氣田采氣管線清管保障措施探討

孫利明，郝 麗，呂海霞，劉 佳，溫立憲，邵 文，王 浩，韓 娜

（中國石油長慶油田分公司第一采氣廠，陜西靖邊 718500）

隨著氣田新建站不斷增加，建成采氣管線數量也不斷增加，截止2018年9月靖邊氣田已建成投產采氣管線1 008條，蘇東南區建成投產采氣管線19條。由于采出的氣體含有一定水分，在生產過程中，由于溫度、壓力的改變，在管道內形成水合物，影響采氣管線輸送能力，嚴重時會堵塞管線甚至導致氣井關井，嚴重影響氣田的正常生產和安全運行，因此需合理制定采氣管線清管保障措施，開展采氣管線清管作業[1-4]。

1 采氣管線清管現狀

目前采氣管線未開展定期的清管作業，沒有形成相應的清管制度，前期開展清管作業時，可供借鑒的經驗較少。同時從天然氣井產出未經凈化的天然氣在管道中輸送時，由于含有較多的水和其他成分，在輸送過程中，溫度、壓力發生變化，將有部分凝析液析出，隨著時間的延長和輸送距離的增加，析出的水和凝析液量越來越多，進而聚集在管道底部形成積液，若不能及時清除，將出現諸多問題：

（1）液體聚積在管線的低點處，降低了氣體的有效輸送截面積，影響管道的集氣能力和節點壓力，導致管輸效率降低；

（2）管線過流面積減小，輸送阻力增加，導致單位長度管線壓降增大，增加了動力消耗；

（3）在一定溫度條件下會形成水合物，造成冰堵事故；

（4）由于積液的存在，起伏管路的末端還會形成段塞流，當液塞體積超過下游處理設備的容量時，給正常生產帶來了困難，嚴重時會導致停產。段塞流的產生還會引起管線中較大的壓力和流量波動，對管線造成沖擊和振動，引起管線破壞；

（5）雜質長時間存在于管線中，影響了采氣管線的安全平穩運行，存在一定的安全隱患；

（6）輸送天然氣的管道中積液的產生還會導致管線腐蝕加劇，降低管道的使用壽命。尤其是高含硫和二氧化碳的氣體，積液的存在會加速管線的電化學腐蝕，易造成管線穿孔，給管道的正常運行帶來極大的危險。

因此，為了保證氣井的穩產和整個氣田的安全運行，完善氣田的生產流程，需在井場設置采氣管線清管器發送裝置，在集氣站設置采氣管線清管器接收裝置，以滿足采氣管線清管要求。

2 清管保障措施探討

2.1 清管時機探討

對輸氣管道進行清管的主要目的是清除管道內部的積液和腐蝕產物，因此，氣田采氣管線清管時機的判定因素主要為最小輸送效率、最大允許壓降和最大積液量等。

2.1.1 最小輸送效率 根據《天然氣管道運行規范》SY/T 5922-2012規定，管道輸送效率小于95%時，可認為管道內積液、雜質等較多，管道的正常輸送受到了影響，需及時開展清管作業。

式中：Pb-管線起點壓力，MPa；Pe-管線終點壓力，MPa；Q-管線輸氣量，m3/d；d-管線內徑，cm；L-管線長度，km；T-管輸天然氣的平均溫度，K；Z-管輸天然氣的平均壓縮因子；Δ-天然氣相對密度；E-輸氣效率。

采氣管線為濕氣輸送管線，依據以往現場清管實踐經驗，當濕氣輸送管網管輸氣量低于設計輸氣量時，說明管道積液量較大，管輸效率均低于0.95。為了解決采氣管線日常清管作業的判定問題，引入相對輸送效率的概念。相對輸送效率E0為管道實際運行過程中的流量與管道上一次清管后的流量的比值，需根據多次現場清管結果，選擇合理的相對輸送效率。

2.1.2 最大管道壓差 當管道存在積液時，管道摩阻系數變大，上、下游壓差增大，在實際生產中一些單位將0.7 MPa作為最大允許壓差，并以此為依據判斷是否需要進行清管操作。

2.1.3 最大積液量 最大積液量以管線末端捕集器的處理量為最大允許積液量進行清管判斷。例如，若某管線末端捕集器的容量為60 m3，根據捕集器的處理量，即可將最大允許積液量為60 m3作為清管的一個參照標準。

依據以往清管經驗并結合三種清管判定方法，在采氣管線實際運行中，需根據多次清管試驗的結果，選擇合理的相對輸送效率、最大管道壓差和最大允許積液量對采氣管線是否需要開展清管作業進行判斷，當三個參數有任何一個達到清管作業的要求時，就需要及時開展清管工作，保證采氣管線的安全平穩運行。

2.2 采氣管線積液量預測

為避免清出積液量過大，導致清管收球過程中排液不及時，清出物進入下游管線、設備中存在生產隱患，同時為降低清管作業風險，清管作業前利用Pipephase軟件進行管道積液量預測尤為重要。

2.2.1 Pipephase軟件模型計算理論依據 Pipephase軟件是由美國SimSci公司開發的管道網絡模擬分析軟件，用以分析和計算天然氣集輸管網、工藝管線兩相流計算、管線的傳熱分析、節點分析、水合物生成分析等各種生產需求。根據相關文獻選擇Beggs&Brill-Moody持液率相關式計算管線輸送壓降及持液量。Beggs-Brill持液率修正相關式為在BB模型中引入傾角修正系數ψ，表示傾斜管截面含液率與水平管截面含液率的比值。

式中：HL（β）-傾角 β 時的截面含液率；HL（0）-水平管截面含液率。

水平管截面含液率HL（0）取決于體積含液率RL和富勞德數Fr。

圖1 采氣管線高程變化建立

式中：ω-氣液混合物速度，m/s；g-重力加速度，m/s2；D-管徑。

按兩相管路流型，可確定水平管截面含液率。由試驗得到的計算通式為：

對于 β=90°的垂直管路，ψ=1+0.3C，各公式中 a、b、c、d、E、F、g為與流型有關的系數。

2.2.2 管線積液量模型建立 利用MapSource軟件導出高程變化后，導入已建立的模型中（見圖1）。Pipephase軟件中通過選擇流體類型、添加氣質組分、管道粗糙度、管徑、管道長度、高程變化、計算公式、流體效率等參數后，自動建立軟件模型。

2.2.3 管線積液量計算 管線積液量模型建立后，導入同一時刻實際生產數據，即導入管線下游壓力、上游壓力、流量、溫度參數，進行模擬管線壓降及持液量計算。將計算得出采氣管線理論壓差與實際壓差進行對比，通過修正氣質組分中的水含量，達到最終計算壓差值與實際壓差一致后，得出該生產狀態下理論管線積液量，對后期采氣管線起指導作用。

2.3 采氣管線清管保障措施

2.3.1 合理控制清管器運行速度 清管作業過程中，清管作業質量取決于清管器的速度，球速過快或過慢，都可能造成清管器破壞或功能失效，導致清管效果不理想。若清管器的運行速度過慢，造成清管器走走停停，易使管道內的水等雜質回流，甚至卡球；若球速過快，易使管道產生振動，使清管器的上下游發生嚴重的竄漏現象，使液體不能被清除，同時對清管器和管道內壁造成較大的磨損，產生腐蝕，不安全因素較多。根據SY/T 5922-2012《天然氣管道運行規范》中明確規定，清管過程中清管器的運行速度不宜超過5 m/s，清管器在規定范圍內穩定運行才能保證管線安全和清管清液效果。

根據SY/T 5992-2012《天然氣管道運行規范》，輸氣量已知條件下清管器瞬時運行速度計算公式如下：

式中：V-清管器運行速度，km/h；Q-輸氣量，m3/d；F-管道內徑橫截面積，m2；P-清管器后平均壓力，MPa。

利用上述公式對輸氣量已知條件下的清管器運行速度進行計算，在清管過程中，必須及時掌握清管器的運行速度，調整工藝參數，以便控制清管器的運行速度，及時發現和處理問題。

2.3.2 準確判定清管器進站時機 清管作業中若能在準確判斷清管器運行位置及進站時間并及時進行排污，既可減少天然氣的放空量，也可避免將污水污物推入下游，有效削減清管作業風險。這項操作步驟主要依靠人為經驗，但仍具有重要指導意義。

（1）清管器進站時間計算。一般清管器運行速度控制在3 m/s～5 m/s，計算清管器運行時間方法為：采氣管線長度除以清管器運行速度（利用上述公式）。由于清管器在管道內運行為非穩態過程，通常在管道大小頭處、彎頭、三通等地方運行速度發生變化，因此一般實際進站時間比理論進站時間長10 min～20 min。

（2）根據清管器理論進站時間，結合現場壓力顯示，進一步判斷清管器進站時間。現場壓力波動較大，且站內收球筒處可聽到由小變大的氣流聲音及管道內積液、雜質等管線內滑動的聲音，則說明清管器即將進站。

3 結論

（1）結合最小輸送效率、積液量和最大允許壓降等因素，判定采氣管線清管時機，并結合多次清管結果，制定合理清管制度，確保采氣管線高效運行。

（2）管道積液量預測既可以作為采氣管線清管時機判定依據，消除不合理清管制度造成的不利影響，也可為清管過程起指導作用，有效削減積液量過大引發的作業風險。

（3）清管作業過程中合理控制清管器運行速度，準確判定清管器進站時機，既可減少天然氣的放空量，也可避免將污水污物推入下游，確保清管作業安全開展。