氣田采氣管線清管保障措施探討

孫利明，郝 麗，呂海霞，劉 佳，溫立憲，邵 文，王 浩，韓 娜

（中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第一采氣廠，陜西靖邊 718500）

隨著氣田新建站不斷增加，建成采氣管線數(shù)量也不斷增加，截止2018年9月靖邊氣田已建成投產(chǎn)采氣管線1 008條，蘇東南區(qū)建成投產(chǎn)采氣管線19條。由于采出的氣體含有一定水分，在生產(chǎn)過(guò)程中，由于溫度、壓力的改變，在管道內(nèi)形成水合物，影響采氣管線輸送能力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)堵塞管線甚至導(dǎo)致氣井關(guān)井，嚴(yán)重影響氣田的正常生產(chǎn)和安全運(yùn)行，因此需合理制定采氣管線清管保障措施，開(kāi)展采氣管線清管作業(yè)[1-4]。

1 采氣管線清管現(xiàn)狀

目前采氣管線未開(kāi)展定期的清管作業(yè)，沒(méi)有形成相應(yīng)的清管制度，前期開(kāi)展清管作業(yè)時(shí)，可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)較少。同時(shí)從天然氣井產(chǎn)出未經(jīng)凈化的天然氣在管道中輸送時(shí)，由于含有較多的水和其他成分，在輸送過(guò)程中，溫度、壓力發(fā)生變化，將有部分凝析液析出，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)和輸送距離的增加，析出的水和凝析液量越來(lái)越多，進(jìn)而聚集在管道底部形成積液，若不能及時(shí)清除，將出現(xiàn)諸多問(wèn)題：

（1）液體聚積在管線的低點(diǎn)處，降低了氣體的有效輸送截面積，影響管道的集氣能力和節(jié)點(diǎn)壓力，導(dǎo)致管輸效率降低；

（2）管線過(guò)流面積減小，輸送阻力增加，導(dǎo)致單位長(zhǎng)度管線壓降增大，增加了動(dòng)力消耗；

（3）在一定溫度條件下會(huì)形成水合物，造成冰堵事故；

（4）由于積液的存在，起伏管路的末端還會(huì)形成段塞流，當(dāng)液塞體積超過(guò)下游處理設(shè)備的容量時(shí)，給正常生產(chǎn)帶來(lái)了困難，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致停產(chǎn)。段塞流的產(chǎn)生還會(huì)引起管線中較大的壓力和流量波動(dòng)，對(duì)管線造成沖擊和振動(dòng)，引起管線破壞；

（5）雜質(zhì)長(zhǎng)時(shí)間存在于管線中，影響了采氣管線的安全平穩(wěn)運(yùn)行，存在一定的安全隱患；

（6）輸送天然氣的管道中積液的產(chǎn)生還會(huì)導(dǎo)致管線腐蝕加劇，降低管道的使用壽命。尤其是高含硫和二氧化碳的氣體，積液的存在會(huì)加速管線的電化學(xué)腐蝕，易造成管線穿孔，給管道的正常運(yùn)行帶來(lái)極大的危險(xiǎn)。

因此，為了保證氣井的穩(wěn)產(chǎn)和整個(gè)氣田的安全運(yùn)行，完善氣田的生產(chǎn)流程，需在井場(chǎng)設(shè)置采氣管線清管器發(fā)送裝置，在集氣站設(shè)置采氣管線清管器接收裝置，以滿足采氣管線清管要求。

2 清管保障措施探討

2.1 清管時(shí)機(jī)探討

對(duì)輸氣管道進(jìn)行清管的主要目的是清除管道內(nèi)部的積液和腐蝕產(chǎn)物，因此，氣田采氣管線清管時(shí)機(jī)的判定因素主要為最小輸送效率、最大允許壓降和最大積液量等。

2.1.1 最小輸送效率 根據(jù)《天然氣管道運(yùn)行規(guī)范》SY/T 5922-2012規(guī)定，管道輸送效率小于95%時(shí)，可認(rèn)為管道內(nèi)積液、雜質(zhì)等較多，管道的正常輸送受到了影響，需及時(shí)開(kāi)展清管作業(yè)。

式中：Pb-管線起點(diǎn)壓力，MPa；Pe-管線終點(diǎn)壓力，MPa；Q-管線輸氣量，m3/d；d-管線內(nèi)徑，cm；L-管線長(zhǎng)度，km；T-管輸天然氣的平均溫度，K；Z-管輸天然氣的平均壓縮因子；Δ-天然氣相對(duì)密度；E-輸氣效率。

采氣管線為濕氣輸送管線，依據(jù)以往現(xiàn)場(chǎng)清管實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)濕氣輸送管網(wǎng)管輸氣量低于設(shè)計(jì)輸氣量時(shí)，說(shuō)明管道積液量較大，管輸效率均低于0.95。為了解決采氣管線日常清管作業(yè)的判定問(wèn)題，引入相對(duì)輸送效率的概念。相對(duì)輸送效率E0為管道實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的流量與管道上一次清管后的流量的比值，需根據(jù)多次現(xiàn)場(chǎng)清管結(jié)果，選擇合理的相對(duì)輸送效率。

2.1.2 最大管道壓差 當(dāng)管道存在積液時(shí)，管道摩阻系數(shù)變大，上、下游壓差增大，在實(shí)際生產(chǎn)中一些單位將0.7 MPa作為最大允許壓差，并以此為依據(jù)判斷是否需要進(jìn)行清管操作。

2.1.3 最大積液量 最大積液量以管線末端捕集器的處理量為最大允許積液量進(jìn)行清管判斷。例如，若某管線末端捕集器的容量為60 m3，根據(jù)捕集器的處理量，即可將最大允許積液量為60 m3作為清管的一個(gè)參照標(biāo)準(zhǔn)。

依據(jù)以往清管經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合三種清管判定方法，在采氣管線實(shí)際運(yùn)行中，需根據(jù)多次清管試驗(yàn)的結(jié)果，選擇合理的相對(duì)輸送效率、最大管道壓差和最大允許積液量對(duì)采氣管線是否需要開(kāi)展清管作業(yè)進(jìn)行判斷，當(dāng)三個(gè)參數(shù)有任何一個(gè)達(dá)到清管作業(yè)的要求時(shí)，就需要及時(shí)開(kāi)展清管工作，保證采氣管線的安全平穩(wěn)運(yùn)行。

2.2 采氣管線積液量預(yù)測(cè)

為避免清出積液量過(guò)大，導(dǎo)致清管收球過(guò)程中排液不及時(shí)，清出物進(jìn)入下游管線、設(shè)備中存在生產(chǎn)隱患，同時(shí)為降低清管作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，清管作業(yè)前利用Pipephase軟件進(jìn)行管道積液量預(yù)測(cè)尤為重要。

2.2.1 Pipephase軟件模型計(jì)算理論依據(jù) Pipephase軟件是由美國(guó)SimSci公司開(kāi)發(fā)的管道網(wǎng)絡(luò)模擬分析軟件，用以分析和計(jì)算天然氣集輸管網(wǎng)、工藝管線兩相流計(jì)算、管線的傳熱分析、節(jié)點(diǎn)分析、水合物生成分析等各種生產(chǎn)需求。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)選擇Beggs&Brill-Moody持液率相關(guān)式計(jì)算管線輸送壓降及持液量。Beggs-Brill持液率修正相關(guān)式為在BB模型中引入傾角修正系數(shù)ψ，表示傾斜管截面含液率與水平管截面含液率的比值。

式中：HL（β）-傾角 β 時(shí)的截面含液率；HL（0）-水平管截面含液率。

水平管截面含液率HL（0）取決于體積含液率RL和富勞德數(shù)Fr。

圖1 采氣管線高程變化建立

式中：ω-氣液混合物速度，m/s；g-重力加速度，m/s2；D-管徑。

按兩相管路流型，可確定水平管截面含液率。由試驗(yàn)得到的計(jì)算通式為：

對(duì)于 β=90°的垂直管路，ψ=1+0.3C，各公式中 a、b、c、d、E、F、g為與流型有關(guān)的系數(shù)。

2.2.2 管線積液量模型建立 利用MapSource軟件導(dǎo)出高程變化后，導(dǎo)入已建立的模型中（見(jiàn)圖1）。Pipephase軟件中通過(guò)選擇流體類(lèi)型、添加氣質(zhì)組分、管道粗糙度、管徑、管道長(zhǎng)度、高程變化、計(jì)算公式、流體效率等參數(shù)后，自動(dòng)建立軟件模型。

2.2.3 管線積液量計(jì)算 管線積液量模型建立后，導(dǎo)入同一時(shí)刻實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，即導(dǎo)入管線下游壓力、上游壓力、流量、溫度參數(shù)，進(jìn)行模擬管線壓降及持液量計(jì)算。將計(jì)算得出采氣管線理論壓差與實(shí)際壓差進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)修正氣質(zhì)組分中的水含量，達(dá)到最終計(jì)算壓差值與實(shí)際壓差一致后，得出該生產(chǎn)狀態(tài)下理論管線積液量，對(duì)后期采氣管線起指導(dǎo)作用。

2.3 采氣管線清管保障措施

2.3.1 合理控制清管器運(yùn)行速度 清管作業(yè)過(guò)程中，清管作業(yè)質(zhì)量取決于清管器的速度，球速過(guò)快或過(guò)慢，都可能造成清管器破壞或功能失效，導(dǎo)致清管效果不理想。若清管器的運(yùn)行速度過(guò)慢，造成清管器走走停停，易使管道內(nèi)的水等雜質(zhì)回流，甚至卡球；若球速過(guò)快，易使管道產(chǎn)生振動(dòng)，使清管器的上下游發(fā)生嚴(yán)重的竄漏現(xiàn)象，使液體不能被清除，同時(shí)對(duì)清管器和管道內(nèi)壁造成較大的磨損，產(chǎn)生腐蝕，不安全因素較多。根據(jù)SY/T 5922-2012《天然氣管道運(yùn)行規(guī)范》中明確規(guī)定，清管過(guò)程中清管器的運(yùn)行速度不宜超過(guò)5 m/s，清管器在規(guī)定范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行才能保證管線安全和清管清液效果。

根據(jù)SY/T 5992-2012《天然氣管道運(yùn)行規(guī)范》，輸氣量已知條件下清管器瞬時(shí)運(yùn)行速度計(jì)算公式如下：

式中：V-清管器運(yùn)行速度，km/h；Q-輸氣量，m3/d；F-管道內(nèi)徑橫截面積，m2；P-清管器后平均壓力，MPa。

利用上述公式對(duì)輸氣量已知條件下的清管器運(yùn)行速度進(jìn)行計(jì)算，在清管過(guò)程中，必須及時(shí)掌握清管器的運(yùn)行速度，調(diào)整工藝參數(shù)，以便控制清管器的運(yùn)行速度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理問(wèn)題。

2.3.2 準(zhǔn)確判定清管器進(jìn)站時(shí)機(jī) 清管作業(yè)中若能在準(zhǔn)確判斷清管器運(yùn)行位置及進(jìn)站時(shí)間并及時(shí)進(jìn)行排污，既可減少天然氣的放空量，也可避免將污水污物推入下游，有效削減清管作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。這項(xiàng)操作步驟主要依靠人為經(jīng)驗(yàn)，但仍具有重要指導(dǎo)意義。

（1）清管器進(jìn)站時(shí)間計(jì)算。一般清管器運(yùn)行速度控制在3 m/s～5 m/s，計(jì)算清管器運(yùn)行時(shí)間方法為：采氣管線長(zhǎng)度除以清管器運(yùn)行速度（利用上述公式）。由于清管器在管道內(nèi)運(yùn)行為非穩(wěn)態(tài)過(guò)程，通常在管道大小頭處、彎頭、三通等地方運(yùn)行速度發(fā)生變化，因此一般實(shí)際進(jìn)站時(shí)間比理論進(jìn)站時(shí)間長(zhǎng)10 min～20 min。

（2）根據(jù)清管器理論進(jìn)站時(shí)間，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)壓力顯示，進(jìn)一步判斷清管器進(jìn)站時(shí)間?，F(xiàn)場(chǎng)壓力波動(dòng)較大，且站內(nèi)收球筒處可聽(tīng)到由小變大的氣流聲音及管道內(nèi)積液、雜質(zhì)等管線內(nèi)滑動(dòng)的聲音，則說(shuō)明清管器即將進(jìn)站。

3 結(jié)論

（1）結(jié)合最小輸送效率、積液量和最大允許壓降等因素，判定采氣管線清管時(shí)機(jī)，并結(jié)合多次清管結(jié)果，制定合理清管制度，確保采氣管線高效運(yùn)行。

（2）管道積液量預(yù)測(cè)既可以作為采氣管線清管時(shí)機(jī)判定依據(jù)，消除不合理清管制度造成的不利影響，也可為清管過(guò)程起指導(dǎo)作用，有效削減積液量過(guò)大引發(fā)的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

（3）清管作業(yè)過(guò)程中合理控制清管器運(yùn)行速度，準(zhǔn)確判定清管器進(jìn)站時(shí)機(jī)，既可減少天然氣的放空量，也可避免將污水污物推入下游，確保清管作業(yè)安全開(kāi)展。