濕天然氣輸送管道積液發展過程影響因素分析*

劉建武 何利民

1中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院

2中石化石油工程設計有限公司

濕天然氣（簡稱濕氣）輸送是指原料氣未在采氣井口深度脫水、脫烴而進入集氣管道進行輸送的一種工藝[1]，具有流程簡單、節約投資、環保和便于管理等優點，在氣田、油田伴生氣以及越來越多的邊際氣田集輸領域得到了廣泛應用。進行積液的有效處理是濕氣管道日常運行管理中的一項重要工作。通常采用定期清管的方法來清除管道內的積液，但受介質組成、地形條件、操作條件以及環境因素等的影響，管道的積液量往往是變化的，這給清管周期以及清管末端處理設備容積的確定帶來了難題[2-4]，同時也會造成清管過程的壓力劇烈波動，使局部管段具有超壓風險，影響了管道的運行安全。因此，國內外眾多學者開展了濕氣集輸管線中的積液預測與流動規律研究，以尋求合理的積液防控措施[5-9]。

運行壓力和溫度條件下有冷凝水和重烴的析出是濕氣管道產生積液的必要條件，多元物系的組成及其所在的溫度和壓力范圍，決定了整個物系的相態分布。實際生產運行過程中，集氣管道面臨的環境條件是復雜多變的，基于不同的氣井生產工藝，進入集氣管道濕氣的含水有可能以未飽和、飽和或者過飽和的形式存在；管道沿線的環境溫度伴隨季節的交替也會發生變化；針對不同地層壓力的生產井，集氣管網也將具有不同的壓力等級匹配，這些因素都將對積液在管道中的沉積及發展帶來影響。本文將在前期研究工作基礎上，分析環境溫度、含水量以及運行壓力等參數對濕氣輸送管道積液沉積以及發展過程的影響，以期為濕氣管道集輸工藝的優化以及積液控制和處理方案的制定提供指導。

1 基準案例模型與計算方法

來料濕氣含水摩爾分數W=0.87%，管道里程L=18 km，管徑D=590 mm，管道首站運行溫度T=60 ℃，環境溫度T0=10 ℃，管道末端壓力p=2.6 MPa，設計輸量Q=1.8×106m3/d，管道沿線高程H如圖1 所示。

圖1 管道沿線高程Fig.1 Elevation along the pipeline

以此作為基準案例開展積液發展過程的影響因素分析，輸送濕氣的氣質組成以及OLGA 模擬模型和計算方法的實施等內容詳見文獻[10]。

2 計算結果與分析

2.1 環境溫度的影響

圖2 所示為管道沿線環境溫度T=0 ℃、10 ℃和20 ℃時，管道全線的積液發展情況。從圖2 可以看出，管道穩定運行時的積液量隨著環境溫度的降低而增大，積液在管道中沉積直至達到穩定時的持續時間也隨著環境溫度的降低逐漸延長。

圖2 環境溫度對管道積液發展的影響Fig.2 Effect of ambient temperature on pipeline liquid loading development

埋地管道運行過程中會與周邊環境進行熱交換并最終達到熱平衡，由于管道沿線存在熱損失，從集氣管道起點開始，管道沿線的運行溫度會逐漸降低；集氣管道入口溫度以及管道沿線總傳熱系數保持不變，環境溫度越低，管道沿線的熱損失越大，管道沿線的溫降也就越大，如圖3 所示。根據多元物系的相平衡特性，管道運行溫度越低，在管道沿線的不同位置則會有更多的液相從氣相中快速凝結出來，并在管道沿線具有不同傾角的起伏段進行聚集，環境溫度越低，管道全線的積液量越大。

圖3 環境溫度對管道沿線溫度分布的影響Fig.3 Effect of ambient temperature on the temperature distribution along the pipeline

濕天然氣中的重烴組分和水蒸氣能否快速地凝結析出并進行沉積以及管道沿線低洼處形成的積液能否快速流動進行質量交換，是影響濕氣管道積液量多少以及發展持續時間快慢的關鍵。在管輸量以及末點壓力不變的情況下，管道沿線環境溫度的不同會使管內的介質流速發生變化。為了更清楚地了解管道流速的影響，這里僅對環境溫度T=0 ℃和20 ℃時的情況進行分析。圖4 為清管器到達集氣管道末端時管道沿線的氣體流速分布情況，此時管道內部剛完成清管，濕氣中僅有少量的液相析出，還未形成積液，最能反映運行溫度對管輸流速的影響。從圖4 可以看出，管道沿線的氣體流速隨著運行溫度的降低而減小；環境溫度越低，管道沿線輸送介質整體的流速越慢，越不利于管道沿線形成的積液進行質量交換，管道全線積液量達到穩定所持續的時間就越長。

圖4 環境溫度對管道全線氣相流速的影響Fig.4 Effect of ambient temperature on gas phase velocity along the pipeline

2.2 含水量的影響

不同油氣藏的儲氣構造、地質條件、自然條件、介質組成等因素是千變萬化的，因而適應這些因素的井場采氣與集氣流程也是多種多樣的，這也就造成了進入集氣管道濕天然氣中的含水量是不確定的。基于不同的采氣工藝，在集氣管道入口所在溫度和壓力條件下，進入集氣管道的濕氣可能會以未飽和、飽和或者過飽和的狀態呈現，伴隨管道沿線運行和壓力的降低，也必然會對積液的沉積和發展產生影響。這里對來料濕氣含水摩爾分數W為0.27%、0.87%、1.47%時的管道積液沉積與發展情況進行分析。基于多元物系的相平衡計算分析，在集氣管道入口溫度和壓力條件下，W=0.27%時濕氣處于未飽和狀態，而W=0.87%和W=1.47%時濕氣則均處于過飽和狀態。

圖5 為不同含水摩爾分數濕氣進入集氣管道后的管道積液沉積與發展情況。從圖5 可以看出，管道中的積液量隨濕氣中含水量的增加而增大。圖6為3 種不同含水摩爾分數濕氣中水-水蒸氣體系的相平衡曲線。從圖6 可以看出，濕氣中含水量越大，導致水相凝結析出的溫度和壓力范圍就越寬泛，伴隨管道沿線的溫度和壓力降低，液相就越容易析出，并在不同傾角的管道低洼處聚集，導致管道全線積液量增多。

圖5 含水量對管道積液的影響Fig.5 Effect of water content on pipeline liquid loading

圖6 濕氣中水-水蒸汽體系的相平衡曲線Fig.6 Phase equilibrium curve of water-steam system in wet natural gas

從圖5 中還可以看出，積液在管道中沉積直至達到穩定的持續時間隨著含水量的減小而延長，并且當濕氣處于過飽和態時，管道積液發展達到穩定所持續的時間是略有延長，初始含水摩爾分數為1.47%、0.87%的過飽和濕氣管道積液發展至穩定的時間分別為16.6 d 和24.6 d（減掉清管前穩態運行的3 d，下同），而初始含水摩爾分數為0.27%的未飽和濕氣管道積液發展至穩定的時間則達到了84.2 d。管道積液從發展直至穩定持續時間的快慢與管道積液在起伏地段的流動速度和質量交換快慢有關，當濕氣管道含水量較低尤其是處于未飽和狀態時，管道沿線積液的形成首先靠的是管道低洼地段的聚集作用，管道含水量越小，越難發生液相的凝結和聚集作用。為了更好地說明問題，這里僅給出W為0.27%、1.47%的未飽和、過飽和濕氣在管道后半程最大起伏管段（圖1）的下傾管上游和上傾管下游管截面的持液率隨運行時間的變化情況，分別如圖7 和圖8 所示。

圖7 最大起伏下傾管上游截面持液率變化Fig.7 Change of liquid holdup in upstream section of downdip tube with maximum fluctuation

圖8 最大起伏上傾管下游截面持液率變化Fig.8 Change of liquid holdup in downstream section of updip tube with maximum fluctuation

從圖7、圖8 中可以看出，無論是下傾管段還是上傾管段，在管道積液沉積最開始的一段時間里，管截面持液率比較穩定且波動較小，說明此時管道的下傾、上傾管段中持液率的形成主要以水蒸氣和重烴凝結成液滴與管壁碰撞聚集形成的分層流為主，并不斷地在管道的低洼處匯集；伴隨管道低洼處聚集的積液越來越多，液位開始升高，氣體的剪切應力作用使液面產生波動，當管線低洼處的液位到達一定高度時，基于Kelvin-Helmholtz 理論[11]，由于伯努利效應，在液面處氣體流速大而壓力低。與其他位置相比，液面波峰處部分壓能轉化成了動能，當壓力作用大于波浪所受的重力作用時，液面的波幅能夠到達管內頂部形成液橋，液橋阻塞了氣體的流動，隨即產生了液塞。液塞運動伴隨液塞頭部液膜的不斷卷吸和液塞尾部液膜的不斷脫落，受管道沿線地形起伏以及流體物性的影響，若液塞頭部的液膜卷吸速度小于液塞尾部的液膜脫落速度，則液塞會在管道中發生耗散[12]，液塞的形成以及耗散促成了積液在管道沿線的不同管段進行流動和質量交換。濕氣中含水越多，積液沉積的速率越快，管道形成段塞并進行質量交換的時間越短；濕氣中含水越少，積液沉積的速率越慢，管道形成段塞并進行質量交換的時間越長，即管道積液從發展到穩定所持續的時間越長。

2.3 運行壓力的影響

在保持管道輸量不變的條件下，通過約束集氣管道末端的壓力為40、26、15 bar，來分析不同的管道運行壓力對濕氣管道積液的影響。如圖9 所示，管道中的積液量隨著運行壓力的增大而增大，積液在管道中沉積直至達到穩定時的持續時間也隨著運行壓力的增大而逐漸延長，且增幅較大。管道運行壓力的增大，一方面使得濕氣更容易在多元物系相平衡中處于液相區范圍，使得積液在具有不同傾角的低洼管段聚集，造成管道積液量的增大；另一方面，不同的運行壓力造成濕氣在管道中的運行速度存在差異，為了更好地說明問題，這里僅給出集氣管道末端壓力為40 bar 和15 bar 時，在清管器到達集氣管道末端時管道沿線的氣體流速分布情況，如圖10 所示。從圖10 可以看出，在保持管道輸量不變的條件下，管道運行壓力越大，管道中氣體流速就越小，攜液進行流動以及質量交換能力就越弱，管道積液發展直到穩定的持續時間就越長。

圖9 運行壓力對管道積液的影響Fig.9 Effect of operating pressure on pipeline liquid loading

圖10 運行壓力對管道全線氣相流速的影響Fig.10 Effect of operating pressure on gas phase velocity along the pipeline

3 結論

（1）針對所研究的案例，受環境溫度、運行壓力、介質組成以及管道流速等因素的影響，濕天然氣管道輸送過程中，液相從凝結析出到發生沉積直至積液量達到穩定的時間往往會持續數天到數月不等。

（2）在其他操作條件不變的情況下，濕氣管道積液量隨著環境溫度的降低、運行壓力的增大以及含水量分數的增加而增加；管道積液發展持續的時間會隨著環境溫度的降低、含水量的減少以及管道流速的減小而延長；其中，含水量和管道流速是影響濕氣管道積液量以及發展持續時間的關鍵參數。