射流清管過程壓力波動特性研究

　中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院

射流清管過程壓力波動特性研究

劉玨王炳人邵游凱王溢維中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院

為研究天然氣凝析液管道射流清管過程中壓力的變化規律，建立了含有清管器收發裝置、水平管路、起伏管路和立管的室內大型多相流實驗環道，以空氣和水為實驗介質，在多種氣體流量、液體積聚量及旁通率的條件下，測量了射流清管過程中管線各處壓力值的波動變化，得到大量的實驗數據。分析實驗結果得到結論：清管器在管道中運行不連續，出現“走走停停”的現象，并且隨著旁通率增加這種現象更劇烈；射流清管器能夠實現含有積液的輸氣管道中清管的壓力波動降低，且隨著旁通率的增加這種降低效果更加明顯；隨積液量的增加，射流清管器通過立管處所需壓力升高。

射流清管器；立管；旁通率；壓力；積液量

在氣田開采中后期產率會逐漸下降，導致氣藏壓力下降，流體中包含的液體逐漸增多[1]，氣液會產生嚴重的脫滑現象[2]，極易造成液體的大量積聚，使管道流通面積減小、能量損耗增大，在特定條件下還可能生成水合物堵塞管道，通常采用定期清管[3-4]的方法解決凝析液積聚問題。傳統清管器通過前后密封產生的壓差為動力推動清管器運行，但會導致清管器運行速度過快、管線壓力波動較大而造成管道設備和清管器的損壞，影響正常的生產作業。針對以上問題，提出了應用于海底凝析液管道的新型射流清管器。

鑒于國內外對射流清管器的實際應用研究較少，射流清管器在輸氣管道積液的清除過程中能夠起到什么樣的作用是研究的重點。為此，建立了包含水平管路、起伏管路和立管的大型室內實驗環道，利用射流清管室內實驗系統對射流清管器清管過程中管線壓力的變化進行研究。

1　實驗環道

建立總長約為100m的室內實驗環道，如圖1所示，其中包含水平管段約48m、角度為6°的上傾和下傾起伏管段19m，角度為4°的下傾管27m以及立管管段6m。該環道由規格為?60mm×3mm 的Ocr18N19不銹鋼管搭建而成。環道能夠保證管道內徑53.4mm恒定不變，保證清管器在管線中運行時所受摩擦力基本恒定；環道中所有彎管曲率半徑均為500mm，遠大于環道鋼管直徑，利于清管器的順利運行。

圖1　實驗環道流程

實驗系統的操作介質是空氣和水，模擬研究海底天然氣凝析液管道清管過程中的氣相和凝析液流動規律。整個環道的實驗裝置由壓縮機和氣相計量系統、加水口和放水口、壓力傳感器、壓差傳感器以及清管器收/發球筒組成。壓縮機和氣相計量系統能夠提供穩定氣源，并能精確計量氣相流量。液相通過加水口直接注入，可以精確確定加注量。共有11個壓力傳感器布置在環道上，在環道入口端的壓力傳感器P1和出口處的壓力傳感器P11不僅能夠測量壓力波動，而且能夠起到清管器通過指示儀的作用，清管器通過P1開始計時、通過P11清管器運行結束。實驗在動態條件下進行，當管線中流體流動達到穩定后開始采集數據，采集時間達到20～50s后發射清管器[5]，清管器到達終端的清管器收球筒后，繼續采集數據約60s后停止采集，關閉壓縮機實驗結束。

2　壓力分析

通過文獻調研并結合實驗室自身條件，最終確定射流清管室內實驗過程中清管器皮碗過盈量為3%，實驗過程中實驗變量為射流清管器旁通率、氣相入口流量、積液量。其中清管器旁通率為0、2%、4%、6%、8%，氣相入口流量為100、120、140、160、180m3/h，積液加注量為2、4、6、8L。

圖2　清管期間壓力波動曲線

2.1壓力曲線特性分析

2.1.1旁通率對管線壓力的影響

由于管線較短，可以通過P1位置的壓力變化曲線來表示清管器通過管線后管線壓力變化的規律。在氣量和液量分別為140m3/h-2L、140m3/h-6L、160m3/h-2L、160m3/h-6L四個工況下，隨著射流清管器旁通率不同，管線壓力曲線也發生變化。

（1）清管器在管線中的運動并不是連續的，有“走走停停”的現象[7]。曲線每一個波峰值都代表了清管器的一次停頓或減速，清管器旁通率較小時，清管器基本上只會在發射階段和立管底部發生停頓并積聚壓力，在其他位置由于動力充足清管器連續運動，曲線較為平滑；隨著旁通率的增加，清管器動力不足，清管器頻繁出現停頓現象，曲線峰值出現的頻率增加。

（2）曲線中第一個峰值代表清管器的發射時刻，最后一個峰值代表了清管器通過立管的時刻。清管器發射是一個從靜止到運動的過程，靜止期間需要克服靜摩擦力，所需壓力較高；而運動后所需克服的是動摩擦力，所需壓力較低，故清管器發射過程出現一個壓力的峰值。清管器運行到立管處，進行壓力積聚并使壓力升高到足以克服清管器摩擦阻力和積液靜液柱壓差，清管器通過立管后清管器阻力降低、管線壓力下降，故清管器通過立管過程也出現一個壓力的峰值。

（3）當氣量較大時，高旁通率的射流清管器也可以通過管道，但是壓力波動的規律性變差。當氣量為160m3/h、旁通率為8%時，在2～8s之間出現了一個較長的波峰，清管器出現了明顯的停頓、卡堵現象。這一方面是由于旁通率過大，造成清管器動力不足，持續的泄壓致使憋壓過程較長；另一方面也是室內實驗條件所致，由于室內空間有限，管道采取法蘭連接方式較多，整個環道共有50個法蘭，這就增加了清管器運行卡堵的可能性。

2.1.2積液量對管線壓力的影響

從氣量和旁通率分別為140m3/h-0、140m3/h-4%、180m3/h-0%、180m3/h-4%的四個工況下隨積液量不同管線壓力曲線的變化可以看出：

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（1）無旁通或低旁通率曲線，壓力曲線變化的峰值主要有三個（起始端兩個，終端一個）。經過分析，第一個峰值是清管器發射憋壓形成的，第二個峰值是清管器運行到下傾、上傾管底部清掃液塞形成的，第三個峰值是清管器運行到立管底部較高的靜液柱壓差形成的，曲線整體較為平滑。而高旁通率曲線，由于旁通射流造成清管器動力不足，清管器頻繁停頓，所以峰值較多且不規律。

（2）無旁通或旁通率較低時，積液量較高的管線清管器通過立管時所需的壓力值要比積液量較低的管線高得多。旁通率為0時，8L積液比2L積液的壓力值分別高出約45kPa（氣量140m3/h）、50kPa（氣量180m3/h）；而清管器存在旁通并且旁通率較高時，這種壓力差值得到了明顯的降低，旁通率為4%時，8L積液比2L積液高出的壓力值約為22、20kPa。這說明在較高旁通率下，射流清管器對液塞的控制作用是十分高效的。

2.2旁通率對壓力峰值的影響

清管器在管線運行過程中，通過立管時所需壓力值最高，達到清管器運行的最大壓力峰值。

從不同氣量和液量工況下清管器通過立管時的壓力峰值隨旁通率的變化關系曲線可以看出，當射流清管器旁通率在2%、4%、6%、8%范圍內變化時，隨旁通率的增加，清管器通過立管時管線的壓力峰值降低。這說明射流清管器的旁通射流在清管期間起到了重要的作用，一方面，射流氣體能夠通過氣流的剪切攜帶作用將管線一部分積液帶離管線；另一方面，射流氣體對液塞能夠有很好的流型控制作用，利用液塞充氣，降低立管處液塞的靜液柱壓差。隨著旁通率的增加，旁通射流作用越劇烈，清管器運行阻力降低越明顯，通過立管所需的壓力值就越低，這與前面的理論分析完全相符。

然而，大多數旁通率為0的清管器通過立管所需要的壓力峰值反而低于旁通率為2%的清管器，這是與分析的清管規律不相符的，這個現象可以通過分析清管器所受摩擦力來解釋。旁通率為0的清管器，也就是平時用的普通清管器，由于沒有旁通泄流的作用，清管器動力比較充足，在經過立管時并沒有產生停頓而直接通過，此時清管器所克服的阻力是立管處的靜液柱壓差阻力及清管器所受的動摩擦力；當清管器存在旁通率時，由于旁通泄壓的原因，清管器運行到立管底部時，可能由于動力不足而需要在立管底部產生停頓積聚足夠的背壓來克服阻力，清管器再次運動所要克服的就是皮碗的靜摩擦力和靜液柱壓差阻力，而旁通射流對靜液柱壓差降低值低于靜摩擦力與動摩擦力之間的差值，即造成旁通率為0的清管器所受阻力低于旁通率為2%的射流清管器，最終導致了這種反常現象。

從各工況下清管器通過立管時的壓力峰值隨管線積液量的變化關系曲線可以看出，在相同氣量和清管器旁通率的情況下，隨著積液量的增加清管器通過立管時的壓力峰值升高。當清管器運行到立管底部時，整個管線的積液會全部聚集在清管器下游的立管處，形成靜液柱壓差阻礙清管器的運動。而隨著積液量的增加，靜液柱壓差形成的阻力增大，清管器需要更高的壓力使其繼續運行，所需的壓力峰值也就越高。

3　結論

（1）低旁通率射流清管器清管過程中運行較為穩定、停頓較少，高旁通率清管器由于動力不足導致停頓、減速頻率較高。

（2）射流清管器的旁通射流作用能夠很好地控制清管器前方氣液兩相流型，實現了清管器及時的降速、泄壓效果，從而降低了清管期間的壓力峰值，且這種降峰值效果隨著旁通率的增加而增加。

（3）隨著管道中積液量的增加，清管器到達立管處所受靜液柱壓差阻力升高，射流清管器通過立管時所需的壓力升高。

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（欄目主持楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.12.009

基金論文：國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發”（2011ZX05026）資助。

2015-05-13