頁巖氣管道兩相流型判斷研究

梁 平，趙偉東，楊 穎，劉 姝，黃輝榮，熊明林

（1. 重慶科技學院 石油與天然氣工程學院，重慶 401331；2. 中國石油 西南油氣田分公司，重慶 400714）

在氣田建設中，氣液分離運輸和氣液混合運輸是集輸管道的主要運輸方式[1]。傳統的陸上氣田氣液分離傳輸和采集過程是在計量前將井場或集氣站中的天然氣分離出來，然后再將天然氣輸送到天然氣加工廠或直接輸送到天然氣管道中。井場或集氣站的過程比較復雜，分離后的液體管道運輸及車輛運輸投資費較大，給現場氣田的運行管理帶來了不便[2]。氣液兩相混合輸送的集氣過程是井場中的天然氣直接進入集氣支線或集氣干線，輸送至天然氣處理廠，不經處理。該井場過程簡單[3]，井場的主要工藝設備是井口節流閥和相關的截止閥，沒有分離設備，且自動控制儀器、液體儲存和運輸設施也減少了。整個氣田的站數少于采用氣液分離傳輸和采集技術的站數，操作簡便，管理方便，節省投資[4]。

管道中常見的流型有氣泡流、分層光滑流、段塞流、環狀流等。對于現象描述多采用外形劃分，流動機理分析多采用分布特點劃分[5]。氣泡流的主要特點是隨氣量的增加，氣泡合并形成較大的氣團[6]，在管路上部同液體交替流動。分層流的特點是在增加氣體量時，氣團連成一片連續的氣相，氣液間具有較光滑的界面，相速度有較大的差別。段塞流的形成主要是當氣體流量較大時，波浪會加劇，且波浪的波峰會不時地上升到管道的頂部形成液塞，阻礙高速氣流的通過，被吹走的氣體帶走一些液體，液體被帶走或分散成小滴或氣體形成泡沫。隨氣體流速的進一步增加，不同環狀液層變薄，形成環狀流。如果集輸管道液體波動較大，不僅會影響兩相管道的流態，且還會在低處和上坡管道中積聚大量液相，導致更大的摩擦和滑移損失。目前，濕氣輸氣管道模擬被廣泛認可，CFD，SPS，OLGA等軟件是較領先的多相流模擬計算軟件[7]。

本工作通過合理的建模，研究了頁巖氣管道中流型的變化，分析了管道流型與持液率（HOL）、壓力、溫度等參數的關系，為現場管線的流型判斷提供理論依據。

1 實驗部分

1.1 主要實驗參數

選取川西地區頁巖氣田集輸管道為研究對象，集氣站氣體組成見表1。

表1 集氣站氣體組成Table 1 Composition of gas gathering station

該處天然氣壓縮因子為0.998 1，高位發熱量為36.959 MJ/m3，相對密度為0.562 2，臨界溫度為191.35 K，臨界壓力為4.609 MPa，管道內徑為307.9 mm，管線長度為5.45 km。以上參數參比條件為20 ℃，101.325 KPa。

集氣站至中心站氣量及其管段相關模擬數據見表2，鋼材參數見表3。

表2 模擬工程數據Table 2 Data of simulation project

表3 材料物性參數Table 3 Material property parameters

該段管線通氣量主要為井組的氣，產氣量為52.19×104m3/d，產水506.76×103m3/d，各井組水均通過分離器第一次分離，考慮分離器的分離效率為95%，進入管道的水量為產水的5%。

根據HYSYS軟件通過動態模擬將氣液混合[8]，可得氣體中水與總組分的摩爾比為0.056 8。

1.2 OLGA的基本模型

OGLA采用的模型為雙流體模型，主要包括氣相、液相和液滴的三個質量方程（式（1）～（3））、氣液相和管壁單純液相的動量守恒方程（式（4）～（5））及混合體系的能量守恒方程（式（6））[9]。

模型中所采用的守恒方程為歐拉方程，其中，在歐拉方程中同時采用了拉格朗日的前沿追蹤格式。在該模型中將流型劃分為兩個基本流型：分布式流型和分離式流型。其中，分布式流型包括氣泡流和段塞流；分離式流型包括分層流和環霧流。OLGA中流型的判別在于指定的壓降情況下，選擇氣液兩相流線性速度差最小或者氣相速度最高的流型，同樣也適用于高壓兩相流的判別。

2 結果與討論

2.1 輸氣管管道流型結果分析

利用OLGA軟件建立積液模型，模擬30 d，在輸氣管道總積液量達到穩定時，分析管線管道的高低起伏、壓力、HOL、溫度和流型的變化。

2.1.1 流型和管道地勢的關系

管道流型與地勢的曲線見圖1。從圖1可看出，在管線長度為1 162.26～2 627.87，3 506.26～3 646.65，4 082.77～4 219.73，4 329.25 ～4 475.14，4 911.65 ～5 140.89，5 237.09～5 261.61 m處為段塞流，在上坡段氣液相滑脫比減少，氣體攜液能力減少，形成段塞流[10]。段塞流基本在管線上坡段和管線末端。在下坡段氣液滑脫比增大，攜液能力增加[11]，形成為分層流，因此管線其他流型均為分層流。

圖1 流型與地勢的關系曲線Fig.1 Relationship between flow pattern and topography.

2.1.2 流型和HOL的關系

流型與HOL的關系曲線見圖2。從圖2可看出，在管線起點瞬態的平均HOL為0。在管線長度為1 157.21～2 622.64，4 077.50～4 214.46，4 906.44～5 135.68 m處的平均HOL分別為0.40，0.37，0.37，其他位置的HOL接近0。這是因為在管線上坡段由于氣體上升，導致液體回流，滑脫比增加，因此HOL增大[12]；在下坡段，滑脫比下降，因此HOL下降。當分層流轉變為段塞流時，管道中HOL隨之增大，從而形成液塞，阻礙高速氣流的通過。

圖2 流型與HOL關系曲線Fig.2 Relationship between flow pattern and liquid holdup(HOL).

2.1.3 流型與壓力和溫度的關系

流型與壓力和溫度的關系曲線見圖3。從圖3可看出，在分層流中，管線壓力和溫度呈小幅度上升趨勢，在分層流轉變為段塞流時，以沖擊流型的混輸管路震動和水擊現象最明顯[13]，壓力相比溫度有很大波動。

圖3 流型與壓力和溫度的關系曲線Fig.3 Relationship between flow pattern，pressure and temperature.

2.2 清管管道流型結果分析

建立清管模型，清管模型的分層流和段塞流與管線高低起伏、HOL、壓力和溫度的關系均與積液模型一致，但在清管過程中出現了氣泡流的轉化，清管模型模擬工況見表4。

表4 模擬工況數據Table 4 Data of simulated operating conditions

清管過程中管道沿程流型隨時間的變化見圖4。從圖4可看出，隨著清管作業的進行，在管道長度低于1 162.26 m時是分層流，管道長度高于1 162.26 m時上坡管段出現了多次段塞流，主要在管道長度為1 493.76～1 614.20，2 523.39～2 627.87，4 860.37～4 984.58 m附近出現氣泡流，其他流型均為分層流。

圖4 清管過程中的流型變化Fig.4 Flow pattern changes during pigging.

2.2.1 氣泡流和地勢的關系

清管過程中流型變化曲線見圖5。在清管作業到1 500.98 s時，流型中隨路程變化出現氣泡流（如圖5a所示）；隨時間移動，在2 400.11 s氣泡流集中出現在管線末端（如圖5b所示）最終消失。分層流轉化為氣泡流，在管線上坡段和末端氣泡流和段塞流共同存在，由于氣體流速增加，氣泡合并形成較大的氣團，氣體與液體交替運動，但速度變大時，管道內部波浪增大，可形成液塞，阻礙高速氣流的輸送。

圖5 清管1 500.98 s（a）和2 400.11 s（b）時流型隨路程的變化Fig.5 Variation of flow regime with distance at 1 500.98 s(a) and 2 400.11 s(b).

2.2.2 氣泡流和HOL的關系

清管中氣泡流和HOL的關系曲線見圖6。

圖6 清管中氣泡流和HOL關系曲線Fig.6 Relationship between bubble flow and HOL in pigging.

從圖6可看出，由于管道中的氣泡流使液體的流動體積增大，液體與管壁的相對流速增大，使得沿程摩擦阻力增加，氣泡流產生，出現HOL增加的現象，最大值接近1，存在清管卡堵的風險。因此，在清管期間，需要注意清管的流速不宜過大，一般控制在3～5 m/s適宜[14-15]。

2.2.3 氣泡流與壓力和溫度的關系

清管中氣泡流與壓力和溫度的關系曲線見圖7。從圖7可看出，當出現氣泡流時，溫度和壓力下降幅度較大。需要注意末端段塞流液量，通過調節末端分離器的排量、加段塞流捕集器或緩沖罐等措施消除溫度和壓力的影響。監測管道中壓力和溫度的變化可以幫助監測管線流型的轉化，從而解決段塞流的危害。

圖7 清管中氣泡流與壓力（a）和溫度（b）的變化曲線Fig.7 Change curves of bubble flow with pressure(a) and temperature(b) in pigging.

3 結論

1）頁巖氣輸氣管道的流型主要為分層流和段塞流的相互轉化，當分層流轉化為段塞流時，會形成液塞，阻礙氣流的通過，氣體吹走并帶走一些液體，或分散成液滴，或形成泡沫，造成管道中HOL明顯升高，溫度和壓力降低。

2）通過分析管道中段塞流的高低、HOL、溫度和壓力的變化，可得到段塞流產生的具體位置，從而進行檢測和預防。

3）在清管過程中，管道流型出現氣泡流，管道中HOL的最大值接近1，嚴重阻礙管道流通，氣泡流多次出現在管線末端，因此在清管期間應注意控制清管的流速，減少氣泡流的產生，從而減少清管作業中管線的損害。

符號說明