蘇里格氣田集輸管道段塞流的動態預測

王熒光，鄧玉明，秦芳晨，孔冬梅，裴巧卉

（中油遼河工程有限公司，遼寧盤錦 124010）

蘇里格氣田集輸管道段塞流的動態預測

王熒光，鄧玉明，秦芳晨，孔冬梅，裴巧卉

（中油遼河工程有限公司，遼寧盤錦 124010）

蘇里格氣田地面環境惡劣，由于地形起伏變化較大，在集輸管道中極易形成段塞流，造成管路的不穩定振動。如何準確預測管道系統段塞流的形成對高效開發蘇里格氣田具有非常重要的意義。現采用TACITE軟件對蘇-10井區集氣閥組管道的正常投產和通球情況下的段塞流進行預測，并采用PIPEFLO軟件對其結果進行驗證，結果表明：TACITE計算結果比PIPEFLO計算結果較保守。經預測，在蘇-10井區由于地形變化大產生了地形段塞流，流體在流動過程中流型等流動特性發生了變化。流體經上凹肘部時會產生段塞積液，引起不穩定的振動現象，導致液體出流；流體經上凸肘部時，由于流動特性變化，段塞流可能存在或消失。在通球過程中，由于清管器的運行，使管道各點出現超高壓力值，應引起注意。

TACITE軟件；PIPEFLO軟件；段塞流；清管；動態預測；蘇里格氣田

0 引言

蘇里格氣田位于長慶靖邊氣田西北側的蘇里格廟地區，是本世紀初我國新發現的第一個世界級整裝大氣田，累計探明儲量7×1011m3。該區域處于毛烏素沙漠的南部，地勢由西北向東南逐漸傾斜，地形起伏大，集輸管道中的水平管段和上升管段易產生段塞流。段塞流的產生容易使多相流體管路出現不穩定的振動、斷流或分離器溢流。嚴重段塞流的產生還會使管段流量和壓降急劇變化，該變化往往造成下游設備的關閉、停產甚至毀壞[1]。因此，開展管道內流體瞬態變化和清管操作時流體特性的研究有利于蘇里格氣田地面建設管道和設備的設計與操作。

目前，段塞流的預測一般采用兩種方法：一種方法是采用經驗相關式進行段塞流的模擬，找出段塞的形成區域，采用該種方法的軟件有PIPESIM、PIPEPHASE、PIPEFLO等。該方法效率較高，計算相對簡單，但通用性差，計算精度不理想。另外一種方法是通過建立獨立力學模型對段塞流進行嚴格的計算，這類應用較廣泛的軟件有PeTra、TACITE、OLGA和TUFFP。PeTra雖然首次采用拉格朗日算法，能夠預測段塞流開頭與段塞流尾的流動情況，但由于PeTra軟件沒有包括能量方程，因此沒有考慮與溫度相關的問題[2]；TACITE、OLGA和TUFFP模擬的結果可與實驗數據有較好的匹配，其中OLGA和TACITE可對大半徑的長輸管道進行真實的瞬態流動模擬，而TACITE比OLGA更加準確[3-4]。

此外，近年來對段塞流的工程預測多集中在嚴重段塞流的預測上，盡管嚴重段塞所表現出來的周期性與地形段塞相似，但是對受上下游流體條件變化影響的地形段塞流的預測與分析更加復雜。現采用TACITE軟件對蘇里格氣田蘇-10井區地面建設工程在正常投產和通球情況下集氣閥組管道地形段塞流進行瞬態預測，并采用PIPEFLO軟件對計算結果進行驗證。

1 TACITE多相流模型

1.1 TACITE流體動力學模型

TACITE模型是一種漂移流動模型，該模型分解為4個守恒聯立方程式[5]。

TACITE通過一個取決于流動狀態穩態閉合關系的曲線來恢復有關相間滑脫的遺漏信息[6]，為了確定相態，假設每種狀態都是兩個基本方式的空間與時間的結合，即分離流動 （層狀流和環狀流）和分散流動方式。間歇流動便可以看作是這兩個基本方式的結合，并且通過分離流的比率β=1來確保閉合規律的連續性。因此，該模型的獨創性就在于：動力方程組確保了模型在整個流動狀態轉換期間的連續性；閉合定律對坡度和流體特性來說保持其連續性；建立了在被計算的變量連續性基礎上的流動方式轉換理論。

1.2 TACITE流體熱力學模型

TACITE含有最優化的完整的熱力學閃蒸計算方法，可保證對給定組分的相性質和相平衡計算的可靠性。該閃蒸算式使油—氣—水三相平衡計算更加準確。TACITE計算時間會隨著跟蹤組分數量的增加而增加許多，因此當采用TACITE計算時，實際上不是以定義的實際組分進行模擬，而是首先將流體組分分成N個虛擬組分，再估計虛擬組分的性質，最后在適當的溫度壓力范圍內將虛擬組分的性質加以優化，用虛擬組分的性質 （如優化的流體密度和蒸汽質量分數）來替代初始組分的多種性質。采用產生的虛擬組分來進行模擬，這樣可以減少組分的數量，保證流體性質模擬的準確性。對于設定的虛擬組分的最佳分餾界限應該使蒸汽質量分數或狀態參數方程的目標函數最小化，這種方法是首次在TACITE中加以應用。該二進位表示法對于標準流體模擬是很準確的[7]。

1.3 TACITE流體熱傳遞模擬

TACITE軟件有4種熱傳遞模擬方法：一是使用自己定義的流體溫度梯度；二是采用穩態計算得到的溫度梯度；三是瞬時熱傳遞，即假設在特定的位置徑向熱傳遞速率比連續的穩態徑向溫度場的傳遞速率快；四是包括各層間慣性的瞬時熱傳遞，即假定由于管道及保溫材料的熱容量的有限性使徑向熱傳遞比瞬時溫度場的傳遞速度快。

1.4 TACITE數值格式

該數值格式所采用的守恒方程形式如下：

式中W——守恒變量；

t——時間；

F——流量；

x——坐標；

S——源項。

該方程是一個非線性雙曲型組，在迭代循環中和沿管道單元有較好的質量和能量平衡，同時該方程也是非耗散型的，可以確保有較好的正面跟蹤能力。在段塞流發生時空隙率波會向兩個方向擴展，這樣采用顯隱式混合格式來優化計算速度和正面跟蹤能力以預測段塞流便顯得十分重要了。

2 段塞流的動態預測

2.1 天然氣典型組成

鄂爾多斯盆地上古生界天然氣的生氣源巖主要為石炭～二疊系煤系地層，物理性質相對穩定。其物理組成為：甲烷平均含量92.50%，乙烷平均含量4.525%，CO2平均含量0.779%，不含H2S，相對密度0.6037；凝析油含量很低，介于2.15～4.93g/m3之間，生產氣油比介于159396.83～364125.45m3/m3之間。具體組分見表1。

表1 蘇里格氣田天然氣典型組成

2.2 TACITE虛擬組分的生成

TACITE程序將天然氣組分的液體密度和氣體質量分數進行優化。圖1~3分別列出了真實組分與虛擬組分的物性對比圖。可見通過TACITE計算將天然組分分成2個或3個虛擬組分時，組分的物性優化較差，而分成5個虛擬組分時，優化的物性較接近實際組分，7個虛擬組分有更好的優化結果。因此，考慮到計算的準確性和計算時間，TACITE程序將蘇里格氣田的10個天然氣組分分成7個虛擬組分。

2.3 段塞流的TACITE模擬

為了保證工程實際運行，計算采用較苛刻的邊界條件，具體數據如下：管道規格D 273.1 mm×5.2 mm；粗糙度為0.08 mm；標準工況下天然氣輸量為Qg=22.5×104m3/a；含水量為5×10-4m3/m3；管道總長L=7 600 m；管道埋地敷設，管頂埋深1.5 m；環境溫度取0℃，集氣閥組起點溫度為5℃;壓力為800 kPa。地形起伏多相流管道由75個起伏點和74段起伏管段組成 （見圖4），收發球筒位于管道首端與末端。穩態時間100 s，正常投產計算時間7 500 s，通球計算時間2 000 s，發球起始時間20 s。從該圖可見TACITE計算出的主要段塞流位置，同PIPEFLO計算的段塞流位置115.4、810、1 000.19、 1 500.25、 1 585.96、 3 933.76、 4 451.80、5 884.95、7 349.95 m相接近。表2為兩種軟件計算結果的對比舉例。

表2 TACITE和PIPEFLO軟件計算結果對比

2.3.1 正常投產段塞流預測

圖5列出了不同時刻沿管道變化的流型圖，

通過比較可以看出，兩種軟件計算結果比較接近，而TACITE計算的段塞流長度和總持液量要比PIPEFLO的大10%以上，可見該軟件的計算結果較保守，可較安全地應用于實際工程。同時表明該管道的段塞流量較小。

由圖6可見在 200、1 100、2 500、4 300、6 000、7 000 m出現了較大的壓力變化，結合圖4可見這些壓力變化較大的位置均出現在極易產生段塞的地形起伏較大的上升管段和下降管段的凹凸結合處。

圖7和圖8為流量瞬時變化曲線，從中可以看出在出現地形段塞流的位置，氣體與液體流量隨時間發生了較大的變化。液體流量在零上下變化，而氣體流率穩定在2.7 kg/s左右。值得注意的是液體在不同時刻產生了倒流現象，具有負流量，這是地形段塞的一個重要特征。

對于圖4中a點所示流體，流經上凸肘部后在重力作用下不斷脫落液體，導致段塞流長度變短。在少數特殊情況下，段塞流在肘部會完全消失，轉換成分層流。即使段塞流沒有完全消失，在接下來的下降段流動中，段塞流在重力的作用下不斷脫落到尾部膜區，長度會逐漸減小。如果下降段足夠長，或流速較低時，段塞流仍可能最終消失而產生分層流動，從圖5中可以明顯看到段塞流與分層流之間的轉換過程。然而，一旦段塞流成功地通過下游段，它將最終在下游的水平段中穩定下來[8-10]。

對于圖4中b點所示流體，一種情況是流經下凹肘部時流體的流動方向發生了變化，重力對流體的作用發生改變，使液體的流速減小，部分液體堆積在肘部，穩定的段塞流流經肘部時會拾起從前一個段塞流脫落并堆積在尾部膜區的液體，使段塞流長度增加。由于流動方向的改變，肘部兩相流體之間的相互作用增強，許多小氣泡被捕獲在段塞流中，段塞流的平均含液率會降低，從而導致段塞流的長度進一步增加。隨著傾角的增加，重力的作用更明顯。另一種情況是當流體流過下凹肘部時，將產生新的段塞流，即地形段塞流，它是由于管道布置因地形變化產生的，這種情況主要出現在來流是分層流或流速較低的段塞流。將來流作為分層流進行分析，因來流速度低，且油的黏度大，流動阻力也大，液體流到肘部不再往上流動或非常緩慢，液體堆積在肘部，但上游不斷有液體提供，肘部液體越積越多。當堆積在管段下凹肘部的液體接觸到管道的上表面時，一個液柱便立即產生。該液柱在上游不斷增加的氣體壓力推動下提升液位，進而導致重位壓頭的增加。當液柱尾部截面超過下凹肘部的最低點時，液柱的重位壓頭不再增加，所形成的段塞流被帶入下游，地形段塞流產生。這種段塞的長度都比較短，其長度小于穩定長度的最小值，很不穩定，并且很容易充入氣體。在管段的下凹處，當液體堆積在管段下凹處并且接觸到管道的上表面時，地形段塞流便立即產生。然而，并不是每一個地形段塞流都能長到足夠大，變成熟并最終穩定下來的，大部分地形段塞流在以后上升段短的距離流動中衰減下來，而只有少量的地形段塞流才能生存下來流進下游的水平段。即便如此，這些暫時生存下來的地形段塞流是否能在進一步的下游中生存也是不確定的[11-14]。

從圖8的液相體積分數變化曲線可看出，在段塞流發生的地方液相體積分數突然增加，并且與壓力、流量具有相同的變化趨勢，即在這些地方發生了液體堆積。

2.3.2 通球情況段塞流的預測

表3為TACITE和PIPEFLO軟件對通球工況的計算結果。

表3 TACITE和PIPEFLO軟件通球工況計算結果對比

通過比較可看到，TACITE與PIPEFLO計算的通球時間和流體類型都較接近，但TACITE計算的系統恢復穩態時間要比PIPEFLO短得多，這可能是由于計算方法不同所致。同時在正常投產與通球狀態下流型的變化主要是由于通球過程影響流體正常流動造成的。

圖9顯示出了壓力與液體流量隨時間變化趨勢。

當清管器進入管道后，流動阻力使清管器上游氣體被壓縮，從而使入口起始壓力出現短暫升高；在清管器開始運動后，入口處壓力逐漸恢復到新的穩態，而在管道其他位置，在清管器進入管道后流體暫時中斷導致流體出現短暫的停滯，各點壓力開始下降，直到通球過程中液體到達壓降下降各點，壓力才開始逐漸升高；而當清管器通過各點后，在清管器后部一段時間沒有液體存在，清管器經過后的各點壓力幾乎相同；通球結束后，各處壓力又重新回到了新的穩態[15]。液體流量變化主要是由于清管器在經過管道時，段塞液體連續被清管器收集到一起，使各處液體流量出現短期急劇增大現象，待清管器通過各積液點后，由于積液被清管器帶走，使得一段時間內液體流量為零。

3 結論

通過采用TACITE軟件對蘇里格正常投產和通球情況下段塞流進行預測，可知：

（1） TACITE軟件可以動態地預測集輸管道的段塞流形成及相關參數，以指導工程技術人員采取相應的措施來避免或緩解段塞流的形成。

（2）采取數量恰當的虛擬組分以使虛擬流體物性接近實際流體是模擬準確的前提。TACITE軟件與PIPEFLO軟件計算結果較接近，相對來說TACITE軟件的計算結果較保守，可較安全地應用到實際工程，兩種軟件在流型預測上有一定的差別。

（3）在蘇-10井區正常投產情況下，由于地形影響，在流體經過下管道凹肘部時會產生積液，產生了在分層流與段塞流之間進行轉化的地形段塞。新的段塞流在流速、重力、管道長度和傾角等特性的交互影響下，在管道的下游消失或穩定存在下去；在流體經過上凸肘部時，下游段塞流與原有段塞流的流動特性發生變化。由此可見地形變化對流型變化和段塞流的大小有顯著影響，掌握該規律對工程設計與現場施工具有一定指導作用。

（4）在通球狀態下，清管器的運動使流型較正常投產情況發生變化，同時清管器的運動和收集液體的增加，使管道各點壓力依次達到遠超過穩態值的一個高峰值，對該現象應給予高度重視。

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Dynamic Prediction for Slug Flow of Gas Gathering Pipelines in Sulige Gas Field

WANG Yin-guang（PetroChina Liaohe Petroleum Engineering Co.,Ltd.,Panjin 124010,China）,DENG Yue-ming,QIN Fang-chen,et al.

Since the terrain changes rapidly in Sulige gas field,it is easy to generate terrain-induced slug flow leading to vibration in gas gathering pipelines.Therefore it is very important for the development of Sulige Gas Field to predict the slug flow and optimize the gas gathering pipelines and facilities downstream.The software TACITE was used to simulate slug flow modeling of gas gathering pipeline with valves in the phases of typical production and pigging operation at Sulige 10 Block.And the results were validated by the software PIPEFLO.The dynamic prediction shows that the results from TACITE are conservative than those from PIPEFLO.The simultaneous presence of gas and liquid flowing in pipeline with several uphill and downhill sections at Sulige 10 Block leads to the formation of terrain-induced slugging,which results in the transformation of flow characteristics （i.e.flow pattern）;Liquid tends to build up at the lowest points of the pipeline,until it is forced onward through the rest of the pipeline by the pressure of the gas caught behind;Slugs from an upward inclined section can be carried over to downward inclined section after passing a top elbow,and the slug flow would exist or dissipate owing to change of flow characteristics.In pigging operation,pressures in the pipeline exceed normal value owing to the pig moving,that should be attached importance.

software TACITE；software PIPEFLO;slug flow;pigging;dynamic prediction;Sulige Gas Field

TE86

A

1001－2206（2011）04－0001－06

王熒光 （1979-），男，滿族，遼寧撫順人，工程師，2005年畢業于遼寧石油化工大學設計化學工程與工藝專業，碩士，現主要從事石油天然氣地面工程及研究工作。

2010-08-18；

2011-05-26