湿天然气输送管道积液发展过程影响因素分析*

刘建武 何利民

1中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院

2中石化石油工程设计有限公司

湿天然气（简称湿气）输送是指原料气未在采气井口深度脱水、脱烃而进入集气管道进行输送的一种工艺[1]，具有流程简单、节约投资、环保和便于管理等优点，在气田、油田伴生气以及越来越多的边际气田集输领域得到了广泛应用。进行积液的有效处理是湿气管道日常运行管理中的一项重要工作。通常采用定期清管的方法来清除管道内的积液，但受介质组成、地形条件、操作条件以及环境因素等的影响，管道的积液量往往是变化的，这给清管周期以及清管末端处理设备容积的确定带来了难题[2-4]，同时也会造成清管过程的压力剧烈波动，使局部管段具有超压风险，影响了管道的运行安全。因此，国内外众多学者开展了湿气集输管线中的积液预测与流动规律研究，以寻求合理的积液防控措施[5-9]。

运行压力和温度条件下有冷凝水和重烃的析出是湿气管道产生积液的必要条件，多元物系的组成及其所在的温度和压力范围，决定了整个物系的相态分布。实际生产运行过程中，集气管道面临的环境条件是复杂多变的，基于不同的气井生产工艺，进入集气管道湿气的含水有可能以未饱和、饱和或者过饱和的形式存在；管道沿线的环境温度伴随季节的交替也会发生变化；针对不同地层压力的生产井，集气管网也将具有不同的压力等级匹配，这些因素都将对积液在管道中的沉积及发展带来影响。本文将在前期研究工作基础上，分析环境温度、含水量以及运行压力等参数对湿气输送管道积液沉积以及发展过程的影响，以期为湿气管道集输工艺的优化以及积液控制和处理方案的制定提供指导。

1 基准案例模型与计算方法

来料湿气含水摩尔分数W=0.87%，管道里程L=18 km，管径D=590 mm，管道首站运行温度T=60 ℃，环境温度T0=10 ℃，管道末端压力p=2.6 MPa，设计输量Q=1.8×106m3/d，管道沿线高程H如图1 所示。

图1 管道沿线高程Fig.1 Elevation along the pipeline

以此作为基准案例开展积液发展过程的影响因素分析，输送湿气的气质组成以及OLGA 模拟模型和计算方法的实施等内容详见文献[10]。

2 计算结果与分析

2.1 环境温度的影响

图2 所示为管道沿线环境温度T=0 ℃、10 ℃和20 ℃时，管道全线的积液发展情况。从图2 可以看出，管道稳定运行时的积液量随着环境温度的降低而增大，积液在管道中沉积直至达到稳定时的持续时间也随着环境温度的降低逐渐延长。

图2 环境温度对管道积液发展的影响Fig.2 Effect of ambient temperature on pipeline liquid loading development

埋地管道运行过程中会与周边环境进行热交换并最终达到热平衡，由于管道沿线存在热损失，从集气管道起点开始，管道沿线的运行温度会逐渐降低；集气管道入口温度以及管道沿线总传热系数保持不变，环境温度越低，管道沿线的热损失越大，管道沿线的温降也就越大，如图3 所示。根据多元物系的相平衡特性，管道运行温度越低，在管道沿线的不同位置则会有更多的液相从气相中快速凝结出来，并在管道沿线具有不同倾角的起伏段进行聚集，环境温度越低，管道全线的积液量越大。

图3 环境温度对管道沿线温度分布的影响Fig.3 Effect of ambient temperature on the temperature distribution along the pipeline

湿天然气中的重烃组分和水蒸气能否快速地凝结析出并进行沉积以及管道沿线低洼处形成的积液能否快速流动进行质量交换，是影响湿气管道积液量多少以及发展持续时间快慢的关键。在管输量以及末点压力不变的情况下，管道沿线环境温度的不同会使管内的介质流速发生变化。为了更清楚地了解管道流速的影响，这里仅对环境温度T=0 ℃和20 ℃时的情况进行分析。图4 为清管器到达集气管道末端时管道沿线的气体流速分布情况，此时管道内部刚完成清管，湿气中仅有少量的液相析出，还未形成积液，最能反映运行温度对管输流速的影响。从图4 可以看出，管道沿线的气体流速随着运行温度的降低而减小；环境温度越低，管道沿线输送介质整体的流速越慢，越不利于管道沿线形成的积液进行质量交换，管道全线积液量达到稳定所持续的时间就越长。

图4 环境温度对管道全线气相流速的影响Fig.4 Effect of ambient temperature on gas phase velocity along the pipeline

2.2 含水量的影响

不同油气藏的储气构造、地质条件、自然条件、介质组成等因素是千变万化的，因而适应这些因素的井场采气与集气流程也是多种多样的，这也就造成了进入集气管道湿天然气中的含水量是不确定的。基于不同的采气工艺，在集气管道入口所在温度和压力条件下，进入集气管道的湿气可能会以未饱和、饱和或者过饱和的状态呈现，伴随管道沿线运行和压力的降低，也必然会对积液的沉积和发展产生影响。这里对来料湿气含水摩尔分数W为0.27%、0.87%、1.47%时的管道积液沉积与发展情况进行分析。基于多元物系的相平衡计算分析，在集气管道入口温度和压力条件下，W=0.27%时湿气处于未饱和状态，而W=0.87%和W=1.47%时湿气则均处于过饱和状态。

图5 为不同含水摩尔分数湿气进入集气管道后的管道积液沉积与发展情况。从图5 可以看出，管道中的积液量随湿气中含水量的增加而增大。图6为3 种不同含水摩尔分数湿气中水-水蒸气体系的相平衡曲线。从图6 可以看出，湿气中含水量越大，导致水相凝结析出的温度和压力范围就越宽泛，伴随管道沿线的温度和压力降低，液相就越容易析出，并在不同倾角的管道低洼处聚集，导致管道全线积液量增多。

图5 含水量对管道积液的影响Fig.5 Effect of water content on pipeline liquid loading

图6 湿气中水-水蒸汽体系的相平衡曲线Fig.6 Phase equilibrium curve of water-steam system in wet natural gas

从图5 中还可以看出，积液在管道中沉积直至达到稳定的持续时间随着含水量的减小而延长，并且当湿气处于过饱和态时，管道积液发展达到稳定所持续的时间是略有延长，初始含水摩尔分数为1.47%、0.87%的过饱和湿气管道积液发展至稳定的时间分别为16.6 d 和24.6 d（减掉清管前稳态运行的3 d，下同），而初始含水摩尔分数为0.27%的未饱和湿气管道积液发展至稳定的时间则达到了84.2 d。管道积液从发展直至稳定持续时间的快慢与管道积液在起伏地段的流动速度和质量交换快慢有关，当湿气管道含水量较低尤其是处于未饱和状态时，管道沿线积液的形成首先靠的是管道低洼地段的聚集作用，管道含水量越小，越难发生液相的凝结和聚集作用。为了更好地说明问题，这里仅给出W为0.27%、1.47%的未饱和、过饱和湿气在管道后半程最大起伏管段（图1）的下倾管上游和上倾管下游管截面的持液率随运行时间的变化情况，分别如图7 和图8 所示。

图7 最大起伏下倾管上游截面持液率变化Fig.7 Change of liquid holdup in upstream section of downdip tube with maximum fluctuation

图8 最大起伏上倾管下游截面持液率变化Fig.8 Change of liquid holdup in downstream section of updip tube with maximum fluctuation

从图7、图8 中可以看出，无论是下倾管段还是上倾管段，在管道积液沉积最开始的一段时间里，管截面持液率比较稳定且波动较小，说明此时管道的下倾、上倾管段中持液率的形成主要以水蒸气和重烃凝结成液滴与管壁碰撞聚集形成的分层流为主，并不断地在管道的低洼处汇集；伴随管道低洼处聚集的积液越来越多，液位开始升高，气体的剪切应力作用使液面产生波动，当管线低洼处的液位到达一定高度时，基于Kelvin-Helmholtz 理论[11]，由于伯努利效应，在液面处气体流速大而压力低。与其他位置相比，液面波峰处部分压能转化成了动能，当压力作用大于波浪所受的重力作用时，液面的波幅能够到达管内顶部形成液桥，液桥阻塞了气体的流动，随即产生了液塞。液塞运动伴随液塞头部液膜的不断卷吸和液塞尾部液膜的不断脱落，受管道沿线地形起伏以及流体物性的影响，若液塞头部的液膜卷吸速度小于液塞尾部的液膜脱落速度，则液塞会在管道中发生耗散[12]，液塞的形成以及耗散促成了积液在管道沿线的不同管段进行流动和质量交换。湿气中含水越多，积液沉积的速率越快，管道形成段塞并进行质量交换的时间越短；湿气中含水越少，积液沉积的速率越慢，管道形成段塞并进行质量交换的时间越长，即管道积液从发展到稳定所持续的时间越长。

2.3 运行压力的影响

在保持管道输量不变的条件下，通过约束集气管道末端的压力为40、26、15 bar，来分析不同的管道运行压力对湿气管道积液的影响。如图9 所示，管道中的积液量随着运行压力的增大而增大，积液在管道中沉积直至达到稳定时的持续时间也随着运行压力的增大而逐渐延长，且增幅较大。管道运行压力的增大，一方面使得湿气更容易在多元物系相平衡中处于液相区范围，使得积液在具有不同倾角的低洼管段聚集，造成管道积液量的增大；另一方面，不同的运行压力造成湿气在管道中的运行速度存在差异，为了更好地说明问题，这里仅给出集气管道末端压力为40 bar 和15 bar 时，在清管器到达集气管道末端时管道沿线的气体流速分布情况，如图10 所示。从图10 可以看出，在保持管道输量不变的条件下，管道运行压力越大，管道中气体流速就越小，携液进行流动以及质量交换能力就越弱，管道积液发展直到稳定的持续时间就越长。

图9 运行压力对管道积液的影响Fig.9 Effect of operating pressure on pipeline liquid loading

图10 运行压力对管道全线气相流速的影响Fig.10 Effect of operating pressure on gas phase velocity along the pipeline

3 结论

（1）针对所研究的案例，受环境温度、运行压力、介质组成以及管道流速等因素的影响，湿天然气管道输送过程中，液相从凝结析出到发生沉积直至积液量达到稳定的时间往往会持续数天到数月不等。

（2）在其他操作条件不变的情况下，湿气管道积液量随着环境温度的降低、运行压力的增大以及含水量分数的增加而增加；管道积液发展持续的时间会随着环境温度的降低、含水量的减少以及管道流速的减小而延长；其中，含水量和管道流速是影响湿气管道积液量以及发展持续时间的关键参数。