煤層氣低壓管道積液動態分析與規律研究

孟凡華 劉勝男 王子輝 李曉平 安玉敏 李詠梅

(1. 中國石油天然氣集團有限公司山西煤層氣勘探開發分公司，山西 046000；2. 中國石油天然氣集團有限公司煤層氣開采先導實驗基地，山西 046000；3. 中國石油大學(北京)油氣管道輸送安全國家工程實驗室/石油工程教育部重點實驗室/城市油氣輸配技術北京市重點實驗室，北京 102249)

1 煤層氣管道積液的研究現狀

薛愛芹等通過設定不同傳熱系數和不同管徑，主要依據沿線溫度變化進行計算，得到結論：溫度下降最快的距離均為出井場至井場外750m左右，一般2.2km以后，介質溫度接近周圍環境溫度。故建議在出井場約2km以后，地形較低或管線折點上坡地段設置凝水器，但當管道起始處高程差較大時，此結論則不適用。王磊等使用HYSYS軟件模擬計算繪制煤層氣采氣管線的溫降曲線、壓降曲線、含水量變化曲線，并由溫度壓力計算凝析水量，建議在飽和含水率最低點設置1個分水器，但其未考慮含水率大小對積液的影響，地形考慮也不夠詳細。郭簡等通過對傾斜管內氣液兩相流動及相態變化的研究，發現積液通常發生在管段的前三分之一處，故建議凝水缸或放水閥等設施放置在管道初始段的地形低洼處，其未考慮氣體對液體的攜帶作用。胡倩等通過計算不同管徑、不同產水量工況下管線中的流型變化及持液率變化，預判管線積液情況，得到結論：煤層氣管道流速設計大于9m/s時，能有效改變管道中的流型，降低管道積液風險；煤層氣地面起伏管道在與地面成50°傾角時，管道持液率最大，如果管道為非分散流，可以在該類管道設置凝水缸收集積液，其未考慮壓力等其他因素。

上述研究雖取得了一定的成果，但仍存在不足。煤層氣管線地形起伏復雜，積液影響因素類型多樣，在實際應用中積液定位準確率較低，鑒于此，本文選取影響管道積液的幾個關鍵因素，設定合理范圍，通過大量的模擬總結規律，為積液的定位提供一定參考。

2 影響管道積液的主要因素

影響煤層氣管道積液的因素復雜多樣，由生產實際與現有研究成果可知，主要有以下幾個方面：

(1)氣體含水率。對于煤層氣管線來說，氣量與飽和含水率決定了液相流量的多少，同一氣量和同樣的環境條件下，含水率越高，析出水量越多，也越容易形成積液。

(2)氣體流速。煤層氣管線中，液體量較氣體量來說很小，基本靠氣體攜帶前進，氣體的流速是決定其攜液能力大小主要因素，流速越大，攜液能力越強，但壓降也會越大。

(3)管徑。在保持氣體流速、含水率等其他因素不變的前提下，管徑越大，越易積液。這是因為流速不變時，管徑增大，氣體流量增大，所攜帶的水蒸氣增加，沿線析出水量增加，故大管徑的管道更容易積液。

(4)末點壓力。隨末點壓力的增加，氣態水更易凝析出來，從而積液速率加快，積液量有所增加，但同時氣體的密度和黏度也會隨之增大，導致其攜液能力有所增強。

3 低壓管道積液模擬分析

由于管道起伏的復雜性，本文選取典型地勢，建立了兩個簡化的低壓管道模型，運用OLGA軟件進行了模擬分析，并總結規律。

3.1 工況設定及模型建立

根據煤層氣的特點及沁水盆地某區塊工程實際，對所研究的影響因素進行設定(表1)。

表1 模擬參數設定

環境溫度較低時凝結水更易析出，因此取該區塊冬季溫度3.4℃為環境溫度值。設定“先低后高”與“先高后低”兩種三段高差地勢進行模擬，高程差選擇50m、100m、150m三種，管道起始段為200m水平段，管道全長1500m。兩種管道路由如圖1、圖2所示。

圖1 地形Ⅰ

圖2 地形Ⅱ

圖3 各工況積液情況圖

3.2 模擬計算結果

兩種地形條件下，V=15m/s時，各工況管道均積液，其余工況的具體積液情況如圖3所示。

3.3 積液動態累積規律分析

由于積液受各種因素的交叉協同影響，不同工況組合下積液規律或有差別。但研究樣本量較大，故通過關聯性分析，得到最主要的影響因素，將其作為變量進行多工況的分析。

3.3.1 多因素與積液的關聯度分析

管道壓力、氣體流速、管徑、含水率等均會對積液產生影響，但影響程度卻不盡相同。運用灰色關聯理論，對兩種地形各選取24組算例進行分析，以積液量作為參考序列，4個影響因素作為比較序列，首先對序列做無量綱處理，再通過下列公式對4個影響因素與積液的關系進行關聯度計算，結果見表2。

Δ0i(k)=|x0(k)-xi(k)|

(1)

(2)

(3)

灰關聯系數為：

(4)

各個因素與主因素之間的灰色關聯度為：

(5)

其中，Δ0i(k)表示差序列，x0(k)為參考序列的無量綱數值，xi(k)為其他比較序列的無量綱數值，Δmax表示最大極差，Δmin表示最小極差。i=1，2，3，4分別為4個影響因素；k=1，2，3，…，24分別為24種工況；ρ為分辨系數，1>ρ>0，通常取0.5。

表2 四個影響因素與積液之間的關聯度

圖4 地形Ⅰ沿線積液量隨時間的變化情況

由表2可得，地形Ⅰ的管道積液受管徑影響最大，地形Ⅱ的管道積液受含水率影響最大，其次是氣體流速，最后是末點壓力。

3.3.2 積液動態累積規律

基于上述研究，對地形Ⅰ，分析其在3種管徑下的積液規律，設定流速為20m/s，末點壓力為0.06MPa，含水率為0.8%；對地形Ⅱ，分析其在3種含水率下的積液規律，設定管徑為DN150，流速與末點壓力同地形Ⅰ所設。

(1)地形Ⅰ積液規律

圖5 地形Ⅱ沿線積液量隨時間的變化情況

不同管徑下，管道沿線積液累計隨時間的變化情況如圖4所示。由圖4可以看出，當管徑為DN100時，幾乎不積液；當管徑為DN150與DN200時，積液量隨時間增加，管徑越大，積液速度越快。整體規律為：最初第二個低點積液，一定時間后，第一個低點開始積液并向后擴展，期間后兩個低點的積液量幾乎不變。當第一段上傾管的積液量達到一飽和值不再變化時，第二個低點的積液量繼續增加并向下游擴展，期間第三個低點的積液量仍幾乎不變，直到第二段上傾管積液量達飽和，最終整條管路積液量達到一飽和值。

(2)地形Ⅱ積液規律

不同含水率下，管道沿線積液情況如圖5所示。由圖5可知，三種含水率下管道均是從第一個低點開始積液，并向后擴展，當第一段上傾管的積液量達到飽和時，第二個低點開始積液并向下游擴展，最終整條管路積液量達到一飽和值。含水率越大，積液速度越快，在模擬的20天內，含水率為0.8%和1.1%時，整條管路積液量已達飽和，而含水率為0.5%時，積液只存在于第一段上傾管。

(3)積液規律總結

對于地形Ⅰ，積液最初產生于100m左右高程差的上傾管低點，而后才在50m高程差的上傾管低點積液，這說明在運行開始的一段時間內，高程差為50m以下的管道中的液體可以被攜帶走，之后由于管線后段積液，導致前段壓力增加，凝析水量增加，不易被攜帶，從而積液。對于地形Ⅱ，在第一個低點開始積液，積液量達飽和后第3個低點幾乎不積液。由此可初步推斷在此類工況下，高程差大于100m的上傾管道均會積液；若管道最大高程差不超過50m，則管道不積液。

3.3.3 積液排放技術研究

煤層氣采用低壓集氣，對于采氣管線來說，井口回壓不能過高，否則影響正常采氣。管道積液會使壓降增加，因此需在了解積液規律的基礎上，及時排放積液，使之滿足壓力需求。根據此區塊設計要求，采氣管線井口回壓不得超過0.15MPa，故總結井口回壓達到0.15MPa時管線的積液情況，如表3、表4所示。

表3 地形Ⅰ積液情況

由表3可得，當井口回壓達到0.15MPa時，積液主要分布在前兩個低點，故凝水缸等排液裝置可設在前兩個低點的爬坡處。管徑增加，排液周期可相應延長。

表4 地形Ⅱ積液情況

由表4可得，當井口回壓達到0.15MPa時，積液只存在于第一段上傾管，因此只在第一個低點爬坡處設置排液裝置即可。隨含水率增加，排液周期變短。

4 結論

(1)總結分析了氣體含水率、流速、管徑、末點壓力對管道積液的影響，含水率越高，越容易形成積液；流速越大，攜液能力越強；管徑越大，越易積液；隨末點壓力的增加，積液速率加快，積液量增加，但同時氣體的密度和黏度也會隨之增大，導致其攜液能力有所增強。

(2)設定兩種多起伏地形，模擬了多工況組合下共270組管道的積液情況，并研究了積液動態累積規律，由于樣本量較大，故通過灰色關聯分析法得出最主要的影響因素，將其作為變量，其他因素選取一常量，對不同主控因素下管道的積液情況進行了分析。由模擬結果可初步得出，在管徑大于等于DN150，含水率低于0.8%時，最大高程差不超過50m的管道不積液，高程差大于100m時，在管道低點會產生積液。

(3)以井口回壓作為管線積液排放的控制指標，研究不同工況下井口回壓達到某一上限時管線的積液情況，從而為確定積液位置及排液周期提供一定的思路和指導。