地形起伏對凝析氣集輸管道工況的影響

張 鵬 王大慶 田 軍

1．西南石油大學土木工程與建筑學院 2．西南石油大學石油工程學院3．中國石油西南油氣田公司安全環保與技術監督研究院質監站

隨著國內外凝析氣田的不斷開發，凝析氣單管氣液混輸工藝技術被越來越廣泛地應用，如目前國內已開發的牙哈、吉拉克、迪那等凝析氣田都采用了氣液混輸的方法［1－2］。該方法的顯著優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備配置，降低地面建設投資。但該方法也為天然氣管輸生產帶來了一定的難題，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，當管內持液量增加至一定程度時常常會引發段塞流的產生，嚴重的段塞流會給管線終端處理設備造成較大的沖擊，嚴重影響集輸系統的安全、高效運行，甚至會造成事故。而地形起伏不均是造成凝析氣單管氣液混輸管道生產不穩定的一個重要因素［4］。因此，筆者以某凝析氣田的一個集輸管網系統為研究對象，利用當前國際上公認的多相流管網模擬軟件對該集輸管網進行了模擬計算，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計和運行管理提供幫助。

1 凝析氣混輸的特點及模擬工具

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，流態不穩定；②存在相間能量變換和能量損失，管線中有液相的聚集；③流動規律復雜，流動阻力大。

針對天然氣／凝析液混輸管路的特點，20世紀90年代以來，挪威、英國、法國、美國等國均在混輸管路的穩態、瞬態模擬方面做了系列的理論和實驗研究，出現了一些著名的多相流管網模擬軟件，如PIPESIM、PIPEPASHE、OLGA、PIPESYS 等 商 業 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系統進行分析和計算。PIPEPHASE 9．0具有先進的網絡求解算法，能處理任意復雜度的網絡計算，尤其是它在集成了PRO／Ⅱ的熱力學物性計算模塊和管線瞬態模擬模塊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，狀態方程采用BWRST方程，水力學模型選用MBE經驗模型，所有這些計算模型都是歷經室內實驗和現場生產驗證過的，并被公認為是較優的模型組合［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據，并未將水組分納入其中，因此，計算前需將天然氣、凝析油和水按照現場實際產量進行混合，得到完整的井流物組分數據，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系統模擬的流程如圖1、2所示，利用該流程即可開展模擬計算。

圖2 凝析氣集輸管網的模擬流程圖

2 地形起伏對天然氣管輸的影響

為了能夠更準確直觀地說明地形起伏對凝析氣管網系統內流體的壓力、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模擬計算3種不同程度的地形起伏下管內流體的各項參數情況，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

管路壓降是管道設計、建造和運行的基礎，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而言，管道沿線壓降和溫降與管內重烴凝析液量和持液率的大小又是密切相關的，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致凝析氣混輸管內流體的壓力出現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，使重烴凝析液不斷地析出并聚集在管道低洼處和上坡段內，導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，在管道設計時要特別注意。

由圖5可知，在起始段，由于管道內外溫差較大，管內流體溫度下降較快，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流體溫度次之，而無高程起伏下的管內溫度幾乎未出現波動現象（圖5中在距起點15km處出現的氣流溫度陡然變化是由于另一口凝析氣井接入該管網系統所致），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），管內持液率隨沿線地形起伏的變化出現了不同幅度的波動，且地形起伏高度越大，持液率波動的幅度也越大，在上坡管段內持液率相對較大，下坡管段內持液率相對偏小。分析這種地形高差對持液率影響較大的原因是：上升管段內流體在爬坡過程中壓降損失比較嚴重，管內壓力下降相對較快，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，管內持液量的計算結果為：原高程起伏下的管內持液量為54．65m3；1／2倍原高程起伏下的管內持液量為48．47m3；無高程起伏下的管內持液量為50．77m3。可以看出，不同級別的地形起伏程度下管內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流體在正常、穩定流動過程中某一瞬間整個管道中的總持液量，這點結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果相近，但管內液體的分布卻有著顯著差別，由圖6可以發現，在無地形起伏時沿程管內液體分布較為均勻，而在有地形起伏時管內凝析液主要聚積在低洼處或上坡管段內。此外，隨著生產時間的推移，管內液體不斷被運移并在低洼處或上坡管段內積聚得越來越多，造成起點輸送壓力不斷升高，嚴重時甚至出現超壓停產的現象。因此，對存在地形起伏的凝析氣集輸管道應定期進行清管，這也是目前清除管內積液最為直接有效的方法；同時為防止清管過程中產生的強烈段塞流給終端處理器帶來巨大沖擊，應考慮在處理器前端設置段塞流捕集器，以確保終端設施的平穩正常運行。

2．3 地形起伏對管內流態的影響

不同程度地形起伏下凝析氣混輸管內流體流型沿線分布預測結果如圖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，管內流體流型為分層流；在有地形起伏的情況下，管內存在兩種流型，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，上傾管路內流型為段塞流，下傾和水平管路內流型為分層流。可見，管路沿線地形的起伏使得管內流型呈現出極不穩定的狀態，在分層流和段塞流間不斷地發生轉變。

圖7 不同程度地形起伏下管內流體流型沿線分布預測結果圖

2．4 地形起伏對天然氣水合物形成的影響

凝析氣混輸管內流體的相包絡圖和天然氣水合物形成曲線預測結果如圖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與相包絡線圍成的區域為天然氣水合物形成區（天然氣具備生成天然氣水合物的壓力和溫度）。模擬結果顯示，在管路沿線存在地形起伏的情況下，管內流體p／T路徑線有一部分位于天然氣水合物形成區內，再加上所模擬的凝析氣井井流物中含有游離水，所以這部分管段內會有天然氣水合物生成，且原高程起伏下管內有突然水合物形成的區域（或管段）較1／2倍原高程起伏下的管內天然氣水合物區域更大一些；而沿程無地形起伏時管內凝析氣p／T路徑線全部位于天然氣水合物區外側，說明水平管內無天然氣水合物生成。

圖8 管內流體相包絡線和天然氣水合物形成曲線圖

當然，凝析氣集輸管道內天然氣水合物的形成還與諸多因素有關，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更易生成天然氣水合物，且沿線地形起伏程度越大，管內生成天然氣水合物的可能性就越大，而水平集輸管內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天然氣水合物生成的措施有加熱和噴注化學抑制劑（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，同時對油質和氣質有一定的影響。因此，建議優先采用加熱方式，在防止管內天然氣水合物生成的同時，也可以防止輸送過程中管內凝析油結蠟凝固。

3 結論

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，管內流體壓力波動幅度也越大；而地形起伏對凝析氣管線內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的持液率出現不同幅度的波動，地形起伏程度越大，持液率波動幅度也越大，而水平管路內持液率則基本保持不變。盡管不同地形起伏程度下管內總持液量計算結果相近，但其在管內的分布情況卻明顯不同，水平管內液體分布較為均勻，而在地形起伏下管內液體主要聚積在低洼處或上坡管段內。

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

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更易生成天然氣水合物，且沿線地形起伏程度越大，管內生成天然氣水合物的可能性就越大。

綜上所述，在凝析氣集輸系統工藝設計中，應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，并配套設計必要的生產輔助措施，以確保管道投產后能安全平穩運行。

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