天然气凝析液起伏管道集输敏感特性模拟研究

邓娇 赵晓乐 刘争芬

摘      要： 天然气凝析液管道采用气液混输技术进行输送，地形起伏可能造成管线内流型复杂和流动不稳定，导致管线低洼处容易产生积液，影响集输效率。采用多相流模拟软件LedaFlow建立某凝析气田集输管道水力模型，模拟分析地形起伏对管线压力和持液率分布的影响，探究削弱地形起伏对压力波动影响的集输条件，模拟分析输气量、管径以及管道出口压力对起伏管道水力特性的影响。研究表明：地形起伏增大了压力和持液率的波动，使流动不稳定。高输量、小管径和低压集输能够削弱地形起伏的影响。高压集输压降小，低压集输压降大，存在最优运行压力使生产成本最低。该研究为气液混输管路输送参数的选取提出了合理化建议，对复杂地貌条件下天然气凝析液集输管道的设计和运行管理具有意义。

关  键  词：气液混输;地形起伏;输气量;管径;出口压力;LedaFlow

中图分类号：TE832        文献标识码： A     文章编号： 1671-0460（2020）04-0654-05

Abstract： The natural gas condensate is always transported by gas-liquid mixed transportation technology. The topography fluctuation may cause the appearance of complicated flow pattern and unstable flow in the pipeline， and it is easy to generate liquid accumulation in the lower part of the pipeline， which affects the efficiency of gathering and transportation. A hydraulic model of gathering and transportation pipeline in a condensate gas field was established by using new multiphase flow simulation software LedaFlow. The effect of topography fluctuation on hydraulic characteristics was simulated and analyzed， and the conditions weakening the influence of topography on pressure fluctuation were investigated. The effect of gas flow， pipe diameter and outlet pressure on hydraulic characteristics was also simulated and analyzed. The results showed that the topography undulation increased the fluctuation of pressure and liquid holdup to make the flow unstable. High gas flow， small diameter and low pressure gathering could weaken the influence of topography. The optimum gas flow and the optimum diameter caused the lowest pressure drop and liquid holdup during the gathering and transportation. The pressure drop was low in high-pressure gathering， and was high in low-pressure gathering. At last， reasonable suggestions for the selection of conveying parameters of gas-liquid mixed pipelines were put forward. The paper has guiding significance for the design and operation management of gas condensate gathering and transportation pipeline under complicated geomorphic conditions.

Key words： Gas-liquid mixed transportation; Topography fluctuation; Gas flow; Pipe diameter; Outlet pressure; LedaFlow

在油氣集输领域，气液混输技术能加快油气田的开发速度，降低成本，在天然气凝析液集输管道中较为常见[1]。受地理条件影响，绝大多数凝析气田区块地形地貌复杂，井位分散，气液混输时管路起伏大，造成管线积液增多，压降损失增大，由此造成现有工艺集输困难[2-5]。潘峰等利用OLGA软件对起伏天然气凝析液管道水力特性进行了模拟研究[6-8]，该研究只针对压力变化进行了分析，没有考虑集输条件对管道中持液率的影响。张鹏等人研究了地形起伏对凝析气集输管道工况的影响，没有考虑其他集输条件对管道输送中水力特性的影响。目前，国内外学者关于凝析气田在复杂地貌条件下集输管路流动特性的研究不够全面，文献资料缺乏。

LedaFlow是石油行业新兴的多相流瞬态模拟软件，由挪威SINTEF研究院、法国Total和美国ConocoPhillips公司合作研发。它的基础模型是经双流体模型扩展的多相流体模型，该模型充分考虑了油气水三相中可能存在的分散相，并建立了分散相相应的物理模型，其模拟准确性得到石油行业的广泛认可。本文利用LedaFlow软件建立了某天然气凝析液集输管道水力计算模型，通过稳态模拟分析了地形起伏、输气量、管径和管道出口压力对管道压降和持液率的影响，并对结果进行理论分析，为复杂地貌下的天然气凝析液集输管道的设计和运行管理提供理论基础。

1  水力模型基本参数

利用LedaFlow软件模拟计算某天然气凝析液集输管道的流动情况，该管线总长4.65 km，所处地势地形起伏较大，最大高差达到63 m，管线路由如图1所示。

管线中流体主要成分为天然气、天然气凝析液和水，其中天然气组分构成见表1。为了研究天然气凝析液起伏管道流动的水力特性，在模拟过程中分别改变地形起伏程度、输气量、管径和管道出口压力，并保持其他边界条件不变，得到稳态条件下管线的压力和持液率分布情况。

2  地形起伏对集输敏感特性影响分析

2.1  地形起伏对管道压力和持液率的影响

分别建立水平管线和现场起伏管线计算模型，采用S代表工况：温度为20 ℃，压力为0.1 MPa，设置集输管径为0.04 m，气液比为1 000 Sm3/m3，输气量为648 Sm3/h，管道出口压力为5 MPa。经过模拟，得到水平管路与起伏管路中压力和持液率分布对比情况如图2和图3所示。

由上图可以看出，水平管道压力和持液率基本无波动，呈线性分布，而起伏管路中的压力和持液率出现不同幅度的波动。由图2可知：起伏管线中各个位置的压力都比水平管线压力大，在下降管中，压降梯度变小，在上升管中，压降梯度变大。这是因为起伏管路可近似等效于下降管与上升管组合的管路，下降管中流体的位能减小，抵消了压能的部分损失，上升管中位能增大，增加了压能的损失。由图3可知：下倾管持液率减小，下倾管末段和上倾管持液率增加。这是因为下倾管中的液体由于自重加速流入低洼处，上升管中的液体由于自重产生减速甚至倒流，造成液体积聚。

2.2  地形起伏对集输敏感性影响强弱分析

根据以上模拟结果，地形起伏增大了管线沿程压降损失，同时在管线低洼处产生积液，影响集输效率。在工程实际中，集输管线多为大倾角起伏管线，增大了集输难度。通过模拟不同边界条件下地形起伏对集输敏感特性的影响，分析削弱地形起伏影响的集输边界条件。

分别模拟不同输气量、管径和出口压力条件下起伏管路和水平管路中压力分布情况，结果如图4、图5和图6所示。

根据模拟结果可以发现地形起伏对集输敏感特性影响的强弱与输气量、管径和出口压力均有关联。在输气量较大、管径较小和出口压力较小情况下，起伏管路与水平管路的压力分布差别不大，压力波动较小，地形起伏对集输敏感特性产生的影响较小。因此，凝析气田集输气量较大、管径较小和低压集输时，可削弱地形起伏造成的压力波动影响。

3  集输边界条件对起伏管路集输敏感特性影响分析

3.1  输气量对管道压力和持液率的影响

起伏管线路由如图1所示，设置管径为0.04 m，气液比为1 000 Sm3/m3，管道出口压力为5 MPa。模拟6种不同输气量条件下管道的压力和持液率分布，计算结果如图7和图8所示。

从图7可以看出，在较低输量范围内，随着输量的增加，管道入口压力逐渐降低，管道总压降减小。输气量超过一定范围，随着输量增加，管道入口压力逐渐升高，管道总压降增大。并且随着输气量增加，压降梯度逐渐增大，趋近于线性变化。这是因为较低输气量下总压降主要由高程变化引起，输气量的增加引起流速增大，摩阻压降在总压降中的比重随之增加。

从图8可以看出，随着输气量的增加，下倾管持液率略微增加，上倾管道持液率和管道低洼处持液率减小，上倾管的变化趋势比下倾管更加明显。这是因为随着输气量增大，气体的携液能力也随之增加，在上倾管和管道低洼处更多的液体被气体带出，因此持液率减小。在下倾管处，由于重力作用，液体产生加速，造成气体携带作用减弱。当输气量增加到一定程度，持液率变化不明显，全线持液率保持在较低水平。

综上所述，输气量在一定范围内增加能使压降减小，持液率降低，但是输气量超过一定范围会使压降增大。因此在实际集输方案设计中，存在最优输量使压降和持液率分布满足设计要求。

3.2  管径对管道压力和持液率的影响

设置气液比为1 000 Sm3/m3，输气量为648 Sm3/h，管道出口压力为5 MPa。模拟6种不同管径条件下管道的压力和持液率分布，计算结果如图9和图10所示。

从图9可以看出，管径较小时，随着管径的增加，管道入口压力逐渐降低，管道总压降减小，压降梯度逐渐减小。这是因为，管径增大造成流速减小，摩阻损失也随之减小。当管径超过一定范围，随着管径增加，入口压力逐渐升高，管道总压降逐渐增大。当管径增大到一定程度时，管径的增大对压力影响作用变小，压降损失主要由高程变化引起。

从图10可以看出，随着管径的增加，下倾管道持液率略微减小，上倾管道持液率和管道低洼处持液率显著增加。這是因为，管径增加造成气体流速减小，气体携液能力随之减弱，在上倾管和管道低洼处气体携带液体的量大大减少，造成液体积累，持液率显著升高。下倾管中液体能够依靠自身重力向前流动，因此持液率不会增加。

3.3  出口压力对管道压力和持液率的影响

设置管径为0.04 m，气液比为1 000 Sm3/m3，输气量为648 Sm3/h。模拟6种不同出口压力条件下管道的总压降和持液率变化，总压降结果如表2所示，持液率分布如图11所示。