神木氣田起伏集氣管線高效運行關鍵技術問題研究

朱浩平，徐曉偉，何彥君，馬云峰

（長慶油田第二采氣廠工藝所，陜西榆林 719000）

由于神木氣田的地址特征、天然氣性質和地面自然條件及集輸成本等因素，主要采用濕氣輸送。輸送過程中，由于濕氣中水的存在可能積液或形成水合物，積液會降低管道有效截面積，增大輸送阻力和管線壓降，降低管輸效率，加速管線的腐蝕，增加管線泄漏的風險。受管內流體流速以及地形起伏等因素的影響，管道內有可能產生段塞流，造成管線振動性破壞，對混輸管道和管道下游分離設備或其他設施的正常工作帶來不利影響，一定壓力溫度下形成水合物堵塞管道事故。因此，探討起伏集氣管線高效運行的關鍵技術問題，對集氣管線的安全經濟運行具有十分重要意義。

1 高效運行的關鍵技術問題

起伏集氣管線高效運行受地形、運行、氣候和環境參數綜合影響，結合神木氣田集氣工藝實際和現有研究成果，建立起伏集氣管線高效運行的系統理論，為起伏集氣管線的科學管理提供科學依據。

1.1 濕天然氣管道的動態分析

神木氣田地形復雜多樣，山、丘、壩皆有，氣田輸送天然氣采用的是濕式輸送方式，當天然氣從氣井攜帶出水分時，會造成一些損害，所以需要建立濕天然氣管道動態分析模型，預測管道內的積液情況，為清除管道內積液和防凍堵措施奠定基礎。濕天然氣管道動態分析需建立壓力溫度變化的組合模型，將每一傾角的管路分段計算，從管道入口段開始，逐點計算每一節點的流動參數（壓力、溫度、持液率等）。

根據喻西崇等[1]的研究結論，水平管中采用Eaton 和Dukler Ⅱ相關式，上傾管路用用Beggs-Brill 相關式進行角度修正Eaton 或Dukler Ⅱ相關式，下坡管路采用Xiao-Brill 相關式。計算氣液兩相流溫度變化規律時，因不清除流體的組分，因此選擇黑油模型作為溫降計算相關式[2]，即：

焦耳-湯姆遜系數Di的計算式為：

式中，T0為環境溫度，K；TQ為管道起始端溫度，K；TZ為管道末端溫度，K；pQ為管道起始端壓力，Pa；pZ為管道末端壓力，Pa；pr為對比壓力；Tr為對比溫度；pc為臨界壓力，Pa；Tc為臨界溫度，K；K為管道的傳熱系數，J/（m2.K）；c為混合物的比熱容，J/（kg.℃）；cpg為氣相的比熱容，J/（kg.℃）；ρl為液相的密度，kg/m3；M為流體的質量流量，kg/s；i為以液柱表示的兩相流管路的水力坡降，m/m；Di為氣體的湯姆-焦耳遜系數，℃/Pa；x為氣相質量分數；L為管路長度，m。

1.2 起伏管線集氣量及集輸效率計算

對于氣田濕天然氣集氣管道，由于液相帶入（或集氣過程中相態變化）的不可避免，100～200m 的高程差[3]按水平管路計算可能導致較大誤差，即使高程差低于100～200m，下坡流的能量集聚和上坡流的能量消耗難以平衡，建議采用起伏管線計算，即：

式中，Q為天然氣在標準狀況下的體積流量，m3/d；C為常數，根據采用的量綱而定；R為氣體常數，m2/（s2·K）；Δ為天然氣相對密度，無量剛；ΔS為管線終點和起點之間的高層差，m；D為管線內徑，mm；λ為水力摩阻系數，無量剛；Z為天然氣壓縮因子，無量剛；T為平均溫度，g為重力加速度，m/s2，其余參數意義同前。

由于受氣田新井、新區投產進度，氣田多級增壓集輸，冬季高峰供氣等因素影響，集輸管道投運后，會出現輸氣量長期偏低，或者超出設計輸氣量的情況，使得計算的輸氣效率隨著實際管輸氣量的變化而變化。現場清管實踐中，當濕氣輸送管網管輸氣量低于設計輸氣量時，管道容易積液，管輸效率偏低，部分大管徑管道在輸氣量較低的情況下，即使反復多次清管，計算的管輸效率仍然較低；當管輸氣量大于設計輸氣量時，計算的管輸效率會出現大于100%的情況，顯然不能滿足和指導現場清管作業。因此，SY/T 5922-2012《天然氣管道運行規范》取消了以輸氣效率小于95%作為判斷管道是否清管的依據，而是提出清管周期應根據管道輸送的氣質情況、管道輸送效率和輸送壓差合理確定。徐文龍等提出相對輸氣效率η定義，為管道實際運行過程中的輸氣效率與管道上一次清管后的輸氣效率（視為該管道在當時運行條件下的最大管輸效率）的比值，即：

1.3 天然氣水合物生成溫度預測

預測天然氣水合物生成條件（溫度或壓力）的方法較多，而常用的有經驗圖解法、相平衡常數法（Katz 法）、統計熱力學法和算圖法等[3]。根據氣田氣質參數和運行條件，合理選擇預測方法，確保天然氣水合物的生成條件預測模型的可靠性。

1.4 積液量的計算

天然氣管道中的積液量包括凝析水量及持液率變化導致的積液量之和。天然氣凝析水量，對于集輸氣管線可根據集輸氣管起點條件和集輸氣管線的操作條件計算[5]，即

式中，Q11為天然氣凝析水量，kg/d；WS、WE分別為起點和終點的天然氣含水率，g/m3；Qg為集輸氣量，m3/d。

利用濕天然氣的動態分析理論計算出起伏管路沿程每段入口和出口的持液率（特別是下凹段），則某一時間段內管線積液量可由下式計算：

式中，HLiA（t）、HLiB（t）分別為某一時間t第i下凹管段入口和出口的持液率，小數；t0、t分別為計算積液量的起始時間，d；Q12為管線的持液率變化導致的積液量，kg。

1.5 防凍劑加注參數優化

天然氣集輸礦場主要采用有機抑制劑，包括甲醇、乙二醇和二甘醇，其中甲醇最常使用，甲醇在處理站回收和再次循環使用。對于給定的水合物形成溫度降Δt，水合物抑制劑在液相水溶液中必須具有的最低濃度按下式計算：

式中，Mf為抑制劑的分子量，甲醇取32.04，乙二醇取62.07；Ki為常數，甲醇取1 297，乙二醇取2 220；Wmin為在最終的水相中抑制劑的重量百分數（即富液的重量濃度），%；T1為管線最高操作壓力下天然氣的水合物形成溫度，對于節流過程，則為節流閥后氣體壓力下的天然氣形成水合物的平衡溫度，℃；T2為管輸氣體的最低流動溫度，對于節流過程為天然氣節流后的溫度，℃。

抑制劑實際量包括用來處理自由水所需要的抑制劑量和蒸發到氣相中所損失的抑制劑量，用下式計算：

式中，Wt為重量濃度為C1的抑制劑的用量，kg/d；Wg為按質量濃度為C1計算得的供氣相蒸發用的抑制劑實際用量，kg/d；C1為抑制劑中有效成分的質量百分濃度；Ww為單位時間內系統產生的液態水量，kg/d。

2 起伏集氣管線科學管理對策

結合神木氣田冬季持續低溫和冬季凍堵問題，從集氣管線信息系統完善和增值服務、優化防凍堵劑加注及清管制度優化等方面提出具體措施。

2.1 完善管線信息的管理和應用

氣田每年均開展集氣管線高程-里程、管線區域周邊環境、管線交叉與裸露情況、“三樁一牌”（里程樁/陰保測試樁、標志樁、加密樁/通信標石樁、警示牌）、管道保護電位、陰極保護測試樁保護電位、絕緣法蘭等項目的普查，已初步建立起管線完整性管理軟件，但信息中的單井（或管線）動態數據（集氣量、氣液比等）不全，導致信息系統的綜合利用嚴重滯后，未能發揮管線信息在管線科學管理中的作用，目前僅具備數據查詢功能，大數據分析和優化決策基本上未見。

因此，建議在氣田數字化建設中，注重一手抓建設與推廣，一手抓成果轉化和信息利用程度，拓展數字化在生產、生活各個領域的“增值服務”，如管線路由、管線結構數據與運行參數相結合，預測管線動態，精準制定管線高效運行的措施。通過數字化建設提高的增值服務，使氣田長期形成的資源、技術、管理獲得空前的擴展、創新和豐富。

2.2 優化完善防凍劑加注

加注水合物抑制劑仍然是目前防止天然氣水合物形成的主要措施之一，其水合物形成防止效果與天然氣輸送溫度、抑制劑種類、藥劑加量、加注時間和加注方式密切相關。重點在于加注時間、加注量和周期的把握，現場實際操作時，必須針對不同的工況條件進行動態調整。具體措施如下：

（1）針對運行工況制定防凍劑加注方案。為有效減少水合物堵塞概率，保障冬季集輸管線的正常運行，結合季節性氣候變化和運行參數，準確預測水合物生成條件，制定管線防凍劑加注量、加注周期及加注時間等，并開展凍堵跟蹤。各作業區指定專人負責冬季凍堵跟蹤的反饋，及時通報凍堵情況、分析凍堵原因，確保加注制度、計溫及清管周期的及時調整。

（2）動態調整加注方案，確保加注效果。嚴格執行防凍劑方案，并結合生產實際進行加注參數的動態調整，建議采用泵注并帶霧化裝置，以利于藥劑與天然氣氣流的充分接觸，確保防凍堵劑的加注效果。

2.3 清管制度優化

鑒于蘇里格氣田與神木氣田的相似性，建議氣田濕氣輸送管道是否清管的判斷依據文獻的確定方法。①對于v＜5m/s 的管道，只要滿足相對輸氣效率η≤90%，Wq/V≥1%，管道始末端壓差梯度Δp≥200kPa/km 三個條件中的一條，就應對管道進行清管；將η＜90%或者η＜95%作為判斷管道是否需要清管的條件，作為SY/T 5922-2012的有效補充。②對于v＞5m/s 的管道，不考慮管道始末端的壓差梯度，只要滿足相對輸氣效率η≤90%或者Wq/V≥1%的條件，應對管道進行清管；③Wq/V值小于1%，積液量大于管道下游集氣站段塞捕集器的最大段塞處理能力時，不管其他條件，也要啟動清管。實際應用中，結合現場清管試驗情況予以修正，形成神木氣田不同區塊的清管制度。