞，對混輸管道和管道下游分離設(shè)備或其他設(shè)施的正常工作帶來不利影響，一定壓力溫度下形成水合物堵塞管道事故。因此，探討起伏集氣管線高效運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)問題，對集氣管線的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有十分重要意義。

1 高效運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)問題

起伏集氣管線高效運(yùn)行受地形、運(yùn)行、氣候和環(huán)境參數(shù)綜合影響，結(jié)合神木氣田集氣工藝實(shí)際和現(xiàn)有研究成果，建立起伏集氣管線高效運(yùn)行的系統(tǒng)理論，為起伏集氣管線的科學(xué)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1.1 濕天然氣管道的動(dòng)態(tài)分析

神木氣田地形復(fù)雜多樣，山、丘、壩皆有，氣田輸送天然氣采用的是濕式輸送方式，當(dāng)天然氣從氣井?dāng)y帶出水分時(shí)，會(huì)造成一些損害，所以需要建立濕天然氣管道動(dòng)態(tài)分析模型，預(yù)測管道內(nèi)的積液情況，為清除管道內(nèi)積液和防凍堵措施奠定基礎(chǔ)。濕天然氣管道動(dòng)態(tài)分析需建立壓力溫度變化的組合模型，將每一傾角的管路分段計(jì)算，從管道入口段開始，逐點(diǎn)計(jì)算每一節(jié)點(diǎn)的流動(dòng)參數(shù)（壓力、溫度、持液率等）。

根據(jù)喻西崇等[1]的研究結(jié)論，水平管中采用Eaton 和Dukler Ⅱ相關(guān)式，上傾管路用用Beggs-Brill 相關(guān)式進(jìn)行角度修正Eaton 或Dukler Ⅱ相關(guān)式，下坡管路采用Xiao-Brill 相關(guān)式。計(jì)算氣液兩相流溫度變化規(guī)律時(shí)，因不清除流體的組分，因此選擇黑油模型作為溫降計(jì)算相關(guān)式[2]，即：

焦耳-湯姆遜系數(shù)Di的計(jì)算式為：

式中，T0為環(huán)境溫度，K；TQ為管道起始端溫度，K；TZ為管道末端溫度，K；pQ為管道起始端壓力，Pa；pZ為管道末端壓力，Pa；pr為對比壓力；Tr為對比溫度；pc為臨界壓力，Pa；Tc為臨界溫度，K；K為管道的傳熱系數(shù)，J/（m2.K）；c為混合物的比熱容，J/（kg.℃）；cpg為氣相的比熱容，J/（kg.℃）；ρl為液相的密度，kg/m3；M為流體的質(zhì)量流量，kg/s；i為以液柱表示的兩相流管路的水力坡降，m/m；Di為氣體的湯姆-焦耳遜系數(shù)，℃/Pa；x為氣相質(zhì)量分?jǐn)?shù)；L為管路長度，m。

1.2 起伏管線集氣量及集輸效率計(jì)算

對于氣田濕天然氣集氣管道，由于液相帶入（或集氣過程中相態(tài)變化）的不可避免，100～200m 的高程差[3]按水平管路計(jì)算可能導(dǎo)致較大誤差，即使高程差低于100～200m，下坡流的能量集聚和上坡流的能量消耗難以平衡，建議采用起伏管線計(jì)算，即：

式中，Q為天然氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積流量，m3/d；C為常數(shù)，根據(jù)采用的量綱而定；R為氣體常數(shù)，m2/（s2·K）；Δ為天然氣相對密度，無量剛；ΔS為管線終點(diǎn)和起點(diǎn)之間的高層差，m；D為管線內(nèi)徑，mm；λ為水力摩阻系數(shù)，無量剛；Z為天然氣壓縮因子，無量剛；T為平均溫度，g為重力加速度，m/s2，其余參數(shù)意義同前。

由于受氣田新井、新區(qū)投產(chǎn)進(jìn)度，氣田多級(jí)增壓集輸，冬季高峰供氣等因素影響，集輸管道投運(yùn)后，會(huì)出現(xiàn)輸氣量長期偏低，或者超出設(shè)計(jì)輸氣量的情況，使得計(jì)算的輸氣效率隨著實(shí)際管輸氣量的變化而變化?，F(xiàn)場清管實(shí)踐中，當(dāng)濕氣輸送管網(wǎng)管輸氣量低于設(shè)計(jì)輸氣量時(shí)，管道容易積液，管輸效率偏低，部分大管徑管道在輸氣量較低的情況下，即使反復(fù)多次清管，計(jì)算的管輸效率仍然較低；當(dāng)管輸氣量大于設(shè)計(jì)輸氣量時(shí)，計(jì)算的管輸效率會(huì)出現(xiàn)大于100%的情況，顯然不能滿足和指導(dǎo)現(xiàn)場清管作業(yè)。因此，SY/T 5922-2012《天然氣管道運(yùn)行規(guī)范》取消了以輸氣效率小于95%作為判斷管道是否清管的依據(jù)，而是提出清管周期應(yīng)根據(jù)管道輸送的氣質(zhì)情況、管道輸送效率和輸送壓差合理確定。徐文龍等提出相對輸氣效率η定義，為管道實(shí)際運(yùn)行過程中的輸氣效率與管道上一次清管后的輸氣效率（視為該管道在當(dāng)時(shí)運(yùn)行條件下的最大管輸效率）的比值，即：

1.3 天然氣水合物生成溫度預(yù)測

預(yù)測天然氣水合物生成條件（溫度或壓力）的方法較多，而常用的有經(jīng)驗(yàn)圖解法、相平衡常數(shù)法（Katz 法）、統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)法和算圖法等[3]。根據(jù)氣田氣質(zhì)參數(shù)和運(yùn)行條件，合理選擇預(yù)測方法，確保天然氣水合物的生成條件預(yù)測模型的可靠性。

1.4 積液量的計(jì)算

天然氣管道中的積液量包括凝析水量及持液率變化導(dǎo)致的積液量之和。天然氣凝析水量，對于集輸氣管線可根據(jù)集輸氣管起點(diǎn)條件和集輸氣管線的操作條件計(jì)算[5]，即

式中，Q11為天然氣凝析水量，kg/d；WS、WE分別為起點(diǎn)和終點(diǎn)的天然氣含水率，g/m3；Qg為集輸氣量，m3/d。

利用濕天然氣的動(dòng)態(tài)分析理論計(jì)算出起伏管路沿程每段入口和出口的持液率（特別是下凹段），則某一時(shí)間段內(nèi)管線積液量可由下式計(jì)算：

式中，HLiA（t）、HLiB（t）分別為某一時(shí)間t第i下凹管段入口和出口的持液率，小數(shù)；t0、t分別為計(jì)算積液量的起始時(shí)間，d；Q12為管線的持液率變化導(dǎo)致的積液量，kg。

1.5 防凍劑加注參數(shù)優(yōu)化

天然氣集輸?shù)V場主要采用有機(jī)抑制劑，包括甲醇、乙二醇和二甘醇，其中甲醇最常使用，甲醇在處理站回收和再次循環(huán)使用。對于給定的水合物形成溫度降Δt，水合物抑制劑在液相水溶液中必須具有的最低濃度按下式計(jì)算：

式中，Mf為抑制劑的分子量，甲醇取32.04，乙二醇取62.07；Ki為常數(shù)，甲醇取1 297，乙二醇取2 220；Wmin為在最終的水相中抑制劑的重量百分?jǐn)?shù)（即富液的重量濃度），%；T1為管線最高操作壓力下天然氣的水合物形成溫度，對于節(jié)流過程，則為節(jié)流閥后氣體壓力下的天然氣形成水合物的平衡溫度，℃；T2為管輸氣體的最低流動(dòng)溫度，對于節(jié)流過程為天然氣節(jié)流后的溫度，℃。

抑制劑實(shí)際量包括用來處理自由水所需要的抑制劑量和蒸發(fā)到氣相中所損失的抑制劑量，用下式計(jì)算：

式中，Wt為重量濃度為C1的抑制劑的用量，kg/d；Wg為按質(zhì)量濃度為C1計(jì)算得的供氣相蒸發(fā)用的抑制劑實(shí)際用量，kg/d；C1為抑制劑中有效成分的質(zhì)量百分濃度；Ww為單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)產(chǎn)生的液態(tài)水量，kg/d。

2 起伏集氣管線科學(xué)管理對策

結(jié)合神木氣田冬季持續(xù)低溫和冬季凍堵問題，從集氣管線信息系統(tǒng)完善和增值服務(wù)、優(yōu)化防凍堵劑加注及清管制度優(yōu)化等方面提出具體措施。

2.1 完善管線信息的管理和應(yīng)用

氣田每年均開展集氣管線高程-里程、管線區(qū)域周邊環(huán)境、管線交叉與裸露情況、“三樁一牌”（里程樁/陰保測試樁、標(biāo)志樁、加密樁/通信標(biāo)石樁、警示牌）、管道保護(hù)電位、陰極保護(hù)測試樁保護(hù)電位、絕緣法蘭等項(xiàng)目的普查，已初步建立起管線完整性管理軟件，但信息中的單井（或管線）動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)（集氣量、氣液比等）不全，導(dǎo)致信息系統(tǒng)的綜合利用嚴(yán)重滯后，未能發(fā)揮管線信息在管線科學(xué)管理中的作用，目前僅具備數(shù)據(jù)查詢功能，大數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化決策基本上未見。

因此，建議在氣田數(shù)字化建設(shè)中，注重一手抓建設(shè)與推廣，一手抓成果轉(zhuǎn)化和信息利用程度，拓展數(shù)字化在生產(chǎn)、生活各個(gè)領(lǐng)域的“增值服務(wù)”，如管線路由、管線結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)與運(yùn)行參數(shù)相結(jié)合，預(yù)測管線動(dòng)態(tài)，精準(zhǔn)制定管線高效運(yùn)行的措施。通過數(shù)字化建設(shè)提高的增值服務(wù)，使氣田長期形成的資源、技術(shù)、管理獲得空前的擴(kuò)展、創(chuàng)新和豐富。

2.2 優(yōu)化完善防凍劑加注

加注水合物抑制劑仍然是目前防止天然氣水合物形成的主要措施之一，其水合物形成防止效果與天然氣輸送溫度、抑制劑種類、藥劑加量、加注時(shí)間和加注方式密切相關(guān)。重點(diǎn)在于加注時(shí)間、加注量和周期的把握，現(xiàn)場實(shí)際操作時(shí)，必須針對不同的工況條件進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。具體措施如下：

（1）針對運(yùn)行工況制定防凍劑加注方案。為有效減少水合物堵塞概率，保障冬季集輸管線的正常運(yùn)行，結(jié)合季節(jié)性氣候變化和運(yùn)行參數(shù)，準(zhǔn)確預(yù)測水合物生成條件，制定管線防凍劑加注量、加注周期及加注時(shí)間等，并開展凍堵跟蹤。各作業(yè)區(qū)指定專人負(fù)責(zé)冬季凍堵跟蹤的反饋，及時(shí)通報(bào)凍堵情況、分析凍堵原因，確保加注制度、計(jì)溫及清管周期的及時(shí)調(diào)整。

（2）動(dòng)態(tài)調(diào)整加注方案，確保加注效果。嚴(yán)格執(zhí)行防凍劑方案，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行加注參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，建議采用泵注并帶霧化裝置，以利于藥劑與天然氣氣流的充分接觸，確保防凍堵劑的加注效果。

2.3 清管制度優(yōu)化

鑒于蘇里格氣田與神木氣田的相似性，建議氣田濕氣輸送管道是否清管的判斷依據(jù)文獻(xiàn)的確定方法。①對于v＜5m/s 的管道，只要滿足相對輸氣效率η≤90%，Wq/V≥1%，管道始末端壓差梯度Δp≥200kPa/km 三個(gè)條件中的一條，就應(yīng)對管道進(jìn)行清管；將η＜90%或者η＜95%作為判斷管道是否需要清管的條件，作為SY/T 5922-2012的有效補(bǔ)充。②對于v＞5m/s 的管道，不考慮管道始末端的壓差梯度，只要滿足相對輸氣效率η≤90%或者Wq/V≥1%的條件，應(yīng)對管道進(jìn)行清管；③Wq/V值小于1%，積液量大于管道下游集氣站段塞捕集器的最大段塞處理能力時(shí)，不管其他條件，也要啟動(dòng)清管。實(shí)際應(yīng)用中，結(jié)合現(xiàn)場清管試驗(yàn)情況予以修正，形成神木氣田不同區(qū)塊的清管制度。