利用分壓法測輸氣管線凍堵位置

談 泊 ，王曉榮 ，薛 雯 ，田發國 ，曹 毅 ，李大昕

（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.中國石油長慶油田分公司第五采氣廠，內蒙古烏審旗 017300）

蘇里格氣田位于鄂爾多斯盆地北部毛烏素沙漠。該地區冬季極端溫度可達-35℃，由于氣井產水，地面集輸管網內易產生更多凝結水而冰堵，因管線冰堵影響氣井生產約10%。目前對于管線冰堵主要采用兩種方法解決；

（1）加注甲醇防冰堵（兼防止水合物生成）。甲醇可以降低水的凝固點，從而防止冰堵發生。

（2）經驗法判斷冰堵，再加熱解堵。經驗法是根據在管線低洼地帶、管線變徑處、閥門等部位容易發生堵塞的經驗來判斷管線凍堵位置。

這兩種方法對于解堵都起到了一定效果，但對于凍堵嚴重的管線，則需要確定凍堵位置，利用電磁加熱解堵法實現快捷解堵。如何準確有效、快速經濟的判斷凍堵位置，目前尚無較好的方法。因此，研究一種簡單有效測定冰堵位置的方法，對氣田生產具有重要的意義。為此，本文應用熱力學原理和流體質量守恒原理，提出一種利用分壓方法測定管線冰堵位置的新技術。簡單來說，就是用一個已知容積的罐將冰堵管線內部分氣體分壓出來，只要精確測量出分壓前后的溫度和壓力變化值，就可以很快精確測量出冰堵位置。這種測定方法原理科學，設備簡單，測量方便、快速。

1 分壓法原理

分壓原理測定冰堵位置，也就是應用氣體狀態方程和質量守恒方程。描寫一定質量氣體平衡態的三個參量中，當任一參量值發生變化時，其它兩個，或是一個也將隨之變化。也就是說，三個參量，P、V、T之間必然存在一定的關系，其中一個參量是其余參量的函數。這個函數與氣體的性質有關，需要通過實驗來確定。各種實際氣體近似低遵守玻意爾定律、查理定律、蓋鈣-呂薩克定律以及阿伏伽德羅定律。根據這些定律可以導出1 mol氣體的狀態方程：

式中，R=8.31 J/（mol/k）是摩爾氣體常數。

實際氣體在一般溫度和壓力下，在工程應用問題中都可以近似看作是理想氣體而去應用氣體狀態方程。在應用氣體狀態方程來測量冰堵位置這一工程應用問題來說，壓力小于10 MPa，這種近似是完全可以滿足測量要求。在管線內的天然氣同樣遵循氣體狀態方程。天然氣在一個密閉系統中，它的壓力、溫度和體積就遵循氣體狀態方程的關系。從氣體的質量守恒來看，在被冰堵塞的一段管子里天然氣具有一定質量，當用一個空的容器分裝一部分天然氣時，那么總的天然氣質量是不變的，它的質量是守恒的。

圖1 等容積分壓原理示意圖

圖2 大容積向小容積分壓

圖3 小容積向大容積分壓

一個容器內的氣體壓力為A，另一個同樣大小的容器內壓力為零，如圖1所示。打開閥門使兩個容器連通，這時容器1內的氣體就流向容器2，一段時間后，兩個容器內的壓力就處于平衡狀態。這樣，兩個容器內壓力相同，都是A/2 MPa。那么可以知道壓力和氣體體積是反比關系。同樣質量的氣體體積越大，壓力就越小。也就可以知道當把一個容器內氣體排放到另外一個已知容積的容器內，測量壓力變化了多少，就可以反過來知道原先的容器的體積是多少。如圖2所示，當容器1的體積很大，容器2的體積只有它的1/10。那么，二個容器連通后，平衡壓力就是10/11A MPa。當容器1只是容器2的1/10大小，如圖3所示，那么二個容器連通后的平衡壓力就是1/11 MPa。

分壓原理就是通過改變天然氣被冰堵管線內的壓力和溫度，來求得冰堵管線體積，也就是長度。

式中，D-管線直徑，L-從井口到冰堵位置的長度。

管線內壓力P0，管線內的天然氣溫度T0，分壓罐內初始壓力P′，分壓罐內初始溫度T′，分壓罐的容積Q，管線管徑D是預先測量好的，已知。當把管線和分壓罐（壓力為常壓P′，常溫T′）用閥門聯通后，管線內的天然氣流向分壓罐，當二者達到熱力學平衡時，管線內壓力和分壓罐內壓力相等，為P1，管線內和分壓罐內天然氣溫度為T1，則根據氣體狀態方程有：

圖4 分壓原理測定示意圖

從狀態方程可以求得冰堵段管線容積V，

根據上式，就可以算出管線的總體積。知道了總體積，也就是知道了管線長度。這種方法測量精確度取決于壓力和溫度傳感器的精度。在應用分壓原理測量冰堵位置時，只是測量了壓力和溫度，所以這種測量方法的誤差主要是壓力和溫度測量誤差造成，由誤差分析可知，測量的均方根（相對）誤差為：

從式（5）可知，每次測定冰堵位置，需要測量三個壓力值和三個溫度值。可以從每次壓力和溫度測量中傳感器的測量微分（也就是傳感器測量誤差）所引起的全微分來計算測量絕對誤差，相對誤差或均方根誤差。目前誤差分析應用比較多的是均方根誤差和相對誤差。

根據實驗得知，在測量時間只有幾分鐘，時間比較短的情況下，可以不考慮溫度影響。那么，這種測量方法的主要誤差就由壓力傳感器產生。為了減少系統誤差，天然氣原始壓力，分壓管原始壓力和平衡后壓力都用同一個壓力傳感器測量，冰堵長度誤差是傳感器相對誤差和所測長度的乘積：ΔL=dL。

式中：L-冰堵管線長度，ΔL-冰堵長度誤差。

用上式計算測量10 km長管線的誤差為7 m。可以看到，測量誤差取決于所采用的傳感器精度，所以，應當選擇高精度的壓力傳感器可以減少測量誤差。在管線和分壓罐壓力平衡需要一些時間，如果管線和分壓罐沒有達到壓力平衡，這時測量會影響測量精度。在實際測量中，由于管線內存有水，壓力平衡過程中會帶出一點水，這會影響測量精度。所以實際測量誤差要高于這個誤差。

2 分壓設備

為了實現應用分壓原理測量冰堵位置，設計了包含有分壓罐、壓力傳感器，連接管線等測量裝備。蘇里格氣田天然氣井管線絕大多數管線在10 km以內，井口支線長度大多數在5 km以下。因此，按最長測量長度為10 km，多數管線為5 km以下來考慮。

一根內徑為50 mm，長度為10 km的管線容積是19.6 m3，相應的分壓罐體積為10%～20%，當管線初始壓力為 1 000 kPa，分壓后，壓力降低10%～20%，達到 800～900 kPa，壓差為 100～200 kPa，壓力傳感器分辨率為0.1 kPa，由壓力傳感器測量直接造成的誤差只有0.1%，能夠滿足對測量精度的設計要求。為此，設計每個分壓罐容積為2.2 m3，總容積為4.4 m3。考慮天然氣管線的壓力要求，分壓罐按氣田要求設計，最高壓力為6.4 MPa。

對用于試驗的分壓罐設計參數為：直徑：1 300 mm；長度：1 250 mm；壁厚：26 mm；容積：2.2 m3；最高工作壓力：6.4 MPa。

當管線較短時，只要用一個就可以滿足測量精度要求，當管線長度較長，使用兩個分壓罐。分壓罐之間有閥門連接，分開和連接都非常方便。利用撬裝座安裝2個分壓罐和閥門、壓力傳感器、連接管線等其它設備，使得整個測量設備成為一個整體。撬裝座為長方形，鋼架結構，便于吊裝。

3 現場試驗

對不同長度或不同管徑的管線冰堵位置測定是不一樣的。管線總長在5 km內，管線的管徑小于70 mm，管線的總容積量比較小，就可以用一個分壓罐測量，這樣壓力平衡比較快，測量時間短。管線總長在5～10 km或管線的管徑大于100 mm，管線的總容積量比較大，則用兩個分壓罐測量，這樣可以對不同長度管線的測定具有相同的測量精度，也就是提高了長管線的測定精度。冰堵位置實測試驗測蘇1、蘇2井。

表1 現場實際測量數據

驗證試驗和實測試驗的測量結果（見表1），可以看到測量結果良好，測量誤差在預定的范圍內，表明這種測量方法具有很高的準確度和可靠性。每口井測量二次，都是按管線內原始壓力進行測量，不需要額外補充天然氣，連續測量，連續排放，二次的數值和誤差基本一樣，表明測量可靠，重復性好。在測定過程中，管線壓力在0.5～1.0 MPa之間比較合適，操作安全，可以減少測量時間，降低放空時間。如果管線內壓力過高，可以預先排放到1.0 MPa以下。驗證試驗平均誤差在50 m以內，足以滿足實際測量所需要的精度。

對于不同直徑、不同長度管線測定冰堵位置的操作方法有所不同。當天然氣管線長度和直徑增加，為了達到相同的測量精度，需要改變原有操作程序，也就是要增加排放次數，使得管線內壓力有一定程度的下降。連續排放時，要記錄下每次排放平衡后的壓力，二次之間要把分壓罐天然氣排空，使壓力和大氣壓平衡P'；

管線壓力P0，分壓罐原始壓力P'，平衡后壓力P1

管線壓力P1，分壓罐原始壓力P'，平衡后壓力P2

管線壓力P2，分壓罐原始壓力P'，平衡后壓力P3

管線壓力P3，分壓罐原始壓力P'，平衡后壓力P4

管線壓力P4，分壓罐原始壓力P'，平衡后壓力P5

這樣可以把式改寫為V=（P1+P2+P3+P4+P5）/（P0-P5）

實際測定次數可以按表2確定,然后代入公式就可以知道冰堵位置。為了方便，列出下表，只要按照表2操作，就可以達到測量精度。

表2 天然氣管線長度和直徑與測量次數關系

4 結論

蘇里格氣田井下節流狀態下管線冰堵位置測定技術通過理論研究、實驗室模擬測量和氣田實際測量試驗，取得了如下重要成果。

（1）提出了一種分壓原理測量天然氣冰堵位置的新方法，現場試驗表明該技術快捷、方便，測量精度高。

（2）分壓測量時的管線原始壓力在0.5～1.0 MPa比較合適，過高壓力會延長壓力平衡時間，增加測量時間。

（3）管線內原始壓力不同，排放達到壓力平衡的時間也不同，當壓力值在2分鐘內不變化，視為壓力達到平衡，可以測量和記錄。

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