復雜山地氣田濕氣集輸工藝探討

李德選 王雪強 李文廣

中國石化中原石油勘探局勘察設計研究院

復雜山地氣田濕氣集輸工藝探討

李德選 王雪強 李文廣

中國石化中原石油勘探局勘察設計研究院

國內復雜山地高含硫天然氣的開發規模不斷擴大，地面集輸系統處于高壓、高含硫、高腐蝕工況條件下，加大了運行風險。為提高氣田地面集輸系統的適應性，確保氣田安全平穩運行，針對不同氣田氣井產出物的種類、濕氣定義及復雜山地特型管網形成的流體流態、可能產生的危害進行分析論證認為；含游離水天然氣持液率對濕氣集輸工藝流體不利流態的形成具有較大影響；復雜山地集輸管道敷設方式所形成的特型管段結構會形成液相沉積，對管道安全運行影響較大；濕氣持液率小于5%的濕氣集輸，液相水對集輸工藝安全運行的影響可以忽略不計；濕氣持液率大于5%的濕氣集輸工藝宜采用氣液分相分輸工藝。

復雜山地；濕氣分類；集輸工藝；分相分輸工藝；高含硫氣田

我國已開發氣田氣井產出物多數屬于含烴類天然氣，很少有游離水，現行設計規范中以重烴的比例給出了濕氣的概念[1]，以此進行的集輸工藝設計可以滿足含烴類天然氣的正常生產。但是隨著復雜山地高含硫氣田的開發，氣井產出物屬于含硫和游離水天然氣，地面集輸系統處于高壓、高含硫、高腐蝕工況條件下運行，加大了運行風險。為確保氣田安全平穩運行，對地面集輸工藝設計提出了更高要求。現就復雜山地條件下持液率、管網敷設形式及工藝流程對氣田地面濕氣集輸系統的影響進行初步探討。

1 氣井產出物的分類與流體流態

氣井產出物的組成是確定地面集輸工藝管道流態的重要依據，管道流態是地面集輸工藝進行工藝計算的基本數學模型。天然氣從地層開采出來時一般壓力較高，而且產出物中不同程度地含有游離水、凝析油、硫化氫、二氧化碳，以及一些巖屑、砂粒等機械雜質，需要進行必要的處理以達到商品氣質標準后輸往用戶。由于各個氣田地質條件不同，氣井產出物的種類和數量也不同。多數氣田的產出物以甲烷為主，含有一定量的其他烷烴，可以稱之為含烴類天然氣，如中原油田的文23塊氣田；有些氣田的產出物以甲烷為主，不含其他烷烴而含一定量的游離水、硫化氫、二氧化碳等，可以稱之為含硫含水天然氣，如普光氣田。由于各個氣田產出物不同，天然氣處理的方式亦不同，天然氣的礦場集輸就有不同的工藝流程，一般分為濕氣單相集輸和濕氣混相集輸。

國內一般認為經過脫水、凈化和輕烴回收工藝提取液化氣和輕質油以后，每立方米氣中戊烷及更重的烴類組分按液態計，大于10 mL的天然氣稱為濕氣；每立方米氣中戊烷及更重的烴類組分按液態計，小于10 mL稱為干氣，此定義未明確涉及到天然氣中的含水問題。油氣集輸設計規范中對天然氣凝液的分離及防止水合物的產生給出了溫度的相應規定[2]，并未涉及濕氣的概念。

英國殼牌公司對濕氣的定義是氣液兩相流的體積含氣率大于95%即為濕氣[3]，換言之則是氣液兩相流的持液率小于5%為濕氣。它所指的液相可能是烴類或游離水。但是這樣一個定義覆蓋的范圍仍然很大，尤其是在系統壓力及被測介質不同的情況下。通常都認為，濕氣是一種氣液兩相流中氣相的體積不斷增加，液相的體積不斷減少，最后形成氣相為連續相，液相為離散相的流動狀態。依據干度的不同，濕氣呈現出環狀流、紊流的流動形態；氣液兩相流呈現出環狀流、紊流、層流、段塞流的流動形態。相對來說濕氣的流動形態比氣液兩相流的流動形態要簡單。

2 管網敷設形式對集輸工藝的影響

氣田所處地形條件在一定程度上決定了地面集輸管網的敷設形式，敷設形式對管道流態的形成和管道安全運行具有較大影響。

對于較為平坦的地形條件所形成的埋地管道，管道在平面、縱斷面上基本處于同一標高的縱斷面和平面，形成的特型管段較少，對于濕氣兩相混輸工藝而言形成段塞流的幾率較小，為集輸工藝提供的條件較好。

在復雜山地集輸管網中，在滿足管道埋深及穿跨越要求的條件下，管道敷設縱斷面上會形成無數個V字、W字、Z字型等特型管段。對于單相流體在上坡過程中潛在的壓力損失會在下坡管段處得到補償，然而對于氣液兩相流體由于液相的存在，混合密度取決于氣相持液率能力，下坡處氣液混合密度明顯增加，起伏地形帶來的壓力梯度遠遠大于摩擦壓力梯度，致使氣相持液率降低，液相占據主導地位，在低洼處形成段塞流水合物堵塞現象。在集輸管道中沉積液相水會導致管道內嚴重腐蝕并形成水合物，造成管道輸送能力降低、壓差增大、管道堵塞、管件損壞等危害，導致嚴重的管道事故。

3 流程對集輸工藝的影響

3.1 集氣管網

氣田中各氣井、集氣站、凈化廠是通過集氣管網聯通的，管網方式常見的有放射狀集氣管網、樹枝狀集氣管網、環狀集氣管網，管網又有單管與雙管之分。要制定一個合理的集氣管網，必須根據氣田的氣井產出物及氣井地面方位確定，既要立足于開發初期實際條件，又要考慮氣田發展和變化。應根據濕氣持液率、地面地形地勢制定合理的濕氣集輸工藝。

3.2 濕氣單相集輸工藝

根據殼牌公司的濕氣定義，氣液兩相流的持液率小于5%為濕氣。濕氣是一種氣液兩相流中氣相為連續相、液相為分散相的流動狀態，液相對于工藝計算模型及安全運行影響較小，可以忽略不計。其工藝流程如下：氣井產出物→集氣管道→集氣站（節流→加熱→節流→預分離→計量）→集輸干管→凈化廠（預分離出的液相車運）。

3.3 濕氣混相集輸工藝

由于濕氣天然氣氣井來氣攜帶部分游離水和生產過程中產生的凝析液，進入集輸管道進行輸送，隨著氣液兩相流的持液率上升，其流態屬于典型的氣液兩相流。其工藝流程如下：氣井產出物→集氣管道→集氣站（節流→加熱→節流→預分離→計量）→集輸干管（單管）→凈化廠。

在濕氣混相集輸工藝中預分離出的液相計量后進入集輸干管混輸至凈化廠。目前對于復雜山地高含硫、持液率持續上升的氣田而言，該工藝雖然節約了設備投資，但是液相水為水合物的存在提供了必要條件[4]，必須采用的通球清液作業頻繁，對管道運行參數要求苛刻，風險控制難度較大。以達縣—臥龍河輸氣管道（達臥線）為例，自1986年7月投產使用后，由于一直輸送濕含硫天然氣，達臥輸氣管道腐蝕嚴重，管道事故頻繁，至2001年底，共累計爆管37次，事故造成嚴重的經濟損失，并污染環境。普光氣田目前采用的濕氣混相集輸工藝，持液率約5%～11%，雖然生產正常，但是也存在著管網積液現象嚴重、腐蝕危害等隱患。

3.4 濕氣氣液分相分輸工藝

集輸管道系統安全運行影響因素較為復雜，除制造缺陷、第三方破壞、自然災害等因素造成安全問題外，復雜山地集輸管道敷設方式形成的特型管段結構及選用的集輸工藝方式對管線安全運行影響較大。復雜山地集輸管道敷設方式取決于復雜地形地勢的固有條件，管網一旦形成可變性不大。在高含硫、持液率超過5%的氣田建議采用濕氣分相分輸工藝，從而避免對管道安全運行不利流態的形成。這樣，雖然一次性工程投資較大，但是可以避免管道積液對管道造成的破壞，減輕酸性流體對管道內壁的腐蝕危害，減少通球清液作業頻率，風險控制難度降低，降低了運行成本。

其工藝流程如下：氣井產出物→集氣管道→集氣站（節流→加熱→節流→氣液分離→計量）→氣液分輸干管（雙管）→凈化廠。

4 結論

通過上述分析可以看出，含游離水天然氣持液率對濕氣集輸工藝流體不利流態的形成具有較大影響；復雜山地集輸管道敷設方式所形成的特型管段結構會形成液相沉積，對管道安全運行影響較大；濕氣持液率小于5%的濕氣集輸，液相水對集輸工藝安全運行的影響可以忽略不計；濕氣持液率大于5%的濕氣集輸工藝宜采用氣液分相分輸工藝。

[1]油田地面工程建設規劃設計規范(SY/T0049-2006)[S]．北京：石油工業出版社，2007．

[2]油氣集輸設計規范(GB50350-2005)[S]．北京：中國計劃出版社，2005．

[3]付建民．高含硫天然氣濕氣集輸管道系統運行風險評價和控制[D]．東營：中國石油大學（華東），2010．

[4]張良鶴．天然氣集輸工程[D]．北京：石油工業出版社，2009．

10.3969/j.issn.1006-6896.2011.11.027

李德選：高級工程師，1982年畢業于撫順石油學院石油天然氣儲運專業，現任中國石化集團中原石油勘探局勘察設計研究院副總工程師。

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（欄目主持 張秀麗）