射流清管過程壓力波動特性研究

　中國石油大學(xué)（華東）儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院

射流清管過程壓力波動特性研究

劉玨王炳人邵游凱王溢維中國石油大學(xué)（華東）儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院

為研究天然氣凝析液管道射流清管過程中壓力的變化規(guī)律，建立了含有清管器收發(fā)裝置、水平管路、起伏管路和立管的室內(nèi)大型多相流實(shí)驗(yàn)環(huán)道，以空氣和水為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，在多種氣體流量、液體積聚量及旁通率的條件下，測量了射流清管過程中管線各處壓力值的波動變化，得到大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到結(jié)論：清管器在管道中運(yùn)行不連續(xù)，出現(xiàn)“走走停停”的現(xiàn)象，并且隨著旁通率增加這種現(xiàn)象更劇烈；射流清管器能夠?qū)崿F(xiàn)含有積液的輸氣管道中清管的壓力波動降低，且隨著旁通率的增加這種降低效果更加明顯；隨積液量的增加，射流清管器通過立管處所需壓力升高。

射流清管器；立管；旁通率；壓力；積液量

在氣田開采中后期產(chǎn)率會逐漸下降，導(dǎo)致氣藏壓力下降，流體中包含的液體逐漸增多[1]，氣液會產(chǎn)生嚴(yán)重的脫滑現(xiàn)象[2]，極易造成液體的大量積聚，使管道流通面積減小、能量損耗增大，在特定條件下還可能生成水合物堵塞管道，通常采用定期清管[3-4]的方法解決凝析液積聚問題。傳統(tǒng)清管器通過前后密封產(chǎn)生的壓差為動力推動清管器運(yùn)行，但會導(dǎo)致清管器運(yùn)行速度過快、管線壓力波動較大而造成管道設(shè)備和清管器的損壞，影響正常的生產(chǎn)作業(yè)。針對以上問題，提出了應(yīng)用于海底凝析液管道的新型射流清管器。

鑒于國內(nèi)外對射流清管器的實(shí)際應(yīng)用研究較少，射流清管器在輸氣管道積液的清除過程中能夠起到什么樣的作用是研究的重點(diǎn)。為此，建立了包含水平管路、起伏管路和立管的大型室內(nèi)實(shí)驗(yàn)環(huán)道，利用射流清管室內(nèi)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對射流清管器清管過程中管線壓力的變化進(jìn)行研究。

1　實(shí)驗(yàn)環(huán)道

建立總長約為100m的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)環(huán)道，如圖1所示，其中包含水平管段約48m、角度為6°的上傾和下傾起伏管段19m，角度為4°的下傾管27m以及立管管段6m。該環(huán)道由規(guī)格為?60mm×3mm 的Ocr18N19不銹鋼管搭建而成。環(huán)道能夠保證管道內(nèi)徑53.4mm恒定不變，保證清管器在管線中運(yùn)行時所受摩擦力基本恒定；環(huán)道中所有彎管曲率半徑均為500mm，遠(yuǎn)大于環(huán)道鋼管直徑，利于清管器的順利運(yùn)行。

圖1　實(shí)驗(yàn)環(huán)道流程

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的操作介質(zhì)是空氣和水，模擬研究海底天然氣凝析液管道清管過程中的氣相和凝析液流動規(guī)律。整個環(huán)道的實(shí)驗(yàn)裝置由壓縮機(jī)和氣相計(jì)量系統(tǒng)、加水口和放水口、壓力傳感器、壓差傳感器以及清管器收/發(fā)球筒組成。壓縮機(jī)和氣相計(jì)量系統(tǒng)能夠提供穩(wěn)定氣源，并能精確計(jì)量氣相流量。液相通過加水口直接注入，可以精確確定加注量。共有11個壓力傳感器布置在環(huán)道上，在環(huán)道入口端的壓力傳感器P1和出口處的壓力傳感器P11不僅能夠測量壓力波動，而且能夠起到清管器通過指示儀的作用，清管器通過P1開始計(jì)時、通過P11清管器運(yùn)行結(jié)束。實(shí)驗(yàn)在動態(tài)條件下進(jìn)行，當(dāng)管線中流體流動達(dá)到穩(wěn)定后開始采集數(shù)據(jù)，采集時間達(dá)到20～50s后發(fā)射清管器[5]，清管器到達(dá)終端的清管器收球筒后，繼續(xù)采集數(shù)據(jù)約60s后停止采集，關(guān)閉壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

2　壓力分析

通過文獻(xiàn)調(diào)研并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室自身?xiàng)l件，最終確定射流清管室內(nèi)實(shí)驗(yàn)過程中清管器皮碗過盈量為3%，實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)變量為射流清管器旁通率、氣相入口流量、積液量。其中清管器旁通率為0、2%、4%、6%、8%，氣相入口流量為100、120、140、160、180m3/h，積液加注量為2、4、6、8L。

圖2　清管期間壓力波動曲線

2.1壓力曲線特性分析

2.1.1旁通率對管線壓力的影響

由于管線較短，可以通過P1位置的壓力變化曲線來表示清管器通過管線后管線壓力變化的規(guī)律。在氣量和液量分別為140m3/h-2L、140m3/h-6L、160m3/h-2L、160m3/h-6L四個工況下，隨著射流清管器旁通率不同，管線壓力曲線也發(fā)生變化。

（1）清管器在管線中的運(yùn)動并不是連續(xù)的，有“走走停停”的現(xiàn)象[7]。曲線每一個波峰值都代表了清管器的一次停頓或減速，清管器旁通率較小時，清管器基本上只會在發(fā)射階段和立管底部發(fā)生停頓并積聚壓力，在其他位置由于動力充足清管器連續(xù)運(yùn)動，曲線較為平滑；隨著旁通率的增加，清管器動力不足，清管器頻繁出現(xiàn)停頓現(xiàn)象，曲線峰值出現(xiàn)的頻率增加。

（2）曲線中第一個峰值代表清管器的發(fā)射時刻，最后一個峰值代表了清管器通過立管的時刻。清管器發(fā)射是一個從靜止到運(yùn)動的過程，靜止期間需要克服靜摩擦力，所需壓力較高；而運(yùn)動后所需克服的是動摩擦力，所需壓力較低，故清管器發(fā)射過程出現(xiàn)一個壓力的峰值。清管器運(yùn)行到立管處，進(jìn)行壓力積聚并使壓力升高到足以克服清管器摩擦阻力和積液靜液柱壓差，清管器通過立管后清管器阻力降低、管線壓力下降，故清管器通過立管過程也出現(xiàn)一個壓力的峰值。

（3）當(dāng)氣量較大時，高旁通率的射流清管器也可以通過管道，但是壓力波動的規(guī)律性變差。當(dāng)氣量為160m3/h、旁通率為8%時，在2～8s之間出現(xiàn)了一個較長的波峰，清管器出現(xiàn)了明顯的停頓、卡堵現(xiàn)象。這一方面是由于旁通率過大，造成清管器動力不足，持續(xù)的泄壓致使憋壓過程較長；另一方面也是室內(nèi)實(shí)驗(yàn)條件所致，由于室內(nèi)空間有限，管道采取法蘭連接方式較多，整個環(huán)道共有50個法蘭，這就增加了清管器運(yùn)行卡堵的可能性。

2.1.2積液量對管線壓力的影響

從氣量和旁通率分別為140m3/h-0、140m3/h-4%、180m3/h-0%、180m3/h-4%的四個工況下隨積液量不同管線壓力曲線的變化可以看出：

雞痘屬于高度接觸性病毒性傳染病，春夏秋冬都可能出現(xiàn)發(fā)病，但其發(fā)病嚴(yán)重以及流行多集中于秋冬季節(jié)。由于秋冬季節(jié)溫度逐漸降低，濕度較大，會使得雞痘的傳染速度有一定的提升。在這樣的情況下，如果秋天多雨的情況下，應(yīng)提前做好雞痘的預(yù)防措施。

（1）無旁通或低旁通率曲線，壓力曲線變化的峰值主要有三個（起始端兩個，終端一個）。經(jīng)過分析，第一個峰值是清管器發(fā)射憋壓形成的，第二個峰值是清管器運(yùn)行到下傾、上傾管底部清掃液塞形成的，第三個峰值是清管器運(yùn)行到立管底部較高的靜液柱壓差形成的，曲線整體較為平滑。而高旁通率曲線，由于旁通射流造成清管器動力不足，清管器頻繁停頓，所以峰值較多且不規(guī)律。

（2）無旁通或旁通率較低時，積液量較高的管線清管器通過立管時所需的壓力值要比積液量較低的管線高得多。旁通率為0時，8L積液比2L積液的壓力值分別高出約45kPa（氣量140m3/h）、50kPa（氣量180m3/h）；而清管器存在旁通并且旁通率較高時，這種壓力差值得到了明顯的降低，旁通率為4%時，8L積液比2L積液高出的壓力值約為22、20kPa。這說明在較高旁通率下，射流清管器對液塞的控制作用是十分高效的。

2.2旁通率對壓力峰值的影響

清管器在管線運(yùn)行過程中，通過立管時所需壓力值最高，達(dá)到清管器運(yùn)行的最大壓力峰值。

從不同氣量和液量工況下清管器通過立管時的壓力峰值隨旁通率的變化關(guān)系曲線可以看出，當(dāng)射流清管器旁通率在2%、4%、6%、8%范圍內(nèi)變化時，隨旁通率的增加，清管器通過立管時管線的壓力峰值降低。這說明射流清管器的旁通射流在清管期間起到了重要的作用，一方面，射流氣體能夠通過氣流的剪切攜帶作用將管線一部分積液帶離管線；另一方面，射流氣體對液塞能夠有很好的流型控制作用，利用液塞充氣，降低立管處液塞的靜液柱壓差。隨著旁通率的增加，旁通射流作用越劇烈，清管器運(yùn)行阻力降低越明顯，通過立管所需的壓力值就越低，這與前面的理論分析完全相符。

然而，大多數(shù)旁通率為0的清管器通過立管所需要的壓力峰值反而低于旁通率為2%的清管器，這是與分析的清管規(guī)律不相符的，這個現(xiàn)象可以通過分析清管器所受摩擦力來解釋。旁通率為0的清管器，也就是平時用的普通清管器，由于沒有旁通泄流的作用，清管器動力比較充足，在經(jīng)過立管時并沒有產(chǎn)生停頓而直接通過，此時清管器所克服的阻力是立管處的靜液柱壓差阻力及清管器所受的動摩擦力；當(dāng)清管器存在旁通率時，由于旁通泄壓的原因，清管器運(yùn)行到立管底部時，可能由于動力不足而需要在立管底部產(chǎn)生停頓積聚足夠的背壓來克服阻力，清管器再次運(yùn)動所要克服的就是皮碗的靜摩擦力和靜液柱壓差阻力，而旁通射流對靜液柱壓差降低值低于靜摩擦力與動摩擦力之間的差值，即造成旁通率為0的清管器所受阻力低于旁通率為2%的射流清管器，最終導(dǎo)致了這種反常現(xiàn)象。

從各工況下清管器通過立管時的壓力峰值隨管線積液量的變化關(guān)系曲線可以看出，在相同氣量和清管器旁通率的情況下，隨著積液量的增加清管器通過立管時的壓力峰值升高。當(dāng)清管器運(yùn)行到立管底部時，整個管線的積液會全部聚集在清管器下游的立管處，形成靜液柱壓差阻礙清管器的運(yùn)動。而隨著積液量的增加，靜液柱壓差形成的阻力增大，清管器需要更高的壓力使其繼續(xù)運(yùn)行，所需的壓力峰值也就越高。

3　結(jié)論

（1）低旁通率射流清管器清管過程中運(yùn)行較為穩(wěn)定、停頓較少，高旁通率清管器由于動力不足導(dǎo)致停頓、減速頻率較高。

（2）射流清管器的旁通射流作用能夠很好地控制清管器前方氣液兩相流型，實(shí)現(xiàn)了清管器及時的降速、泄壓效果，從而降低了清管期間的壓力峰值，且這種降峰值效果隨著旁通率的增加而增加。

（3）隨著管道中積液量的增加，清管器到達(dá)立管處所受靜液柱壓差阻力升高，射流清管器通過立管時所需的壓力升高。

[1]MandkeJS，HarryShen，JohnRoscoe．Singletrippiggingofgas linesduringlatefieldlife[C]//OTC14184，Houston：OffshoreTechnologyConference， 2002．

[2]張金成．清管器清洗技術(shù)及應(yīng)用[M]．北京：石油工業(yè)出版社，2005：153-158．

[3]MinamiK．Piggingdynamicsintwo-phaseflowpipelines： experimentandmodeling[J]．SPEProductionFacility，1995，10（4）：225-231．

[4]WuHL，VanSpronsenG，KlausEH．By-passpigpassestestfor two-phasepipelines[J]．Oil&GasJournal，1996，94（42）：73-77.

[5]何利民，郭烈錦，陳學(xué)俊．通球清管過程中微起伏管內(nèi)的段塞流特性試驗(yàn)研究[J]．西安大學(xué)學(xué)報，2002，36（7）：674-678.

[6]肖榮鴿，董正遠(yuǎn)．水平管氣液兩相流清管瞬態(tài)過程試驗(yàn)研究[J]．油氣儲運(yùn)，2007，26（4）：21-25.

[7]李玉星， 寇杰，唐建峰，等．多相混輸管路清管技術(shù)研究[J]．石油學(xué)報，2002，23（5）：101-104.

（欄目主持楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.12.009

基金論文：國家科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”（2011ZX05026）資助。

2015-05-13