含凝析油管道注氮效果分析

周華英　何平　郭建偉

【摘要】含凝析油長輸管道注氮不同于一般輸氣管道注氮，在注氮過程中，管道低洼處集聚的凝析油會由于溫度、壓力、氣流速度的變化產生3 種不同的凝析油蒸發動態情形，不斷蒸發凝析氣，并隨著注入的氮氣輸往下游，影響注氮檢測結果，本文對含凝析油管道注氮過程中的影響因素進行分析，提出應對的方法措施，為下一步類似作業提供參考依據。

【關鍵詞】凝析油；注氮；效果；分析

在長輸天然氣管道運行管理中，需根據生產要求對運行中的管道進行停氣檢修或改造作業。為了避免在施工過程中發生燃燒、閃爆和“打炮”事故，需要對管內高壓輸送天然氣進行放空和氮氣置換。在有火源的前提下，天然氣在以下兩種情況不會燃燒，第一，在空氣中的濃度小于某一臨界值并且熱損失大于氧化產生的熱量；第二，其濃度雖然超過臨界值，但是沒有氧氣，即燃燒三要素缺一不可。由于在對長輸管道開口割管后，管口不可避免要進入大量空氣，若天然氣的含量達到管道的爆炸極限，遇到火花則會燃燒甚至發生打炮事故，因此，為了保障施工動火過程的安全，最大限度降低管道內存在的天然氣含量（降低至燃燒極限以下）是氮氣置換的唯一目的。

含凝析油長輸管道注氮作業不同于一般輸氣管道注氮作業，由于管道長期輸送富含不穩定性凝析油氣體的天然氣，其攜帶的凝析油蒸汽容易受到地形、溫度、壓力、速度影響，造成氣體氣相不穩定而析出。張鵬、王大慶等在《地形起伏對凝析氣集輸管道工況的影響》文章中得出了長輸管道內流體壓力、局部積液量以及管路總壓降與沿線地形起伏的劇烈程度成正比，但管路總積液量受沿線地形起伏的影響較小的結論。根據結論，在管道沿線地形起伏劇烈的區域，管內天然氣水合物析出的可能性就越大，由于重力原因，水合物積液就大量集聚堵塞在管道低洼處。凝析油性質極其不穩定，揮發性極好，在經過放空降壓的環境突變后，快速蒸發凝析氣，隨著注入管內的氮氣帶入管道下游，影響注氮檢測結果。

1.凝析油本質特點

凝析油是指從凝析氣田或者油田伴生天然氣凝析出來的液相組分，其主要成分是C5至C11+烴類的混合物，并含有少量的大于C8的烴類以及二氧化硫、噻吩類、硫醇類、硫醚類和多硫化物等雜質。天然氣中部分較重的烴類在油層的高溫、高壓條件下呈蒸氣狀態，采氣時由于壓力和溫度降低到地面條件，這些較重的烴類從天然氣中凝析而出，成為輕質油（稱凝析油）。凝析油的特點是揮發性好，極易燃燒，可直接用作燃料。

凝析氣包含輕質組分甲烷、乙烷、丙烷、丁烷，非烴組分二氧化碳、硫化氫、氮等成分。

2.凝析油對注氮效果的影響分析

2.1凝析油影響注氮效果的現象

含凝析油管道注氮過程中，管道內低洼處的積液凝析油將會直接影響注氮的檢測結果。以2014年7月2日實施的××支線缺陷修復換管工程為例，曾發生過長時間注氮但仍無法檢測合格的情況。

××支線2008年建成投產，管道規格D610X8-4.0，管線起點A站，終點B站，中間設a閥室和b閥室，管道全長26.3km，管道設計輸量600萬/日，全線最高點位于a閥室，最大高差達500米。管網示意圖如下圖1所示：

××支線上游管道××干線于2013年4月發現進入大量凝析氣田氣，管理單位對××干線及××支線管道進行了清管掃油作業，其中，××支線自2013年4月至2014年7月共計實施清管掃油6次，清出凝析油污水185方，硫化鐵粉混合污物850kg。清管詳細情況如下表1所示：

根據上級安排，管理單位計劃對××支線進行缺陷修復停氣換管工程。工程項目組于7月2日16：05開始從××支線A站向B站進行氮氣置換，注氮口徑DN50，混氣排放口徑DN200，平均置換速度2000方/小時，根據空管容積7284方計算注氮時間，預計至7月2日當晚19：43左右應注滿空管，20：00前可注氮合格。但是至7月2日晚上21：02 B站火焰熄滅，經取樣分析甲烷含量仍有16%，繼續置換至當晚23：15，甲烷含量在12%-16%反復波動，項目組立即決定對中間閥室（a閥室和b閥室）進行取樣和點火，取樣結果含10%甲烷并點火成功。項目組對流程進行全面檢查，確認流程無問題。7月3日，項目組經過分析決定反向、分段注氮，即：從B站向b閥室注氮，待b閥室檢測合格后，再由b閥室向A方向注氮，順利注氮合格。

2.2凝析油影響注氮效果的原因分析

2.2.1 凝析油的形成分析

一般來說，礦區所開采的含凝析氣天然氣，所含凝析氣的飽和度常常界于臨界飽和度的邊界條件上，當外部輸送條件發生變化時，例如發生高差變化時就析出凝析油。吳蕾等在《凝析油蒸發動態特征》文中，根據凝析氣混輸管內流體的相包絡圖對天然氣水合物形成曲線進行預測，結果顯示，輸送凝析氣管線內出現的積液量的多少與管道沿線地形的起伏程度有直接關系，管道沿線地形起伏程度越大，管內積液量也越多。盡管輸送凝析氣管道在不同地形條件下其管內總積液量總量接近，但積液量在管道沿途的分布情況卻不盡相同，在地形起伏不大，埋設高度較為平均的管內，積液量分布較為均勻，但在地形有較為明顯甚至地形劇烈變化的情況下，管內積液主要聚集在低洼處或上坡管段內。據此判斷，A 站輸往 B 站含凝析油天然氣，在翻越景山過程中形成的凝析油主要集聚在翻越景山之前的低洼處。

2.2.2相態平衡效應

考慮到氣液兩相在不同壓力狀態下的相平衡效應，在氣液兩相臨界交界面上將會產生三種動態蒸發（反蒸發）狀態：一是當環境壓力低于臨界反凝析壓力后發生凝析油蒸發，二是保持環境壓力穩定過程中的凝析油再蒸發，三是對環境壓力加壓使得凝析油產生反蒸發效應。

詳細來說，當高壓長輸管道進行放空作業時，管內壓力不斷降低，根據相平衡效應，氣液兩相開始發生動態平衡過程，管內液態凝析油不斷蒸發出輕組分或中間組分，即凝析氣，而重組分含量也在壓力衰竭過程中不斷裂變減少，凝析油積液量則越來越少，最終達到低壓狀態下的兩相平衡。而隨著注氮作業的持續進行，管內氮氣流速和壓力形成穩定的動態平衡，凝析油蒸發動態逐漸進入到保持壓力過程中的再蒸發狀態，蒸發的凝析氣持續隨著氮氣被帶入下游。

2.2.3 注氮選擇因素

××支線缺陷修復工程首次注氮選擇的方向為A往B方向（順氣流方向），根據2.2.1中分析的結果，凝析油主要集聚在翻越景山前的低洼處，并在該區域的管道內不斷蒸發凝析氣，氮氣進入該區域后，由于地形發生明顯變化，氮氣上升前進速度由于高差原因逐漸變緩，這就為氮氣攜帶更多的凝析氣創造了條件。更換注氮方向后，氮氣進入到凝析油集聚處前是下坡路段，氮氣前進速度加快，同時對低洼處形成局部壓差（盡管壓差值很小），一定程度上抑制了凝析油的蒸發效應，減少攜帶的凝析氣組成成分。

2.3應對措施建議

2.3.1單相介質輸送的管線應避免輸送含凝析油天然氣，這是解決影響注氮效果及安全施工的根本辦法。

由于管理單位管轄的管線多為單相介質輸送管道，在設計之初均未考慮到多相介質輸送對管線、設備的影響，同時也未考慮對后續管理和施工的影響，因此，在管理過程中應盡量避免使用單相輸氣管道的材質輸送多相氣質天然氣。

2.3.2從設計方面進行考慮，設計過程中應避免過長的（兩個站場之間的）管道間距，避免較大的管道高差，避免管道通過復雜的地貌環境，從而防止水合物（包括凝析油）在爬升前形成積液堵塞管道。

2.3.3應采用綜合措施防止凝析氣集輸管道內大量生成天然氣水合物。例如對長輸管道采用較為常用的注入化學抑制劑（甲醇、乙二醇）等，或提高輸送介質溫度，但同時應綜合考慮所采用措施對輸送介質成分的影響。

2.3.4確認管線中存在凝析油的情況下，應在施工前多次對管線進行清管作業，為了最大限度減少管內凝析油含量，應綜合運用清管球、泡沫清管器、鋼刷清管器等特殊清管方式，降低管內水合物存量。

2.3.5合理優化注氮作業方案，選擇合理注氮點，分段進行注氮，具備條件的，建議從中間向兩側進行注氮。

3.結論

管道中含有大量凝析油是影響注氮效果的主要原因。從長輸管道經營方面考慮，對不滿足兩相、多相介質輸送的管道，應盡量避免輸送含凝析油天然氣；從設計上充分考慮輸氣的特點，避免管道敷設經過復雜的地貌環境；針對長輸管道中含有大量凝析油的施工作業，應充分考慮并充分落實施工作業前的準備工作，在施工前應反復清掃管內凝析油，合理優化注氮作業方案，選擇合理注氮位置和注氮方向。

參考文獻：

[1] 張鵬，王大慶等.地形起伏對凝析氣集輸管道工況的影響.天然氣工業，2013（08）

[2] 吳蕾等.凝析油蒸發動態分析.天然氣工業，2004（04）