壓力波法跟蹤泡沫清管器

牛殿國 李興濤 張 聰 陳泳何

1.中國石油天然氣勘探開發公司，北京 100034；2.中國石油天然氣管道局投產運行公司，河北 廊坊 065000

0 前言

管道的輸送效率和使用壽命很大程度上取決于管道內壁和內部的清潔狀況，輸送含蠟原油不可避免地帶來結蠟問題，結蠟將減少管路的有效流通截面，增大管壁粗糙度及輸送阻力，降低輸送能力，同時還會使管道停輸后造成再啟動困難，嚴重時甚至堵管［1-3］。為解決以上問題，需對管道內部和內壁進行清掃。對于結蠟嚴重的原油管道，采用機械式清管器清管，可能會產生卡球事故，因此，在放入機械清管器之前，可先放入較小直徑的泡沫清管器進行試探性清管作業。泡沫清管器卡堵時可利用高壓力打爆，故泡沫清管器不允許使用跟蹤器，不易掌握其具體行進位置。對于天然氣管道，吳曉南等人［4］曾建立了管道清管器運動的瞬態模型，深入研究輸油管道中泡沫清管器的跟蹤技術，對管線安全清管作業以及制定合理的清管輸油方案具有一定的指導意義。本文將以非洲乍得原油管道為例，給出高含蠟原油管道清管過程中，采用壓力波傳播至各采壓點的時間差對泡沫清管器進行跟蹤的方法，掌握泡沫清管器的運行動態，提前做好卡球及收球應對方案，并適時調整輸油方案，保障順利接收泡沫清管器。

1 工程簡介

乍得原油管道線路全長311 km，設計壓力為10MPa，管徑為406.4mm，管道壁厚為7.1mm。該工程設首站IS1座，末站TS1座及RTU閥室3座即是BV1、BV2、BV5，可對管輸壓力、油品溫度及地溫進行數據采集。各站場與閥室之間的距離見表1。

表1 各站場與閥室之間的距離 km

該管道所輸原油為高黏、高凝、高含蠟原油，蠟含量18.5%，凝點30℃。自2011年投產以來，由于乍得當地油品需求較少，輸量一直較低，加上雨季及冬季，地溫低，進行清管作業風險大。隨著煉廠原油銷售量的增加，原油輸量達到清管要求，選擇在地溫較高的旱季進行清管作業。由于長時間未進行清管作業，管道內積蠟嚴重，不敢采取機械清管器進行清管，故采用管徑為350mm的泡沫清管器進行首次通球清管。

2 研究內容

2.1 研究方法

2.1.1 輸油管道壓力波速度

輸油管道內的壓力波傳播速度取決于原油可壓縮性和管道彈性。原油可壓縮性越大，管道彈性越大，壓力波的波速就越低。管道的彈性與管材、管道幾何尺寸和管道約束條件有關。式（1）給出了薄壁管道（內徑/壁厚>25）壓力波傳播速度公式［5］。

式中：a為壓力波傳播速度，m/s；K為液體體積彈性系數，Pa；ρ為液體密度，kg/m3；E為管材彈性模量，Pa；D為管內徑，m；δ為管壁厚度，m；C1為管子約束系數，對于埋地管道，C1=1-μ2，μ為管材泊松系數。

圖1 管道啟動過程中壓力波傳播

利用式（1）并結合原油物性及各系數實驗值，可得到該原油的壓力波的波速為1 122m/s。

圖1給出了該管道在啟動過程中壓力波傳播到各壓力采集點的時間。由圖1可以得出，在91 s首站IS出站壓力出現波動 （A點），隨后在121 s時BV1出現壓力波動（B點），在124 s BV2出現壓力波動（C點），BV5壓力波動發生在232 s（D點），壓力波傳播到末站TS的時間點為368 s（E點）。根據首站IS與BV1之間的站間距，可得出首站壓力波傳到BV1的速度為1 100m/s，BV2至BV5壓力波速度為1 130m/s，BV5至末站TS壓力波速度為1 118m/s。由于壓力波傳播速度較快，BV1至BV2距離只有3 km，所以計算誤差較大。可以看出BV2至BV5之間壓力波速度要比其他位置快，這主要是因為BV2至BV5管段之間管道內的結蠟較嚴重造成的。

2.1.2 泡沫清管器跟蹤方法

原油管道由于長期未進行清管作業，管內積蠟較多，并且在日常運行過程中末站過濾器經常發生堵塞現象，這說明管道內壁結蠟已達到飽和狀態。飽和狀態的結蠟層厚度不等且不均勻分布［6-7］，會在某些地方產生突起，某些部分則較平滑，見圖2。在使用泡沫清管器進行清管作業的過程中，泡沫清管器在管道內并不隨著油流勻速運動，當遇到蠟層突起，會使得泡沫清管器前進的阻力增大，導致泡沫清管器后部的壓力p1增大，前部壓力p2降低，增壓波傳至管道上游，減壓波傳至管道下游。管道內原油在p1處累計，p1與p2的壓力差逐漸增大，當前后壓力差能夠克服蠟層突起造成的阻力時，泡沫清管器就會前進，造成p1壓力迅速降低，p2壓力迅速上升，從而會對泡沫清管器上游管道產生減壓波，對下游管道產生增壓波。

圖2 泡沫清管器管內流動示意圖

利用增壓波與減壓波傳遞到不同采壓點的時間差對泡沫清管器的位置進行計算，見圖3。已知兩個壓力采集點的距離為L，壓力波速度為V，假設蠟層突起距離pa的距離為X，則蠟層突起距離pb的距離為L-X，壓力波傳遞到pa與pb的時間差為dt。則由圖3可以得到：

由式（2）可以求解得到泡沫清管器距離上游壓力采集點的距離為：

圖3 泡沫清管器位置計算示意圖

2.2 模型驗證

通過對泡沫清管器清管過程中采壓點壓力波動的跟蹤，得到典型的由于蠟層突起造成的采壓點壓力波動隨時間的變化關系圖，見圖4。由于蠟層突起對泡沫清管器造成的阻力較小，壓力波動相對于正常輸送壓力變化也較小。為了更明顯的看出波動，將各個采壓點的表壓減去其采壓點正常輸送壓力，得到圖5。

圖4 采壓點壓力隨時間的波動

圖5 采壓點壓力隨時間的波動簡化圖

由圖5可以看出，BV5首先出現壓力降低，隨后升高，表明泡沫清管器位于BV5上游。其次是BV2出現壓力升高，隨后下降，表明泡沫清管器位于BV2與BV5之間，且距離BV5較近。BV5與BV2出現壓力波動的時間差為107 s，BV2與BV5之間的距離為122 km，通過式（3）計算可得，泡沫清管器位于BV5上游1.3 km處，即距離首站IS 166.7 km。

根據整個清管過程中得到的壓力波動記錄，結合泡沫清管器無過流損失的計算公式，即泡沫清管器運行的距離L=4Qt/（πd2），以排除一些不定因素（例如流量變動）引起的壓力波動，計算得到泡沫清管器的運行記錄，摘取典型記錄見表2。

由表2可以看出，投放泡沫清管器后的前兩天沒有得到壓力波動，這是因為首站IS外輸原油加熱到75℃外輸，首站IS至BV1原油溫度較高，不易結蠟。在2013年4月17日凌晨3∶57，清管器運行到了河流穿越點，由于此處管道處于河流底部，溫降較大，且地勢較低，導致蠟層及雜質較多，引起泡沫清管器卡堵，導致壓力波動。17日以后，泡沫清管器通過BV2。21日5∶25，再次出現壓力波動，隨后壓力波動頻次增加。根據BV5至300 km里程處壓力波的傳播情況，計算得出BV5至300 km里程處的泡沫清管器的平均運行速度為0.925 km/h，進而預測泡沫清管器30日6∶30進站。 在30日7∶07，該管道末站TS進站過濾器發生嚴重堵塞，表明泡沫清管器即將進站，末站運行流程切換進入泡沫清管器接收流程，7∶35以后，管道恢復平穩運行，說明泡沫清管器已經進入清管器接收裝置。10∶00打開清管接收裝置，發現泡沫清管器完整地位于清管器接收裝置內。泡沫清管器預測到站時間與實際到站時間相差1 h左右，泡沫清管器跟蹤計算模型與實際基本吻合。

表2 2013年4月泡沫清管器運行記錄

3 結論

a）通過結蠟原油管道內的蠟層突起造成的壓力波傳遞到上、下游壓力采集點的時間差，對泡沫清管器的位置進行跟蹤，提出的計算模型與實際情況基本吻合。該方法解決不帶跟蹤器的泡沫清管器進行跟蹤的問題，有助于管線安全清管作業及制定合理的清管輸油方案。

b）該方法在對壓力波跟蹤的過程中，由于流動不穩定等相關因素，會產生較多的干擾信號，需要利用累計輸量對泡沫清管器大概位置進行估算，再通過信號篩選得到更加精確的泡沫清管器位置。

c）該方法適用于具有壓力采集系統及結蠟較多的原油管道，并且隨著壓力采集點的增多，跟蹤準確度越高。

［1］朱喜平.天然氣長輸管道清管技術［J］.石油工程建設，2005，31（3）：12-16.Zhu Xiping.Pigging Technology of Long Distance NatureGas Pipeline［J］.Petroleum Engineering Construction， 2005，31（3）：12-16.

［2］陳 剛，張 潔.原油流動性改進劑研究進展［J］.天然氣與石油，2013，31（2）：1-5.Chen Gang，Zhang Jie.Research ProgressofCrude Oil Fluidity Improver［J］.NatureGasand Oil，2013，31（2）：1-5.

［3］段行瓊，敬加強，雷玲琳，等.阿賽線首站原油流動性改進研究［J］.天然氣與石油，2012，30（3）：11-14.Duan Xingqiong，Jing Jiaqiang，Lei Linglin，etal.Study on Liquidity Improvement of Crude Oil at the Initial Station of Asai Pipeline［J］.NatureGasand Oil，2012，30（3）：11-14.

［4］吳曉南，鮮 燕，劉源海，等.清管過程中隧道內輸氣管道應力分析［J］.天然氣與石油，2012，30（2）：1-3.W u Xiaonan，Xian Yan，Liu Yuanhai，et al.Analysis on Gas Pipeline Stress in Tunnel during Pigging ［J］.Natural Gas and Oil，2012，30（2）：1-3

［5］楊筱衡.輸油管道設計與管理［M］.東營：中國石油大學出版社，2005.346-347.Yang Youheng.Crude Oil Pipeline Design and Management［M］.Dongying： China University of Petroleum Press，2005.46-347

［6］黃啟玉.管道沿線結蠟分布不均勻對蠟層厚度計算的影響［J］.油氣儲運，2008，27（3）：24-26.Huang Qiyu.Impact of Unevenly Wax Distribution along Pipeline for Wax Layer Thickness Calculation ［J］.Oil&Gas StorageandTransportation，2008，27（3）：24-26.

［7］黃啟玉.蠟沉積層沖刷實驗 ［J］.油氣儲運，2011，30（4）：314-315.Huang Qiyu.Scouring TestofW ax Deposition Layer［J］.O il&GasStorageand Transportation，2011，30（4）：314-315.