摘 要

摘　要：中國石油長慶油田子洲氣田公司西干線積液導(dǎo)致管輸效率低、能耗高、管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)壓力高，目前采取的頻繁清管措施，不但影響正常供氣，還存在著卡球、憋壓等風(fēng)險(xiǎn)，給安全生產(chǎn)帶來了

摘　要：中國石油長慶油田子洲氣田公司西干線積液導(dǎo)致管輸效率低、能耗高、管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)壓力高，目前采取的頻繁清管措施，不但影響正常供氣，還存在著卡球、憋壓等風(fēng)險(xiǎn)，給安全生產(chǎn)帶來了極大的隱患。為此，根據(jù)實(shí)際管線路由以及氣液兩相流理論，建立了適用于該氣田支干線的積液量計(jì)算數(shù)學(xué)模型，利用實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)、清管參數(shù)進(jìn)行模型的擬合和修正，得到西干線積液量與集氣量、集氣壓差的實(shí)用關(guān)系式。同時(shí)根據(jù)該氣田管線積液高含醇(體積分?jǐn)?shù)為35％)、高含凝析油(體積分?jǐn)?shù)為42％)的特點(diǎn)，研制開發(fā)了高抗醇、高抗油管道泡排劑UT-14，并進(jìn)行了藥劑排液試驗(yàn)。結(jié)果表明：試驗(yàn)前后管道進(jìn)出口壓差最多降低0.22MPa，排液效率超過33％，證實(shí)西干線積液實(shí)用公式的正確性和藥劑排液在復(fù)雜地表下集氣管線的適用性，可作為目前清管工藝的替代工藝，以確保集氣管線的連續(xù)、安全生產(chǎn)。該成果對提高起伏管線集輸效率、降低集輸能耗和清管風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：鄂爾多斯盆地  子洲氣田  西干線  管道積液  藥劑排液  數(shù)學(xué)模型  清管  壓力

Calculation of pipeline effusion quantity and foam discharging technologies in the West Trunk Line I of the Zizhou Gas Field．Ordos Basin

Abstract：In the West Trunk Line I(Trunk Line Xi-1)of the Zizhou Gas Field，Ordos Basin，pipeline effusion resuited in low efficiency of operation，high power consumption，and high pressure on each joint of this line．The present frequently-adopted pigging measures not only influenced the normal gas supply but posed a great potential risk in safe operation of pipelines because of the resulted unpiggable obstacles．In view of this，we built a mathematical model for calculating the pipeline effusion of Trunk Line Xi-1 as well as branch lines．Then，we applied the practical operation data and pigging parameters to fit and modify this model，thus to obtain the practical formula of pipeline effusion volume，gas collection quantity，and pressure drop．Simultaneously，according to the feature of high alcohol content(volume fraction of 35％)and high condensate。il(volume fraction of 42％)in the pipeline effusion of Trunk Line Xi-1，we researched and developed a foam discharging agent UT-14 and conducted the relevant experiments．The experiment results showed that the pressure drop between the inlet and outlet of pipes was reduced by 0.22MPa and the fluid diseharging efficiency was over 33％after this foam discharging agent was employed to Trunk Line Xi-l．In concIusion，the DroDosed formula is feasible and practical to calculate the pipeline effusion and the applicability of the developed foam discharging agent in Trunk Line Xi-1 under the complicated ground surface area．This study can avoid the frequent pigging operation in pipeline maintenance，ensure the continuous and safe operation of gather lines，and provide important reference for pipeline engineers or operators to improve the efficiency of ups and downs of pipelines，reduce the energy consumption，and mitigate the pigging risk．

Keywords：Ordos Basin，Zizhou Gas Field，Trunk Line Xi-1，pipeline effusion，foam discharging agent，mathematical model．pigging，pressure

鄂爾多斯盆地子洲氣田西干線是中國石油長慶油田公司第二采氣廠各集氣站產(chǎn)氣匯輸?shù)矫字烊粴馓幚韽S的一條主要干線，全長26.77km，管線外徑為355.6mm，管壁厚度為6.3mm，生產(chǎn)運(yùn)行過程中，由于場站分離效果、集氣參數(shù)變化等因素影響，天然氣凝析液和進(jìn)入管道的游離液相在管輸過程中無法完全帶出，在起伏管道低洼處形成積液，導(dǎo)致管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)壓力高，特別是冬季供氣高峰時(shí)期，個(gè)別集氣站外輸壓力超出6.00MPa。目前氣田支干線管道內(nèi)積液只能通過清管作業(yè)加以清除，頻繁清管，不但影響正常供氣，還存在著卡球、憋壓等風(fēng)險(xiǎn)，給安全生產(chǎn)帶來了極大的隱患。同時(shí)，管道積液給氣田集氣管道帶來內(nèi)腐蝕，增加能耗，嚴(yán)重影響集氣效率。

起伏管線積液問題在地勢復(fù)雜地區(qū)必將越來越突出，近年來國內(nèi)已有不少學(xué)者開始針對管路壓降損失的計(jì)算進(jìn)行研究^[1-2]，然而管內(nèi)積液問題很難得到真正解決。筆者探索子洲氣田西干線的積液機(jī)理和積液量計(jì)算實(shí)用關(guān)系式，創(chuàng)造性地開展了積液管道藥劑排液實(shí)踐，對于地處復(fù)雜地形氣田集輸系統(tǒng)的安全、高效運(yùn)行具有重要意義。

1　管道積液量計(jì)算

1．1　持液率分析

積液量計(jì)算的關(guān)鍵在于持液率的準(zhǔn)確計(jì)算，流體在管內(nèi)流動時(shí)，由于壓力和溫度的變化，流動情況復(fù)雜，會有各種流型的流動方式，需要判斷流型，選擇合適的壓降和持液率計(jì)算相關(guān)式。筆者采用組合模型進(jìn)行計(jì)算^[3-15]。

1)流型判別：上傾管路的流型判別采用Beggs Brill流型判別法，水平管路和下傾管路采用Mukerjee Brill流型判別法。

2)持液率相關(guān)式：水平管路的持液率利用Eaton持液率相關(guān)式計(jì)算，上傾管路的持液率利用Beggs Brill相關(guān)式修正Eaton相關(guān)式來計(jì)算，下傾管路利用Xiao Brill分層流相關(guān)式計(jì)算分層流持液率，利用Xiao Brill環(huán)狀流相關(guān)式計(jì)算環(huán)狀流持液率，利用Mukherjee—Brill模型持液率計(jì)算式計(jì)算段塞流和氣泡流的持液率。

3)壓降相關(guān)式：不管傾角范圍，計(jì)算摩阻壓降時(shí)，分層流利用Xiao Brill模型的分層流計(jì)算式計(jì)算壓降，環(huán)狀流利用Xiao Brill模型的環(huán)狀流計(jì)算式計(jì)算壓降，段塞流和氣泡流利用Mukherjee-Brill均相流模型計(jì)算壓降，高程壓降采用Flanigan相關(guān)式計(jì)算，忽略加速壓降。

4)溫降相關(guān)式采用黑油模型。

1．2　管道最大積液量計(jì)算

假設(shè)起伏管線每個(gè)低洼處剛好完全充滿積液，在管線正常集氣狀態(tài)下，積液一旦充滿低洼處將向下游推進(jìn)，積液過程是由上游至下游逐漸推進(jìn)的過程。管道最大積液量分析模型如圖1所示。

 

為了計(jì)算出管線低洼處的最大積液量，首先根據(jù)管線的路由數(shù)據(jù)擬合管線每個(gè)下凹段的曲率半徑(R)，假設(shè)其圓心為O(x0，y0)，圓弧上的離散采樣點(diǎn)(xi，yi)到O(x0，y0)距離的平方和最小，則由最小二乘法擬合各下凹段的曲率半徑及曲率中心的公式為：F(x0，y0，R)＝

 

式中x0為某個(gè)下凹段管線圓心在x軸坐標(biāo)值，m；xi為某個(gè)下凹段管線第i個(gè)離散點(diǎn)在x軸坐標(biāo)值，m；y0為某個(gè)下凹段管線圓心在y軸坐標(biāo)值，m；yi為某個(gè)下凹段管線第i個(gè)離散點(diǎn)在y軸坐標(biāo)值，m。

由此得到每個(gè)下凹曲管段的曲率中心和半徑計(jì)算式為：

 

 

式中N為參與擬合計(jì)算的特征點(diǎn)的個(gè)數(shù)，其他參數(shù)計(jì)算式如下：

 

由圖1可知，管道橫截面液相面積(S)隨管道圓心角(a)變化而不斷變化，當(dāng)管道圓心角增加后管道橫截面持液面圓心角(q)增加dq，運(yùn)用積分相關(guān)定理計(jì)算單段管道的微弧長為dL＝Rda，微面積為

 

當(dāng)管道弧長(L)在0®l之間變化，管道橫截面液面圓心角在0®a之間變化，從而得單段管道積液量計(jì)算式為：

 

式中Vi為單段下凹管道積液量，m³；a為管道橫截面液面最大圓心角度，(°)；i為某個(gè)下凹段管線積液段處最大圓心角度；S為管道橫截面液相面積，m²；L為某個(gè)下凹段管線積液段處弧長，m；q為管道橫截面液面圓心角；ri為管道橫截面圓半徑，m；a為某個(gè)下凹段管線積液段處圓心角。

由式(5)一次計(jì)算出每個(gè)下凹處的積液后，則可以得出起伏管線的最大積液量(Vmax)為：

 

1．3　給定工況的積液量計(jì)算

在給定集氣管線運(yùn)行參數(shù)下，利用持液率分析理論，計(jì)算出起伏管路沿程每段入口和出口的持液率，則管內(nèi)積液量可由下式計(jì)算。

 

式中Lx為管線距離入口長度，m；QLx為距入口Lx的管段內(nèi)總積液量；M為管線下凹管段數(shù)；HL為持液率；A為管截面積，m²。

天然氣凝析水含量利用諸林等人的計(jì)算公式計(jì)算^[16]。

1．4　西干線積液量實(shí)用公式

根據(jù)上述積液量計(jì)算理論，分析西干線不同集氣量下的流型、沿程的流體壓力、溫度、持液率、流速、凝析液量等的變化規(guī)律，計(jì)算給定運(yùn)行工況下管線的積液量，根據(jù)西干線最大積液量、清管數(shù)據(jù)和實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬修正，得到西干線不同壓差和集氣量下的管線積液量的關(guān)系(圖2)。

 

由圖2可見，給定集氣量下，集氣壓差越大，積液量越大，在相同集氣壓差下，集氣量越大，積液量越小，因?yàn)檩敋饬吭酱螅Σ翐p失越大，由積液導(dǎo)致的壓損越小，根據(jù)模擬分析，擬合出積液量與集氣量和集氣壓差之間的關(guān)系式。

QL＝A×Qg⁴+B×Qg³+C×Qg²+D×Qg+E       (8)

式中系數(shù)A、B、C、D、E的值見表1。

 

2　高抗醇、抗油管道泡排劑研制

目前國內(nèi)外所使用的泡沫劑為了減少礦化度、溫度對其排液效果的影響，基本上采用陰離子表面活性劑^[17]，由于西干線管線積液(表2)中有大量的甲醇和凝析油，其為擴(kuò)散能力很強(qiáng)的低分子量物質(zhì)，它的存在將加快泡排劑泡沫表面的排液速度，使得泡排劑產(chǎn)生的泡沫極不穩(wěn)定，很容易破滅。為此，對管線泡沫排水劑配方研究從以下兩方面進(jìn)行：①為了消除甲醇對發(fā)泡劑泡沫穩(wěn)定性的影響，對活性劑進(jìn)行篩選，選用泡沫壁相對較厚且泡沫形狀呈菱形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的活性劑作為泡沫排水劑的發(fā)泡成分，并且加入增溶劑，以增大活性劑在配方中的溶解度，使得配方中有效發(fā)泡成分大大增加，以消除抗凍劑對泡沫排水劑發(fā)泡、帶液能力的影響；②在發(fā)泡劑分子上引入羧基基團(tuán)，讓這種網(wǎng)狀基團(tuán)阻礙或減慢甲醇這類擴(kuò)散劑分子侵入發(fā)泡劑泡沫表面，減慢或消除甲醇對發(fā)泡劑泡沫排液的影響。取西干線清管的水樣，通過系列室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，研制出管道高抗醇、抗油的管道泡排劑UT-14，3種活性劑(a：油患子精華素；b：聚乙二醇；c：三乙醇胺)的最佳配制比例為：a：b：c＝10：4：1，其發(fā)泡能力(泡沫高度)達(dá)到150mm，5min后也能保持在120mm。參照泡排劑評價(jià)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，開展常規(guī)泡排劑與新研制泡排劑UT-14對比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3，由此叮以看出，管道泡排劑UT-14抗醇、抗油能力較好，現(xiàn)場使用濃度(體積分?jǐn)?shù))為3.00‰～5.00‰，該濃度泡排劑加注后不會對下游分離沒備、管線造成影響。

 

3　管道排液試驗(yàn)及效果評價(jià)

3．1　管道泡排試驗(yàn)

在西干線100×10⁴m³/d、150×10⁴m³/d、200×10⁴m³/d不同氣量下進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，在一周期試驗(yàn)結(jié)束壓差下降后，持續(xù)生產(chǎn)一段時(shí)間管線進(jìn)出口壓差回升時(shí)，繼續(xù)注入泡排劑，如此反得周期性注入，探索泡排劑作用周期，形成給定氣量下的泡排劑加注制度。試驗(yàn)前，利用上述管道積液量計(jì)算理論計(jì)算西干線給定氣量、壓差下積液量，根據(jù)泡排劑室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的加注深度，計(jì)算出的理論注入量，實(shí)驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果見表4.

 

3．2　西干線泡排試驗(yàn)效果評價(jià)

根據(jù)西干線泡排實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，評價(jià)泡排前后的壓差和排液效果變化，試驗(yàn)壓降和攜液結(jié)果見表5。從表5可以看出：①隨著泡排劑的注入，輸送壓差總體呈現(xiàn)下降趨勢，如果實(shí)際注入量小于理論注入量，則導(dǎo)致降壓效果不佳；②在相同集氣量下，注入泡排劑量越大，壓降效果越顯著；③在相同的泡排劑注入量下，壓降與集氣量密切相關(guān)，在100×10⁴m³集氣量下，壓降為0.22MPa，集氣量為150×10⁴m³時(shí)，最大壓降為0.20MPa，在200×10⁴m³集氣量下，最大壓降為0.11MPa，分析認(rèn)為集氣量大，氣流速度快，泡排劑與積液的作用時(shí)間短，進(jìn)一步優(yōu)化注入量與集氣量、注入時(shí)間及注入制度之間的關(guān)系，確保泡排劑與積液的充分作用，以進(jìn)一步提高泡排效果。

 

整理子洲氣田天然氣處理廠2012和2013年1—10月西干線產(chǎn)液數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析(圖3)，泡排措施之前下游天然氣處理廠液量變化較小，增液指標(biāo)在較小幅度內(nèi)正常波動，在泡排期產(chǎn)液量均有所增加，部分時(shí)段泡排后立即見效，部分時(shí)間發(fā)生在泡排后的1～2天內(nèi)，分析認(rèn)為與泡排區(qū)段內(nèi)管線的氣量波動、積液狀況等相關(guān)。

 

藥劑試驗(yàn)結(jié)果和分析評價(jià)表明，管道泡排劑UT-14在子洲氣田西干線現(xiàn)場應(yīng)用效果明顯，滿足了高含凝少數(shù)入油和甲醇管道泡沫排液的需要，證明擬合的積液量計(jì)算公式適用于西干線。通過泡排，減小集氣壓差，降低集輸能耗，保障了管線的穩(wěn)定集氣，同時(shí)泡排清除積液工藝確保集氣管線的連續(xù)和安全生產(chǎn)，不存在常規(guī)清管工藝中段塞流、卡堵等風(fēng)險(xiǎn)，可以作為現(xiàn)有清管技術(shù)的替代工藝，避免常規(guī)清管工藝的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

4　結(jié)論

1)在利用組合模型計(jì)算持液率的基礎(chǔ)上，根據(jù)西干線生產(chǎn)數(shù)據(jù)和清管數(shù)據(jù)，擬合的積液量與集氣量、集氣壓差之間實(shí)用關(guān)系式適用于西干線。

2)根據(jù)子洲氣田管線積液性質(zhì)，研發(fā)了高抗醇、抗油的管道泡排劑UT-14，現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明是有效的。

3)將成熟的井下泡沫排水采氣工藝用于解決復(fù)雜地表管線積液問題是成功的，可以作為目前清管工藝的替代工藝，建議進(jìn)一步進(jìn)行泡排劑加注制度的優(yōu)化，以提高藥劑排液效果。

 

參考文獻(xiàn)

[1]熊鋼，吳文莉，計(jì)維安，等．淺析酸性天然氣集輸管道失效特性[J]．石油與天然氣化工，2012，41(1)：99-101．

XIONG Gang，WU Wenli，JI Wei’an，et al，Failure analysis of sour natural gas gathering and transportation pipeline[J]．Chemical Engineering of Oil&Gas，2012，41(1)：99-101．

[2]王妍艽，林宗虎．丘陵地形對油氣兩相流動特性影響的實(shí)驗(yàn)研究[R]．北京：中國科學(xué)協(xié)術(shù)協(xié)會，2000．

WANG Yanpeng，LIN Zonghu．Experimental study on the effects on characteristics of two phase flow of oil and gas in hilly terrain[R]．Beijin9：China Association for Science and Technology，2000．

[3]呂宇玲，杜勝偉，何利民，等．氣液兩相流持液率及壓降特性 的試驗(yàn)研究[J]．油氣儲運(yùn)，2006，25(3)：48-51．

LYU Yuling，DU Shengwei，HE gimin，et al．Study on the characteristics parameters of gas-liquid two phase flow[J]．Oil&Gas Storage and Transportation，2006，25(3)：48-51.

[4]薛成剛．水平與微傾斜兩相段塞流中持液率計(jì)算新方法[J]．國外油田工程，2001，17(2)：13-15．

XUE Chenggang．A new method to calculate the rate of liquid in horizontal and micro-inclined two-phase slug flow[J]．Foreign Oilfield Engineerin9，2001，17(2)：13-15．

[5]BEGGS H D，BRILL J P．A study of two phase flow in inclined pipes[J]．Journal of Petroleum Technology，1973，25(5)：607-617．

[6]MUKHERJEE H，BRILL J P．I，iquid holdup correlations for inclined two phase flow[J]．Journal of Petroleum Technology，1983，35(5)：1003-1008．

[7]喻西崇，馮叔初．起伏多相管流壓降計(jì)算方法的研究[J]．油氣田地面工程，2000，19(5)：1-2．

　　YU Xichong,FENG Shuchu.Research in calculation metyod of downs multiphase pipe flow pressure drop[J].Oil-Gasfield Surface Engineering,2000,19(5)：1-2.

[8]嚴(yán)旭，孫剛．積分模型求解管道兩相流壓降[J]．油氣儲運(yùn)，2008，27(2)：7-12．

YAN Xu，SUN Gang．Pressure drop calculation of two phase flow in pipeline with integral model[J]．Oil＆．Gas Storage and Transportation，2008，27(2)：7-12．

[9]齊建波，羅麗華，董平省，等．基于雙流體模型的管內(nèi)氣液兩相流穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法[J]．油氣儲運(yùn)，2009，28(2)：46-49．

QI Jianbo，LUO Lihua，DONG Pingsheng，et al．Steady calculation model of gas-liquid two-phase flow based on two-fluid model of pipe[J]．Oil&Gas Storage and Trans portation，2009，28(2)：46-49．

[10]GOULD T L．Compositional two-phase flow in pipelines[J]．Journal of Petroleum Technology，1979，31(3)：373-384．

[11]MANABE R，TOCHIKAWA T，TSUKUDA M，et al．Experimental and modeling studies of two-phase flow in pipelines[J]．SPE Production＆．Facilities，l997，l2(4)：212-217．

[12]ANSARI A M，SYl．VESTER N D，SARlCA C，et al．A comprehensive mechanistic model for upward two phase flow in wellbores[J]．SPE Production&Facilities，1994，9(2)：143-l52．

[13]喻西崇，趙金洲，馮叔初．起伏多相流管路持液率計(jì)算方法研究[J]．西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，22(3)：94-97．

YU Xichong，ZHAO Jinzhou，FENG Shuchu．The prediction method of holdup in undulated multiphase pipelines[J]．Journal of Southwest Petroleum University，2000，22(3)：94-97．

[14]孫媛媛．復(fù)雜地表?xiàng)l件下天然氣集輸管線積液規(guī)律研究[D]．青島：中國石油大學(xué)，2010．

SUN Yuanyuan．Study of liquid loading in natural gas gathering line on complex ground condition[D]．Qingdao：China University of Petroleum，2010．

[15]張友波，李長俊，張靜．多相管流中壓降和持液率的影響因素分析[J]．河南石油，2005，19(2)：55-57．

ZHANG Youbo，LT Changjun,ZHANG Jing．Analysis of influential factors of drawdown and liquid holdup in multiphase conduit flow[J]．Petroleum Geology and Engineering，2005，19(2)：55-57．

[16]諸林，白劍，王治紅．天然氣含水量的公式化計(jì)算方法[J]．天然氣工業(yè)，2003，23(3)：118-120．

ZHU Lin，BAI Jian，WANG Zhihong．Formulated ealeulation method of water content in natural gas[J]．Natural Gas Industry，2003，23(3)：118-120．

[17]詹姆斯·利，亨利·尼肯斯，邁克爾·韋爾斯．氣井排水采氣[M]．何順利，顧岱鴻，田樹寶，等，譯．北京：石油工業(yè)出版社，2009．

LEE J，NIKENSI H，WELLS M．Gas well deliquification[M]．HE Shunli，GU Daihong，TIAN Shubao，et al.trans Beijing：Petroleum Industry Press,2009.

 

 

本文作者：解永剛  胡均志  周繼勇  常霞

作者單位：中國石油長慶油田公司第二采氣廠