天然氣凝析液管道射流清管器清管效果分析①

朱海山 羅小明 姚海元 何立民 李清平

（中海油研究總院）

海上氣田運(yùn)行中后期，海底管道內(nèi)積液逐漸增多。凝析液易在海底管道內(nèi)積聚，從而降低管道流通面積，造成不必要的能量損失；并且在低溫高壓等特定情況下，可能會(huì)有水合物生成，造成管道堵塞等事故。對(duì)于這種情況，在現(xiàn)場(chǎng)一般通過清管的方式進(jìn)行解決［1－2］。對(duì)用于海底濕天然氣管道清管的傳統(tǒng)清管器，一般是通過皮碗或球體對(duì)管道進(jìn)行密封，使管道內(nèi)背壓增高，依靠清管器前后壓差推動(dòng)其在管道中運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而進(jìn)行清管作業(yè)。由于前后密閉，清管過程中沒有氣體的前后流通，會(huì)造成清管的一系列問題：清管器運(yùn)行速度過快，導(dǎo)致清管器上下游發(fā)生嚴(yán)重的竄漏，使清管效率降低，液體不能被完全清除；管道內(nèi)壁有減阻或防腐涂層［3］，高速運(yùn)動(dòng)的清管器帶動(dòng)機(jī)械雜質(zhì)（砂粒）與管道內(nèi)壁產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦，破壞涂層，縮短管道壽命；尤其是對(duì)于大管徑管線的清管，成噸重的清管器在管道內(nèi)高速運(yùn)行，產(chǎn)生巨大的動(dòng)量，對(duì)彎頭、通球指示儀、收球筒等產(chǎn)生巨大的沖擊，可能撞壞設(shè)備、清管器，甚至導(dǎo)致管線泄漏，從而引發(fā)事故；清管器在到達(dá)管線終端時(shí)，會(huì)將整個(gè)管線的大量積液在較短的時(shí)間內(nèi)快速地輸送到段塞捕集器中，液塞流量極大，極易造成捕集器的過載事故。

射流清管器的基本原理是清管過程中有效地控制部分液體回流，從而減少液塞量。射流清管器最早應(yīng)用于輸油管道的除垢。在輸油管道的除垢中，隨著清管器運(yùn)行的推進(jìn)，在其前端會(huì)逐漸積累大量污垢，極易造成清管器的卡堵。為解決卡堵事故，研發(fā)了自動(dòng)解堵射流清管器［4］。根據(jù)輸油管道中除垢應(yīng)用的自動(dòng)解堵射流清管器的原理，提出了應(yīng)用于濕天然氣管道的射流清管器。為得到射流清管器應(yīng)用于天然氣凝析液管道的清管效果，利用OLGA軟件建立了管道模型，并進(jìn)行了模擬工作。

1 模型建立

通過OLGA軟件建立了如下管道模型［5］，合理輸入進(jìn)出口壓力、流量等邊界條件以及海底管道的傳熱條件等。如圖1所示，該管線總長(zhǎng)10km，包括了水平管段、起伏管段和立管管段，其中立管高度為200m。

2 模擬分析結(jié)果

2.1 速度變化

利用旁通率分別為0%、3%、6%、9%的射流清管器進(jìn)行了模擬。圖2為旁通率分別為0%、3%、6%、9%射流清管器清管期間速度隨時(shí)間的變化關(guān)系。由圖2可以得到，隨旁通率變化，清管時(shí)間分別為3 188s、3 950s、4 888s、6 440s，水平管路清管器速度分別為3.2m／s、2.6m／s、2.0m／s、1.6m／s，立管處速度波動(dòng)分別為3.5m／s、2.1m／s、0.8 m／s、0.7m／s。隨旁通率增加，清管器運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)，速度降低；在兩段起伏管路和立管處，隨旁通率的增加，速度波動(dòng)明顯降低。

在起伏管路處清管器速度有明顯波動(dòng)，而在立管管段處速度波動(dòng)更大，而且隨旁通率的增加速度變化量呈降低的趨勢(shì)。由于液體密度大于氣體，則在重力作用下在上傾管底部積聚一定量液體，清管器運(yùn)動(dòng)到上傾管底部時(shí)，清管器掃出積液和原有積液一同聚積于此。大量液體積聚在清管器上游，形成了較高的液柱靜壓差，并且清管器在流動(dòng)方向的重力分力也對(duì)其運(yùn)行形成阻礙作用，導(dǎo)致清管器阻力增加，清管器減速運(yùn)行，速度降低。在減速運(yùn)行過程中清管器下游逐漸積聚壓力，形成的前后壓差能足以克服所有阻力時(shí)，逐漸通過上傾管路。射流清管器首先能通過旁通氣流的剪切攜帶作用，在運(yùn)行過程中將一部分積液帶離上傾管段；其次，由旁通孔射出的高速氣流能對(duì)清管器上游液塞充氣，在高速氣流的吹動(dòng)下，液塞分布到更長(zhǎng)的管段上使液塞的量減小，對(duì)清管器運(yùn)行的阻力減小，從而使清管器的運(yùn)動(dòng)速度變化量減小。當(dāng)清管器運(yùn)行到立管底部積液時(shí)，整個(gè)管線沉積液體集聚于此，所形成的靜液柱壓差是非常大的，這就要求當(dāng)清管器運(yùn)動(dòng)到此處時(shí)，要有較長(zhǎng)的時(shí)間積聚壓力，速度得到較大程度的降低甚至是清管器停止運(yùn)行，壓力足以克服所有阻力時(shí)清管器迅速通過立管，清管器速度變化極大；而當(dāng)旁通率較高時(shí)，能夠通過旁通及時(shí)地降低清管器前后壓差，使清管器在通過立管時(shí)速度得到降低，使清管器速度變化不大。

2.2 壓力變化

圖3所表示的是立管底部和立管頂部壓力隨清管時(shí)間的變化關(guān)系。由圖3可以看出，在旁通率分別為0%、3%、6%、9%時(shí)，立管底部壓力波動(dòng)值分別為285kPa、170kPa、90kPa、60kPa，立管頂部壓力波動(dòng)值分別為880kPa、580kPa、320kPa、140 kPa。隨著旁通率的增加，清管器通過立管的壓力波動(dòng)值明顯降低。

對(duì)于海底天然氣凝析液管道的清管，整個(gè)管線的積液最終都會(huì)通過清管器推送到立管處，所以清管過程中此處無(wú)論速度還是壓力都是變化最劇烈的部分。在立管底部集中了整個(gè)管線的積液，靜液柱壓差很高，因此清管器會(huì)減速運(yùn)行甚至是停止運(yùn)行進(jìn)行背壓的積聚。當(dāng)背壓升高到一定值并足以克服極高的靜液柱壓差、清管器自重、清管器所受摩阻等阻力，清管器開始運(yùn)行，在運(yùn)動(dòng)過程中立管底部壓力很高、頂端壓力很低。當(dāng)清管器通過立管頂端后，立管處大部分積液被清管器清出，立管底部壓力減小，頂部壓力增加，壓差隨之減小。當(dāng)清管器存在旁通率時(shí)，旁通氣流量隨旁通率的增加而增大，對(duì)清管器前的液塞的剪切攜帶作用也就增強(qiáng)。通過對(duì)液塞的帶離作用以及對(duì)液塞充氣作用，使得清管器下游的靜液柱壓差降低，清管器所受阻力降低，清管器運(yùn)行所需壓差降低，壓力波動(dòng)降低。

2.3 液體流量變化

如圖4所示，旁通率分別為0%、3%、6%、9%時(shí)，射流清管器清管期間，液塞流出時(shí)間分別為290 s、520s、840s、1 690s，最高流量分別為597kg／s、223kg／s、86kg／s、39kg／s，顯然旁通通道的存在明顯地減小了終端液塞的流量。

對(duì)于海底天然氣凝析液管道的清管，在立管底部集中了整個(gè)管線的積液，靜液柱壓差很高。因此，清管器會(huì)減速運(yùn)行甚至停止運(yùn)行來(lái)進(jìn)行背壓的積聚。只有背壓升高到一定值足以克服清管器阻力，清管器才開始運(yùn)行；運(yùn)行一段時(shí)間后，由于背壓處空間膨脹后壓力下降不足以克服所有阻力，清管器減速甚至是停止運(yùn)行，再進(jìn)行新一輪的壓力積聚過程。利用這種“走走停停”的動(dòng)態(tài)平衡方式，清管器在立管中緩慢運(yùn)行。當(dāng)液塞頂端通過立管頂部后，這種動(dòng)態(tài)平衡被打破，清管器阻力突然降低，造成清管器動(dòng)力遠(yuǎn)大于阻力，如果在沒有旁通的情況下，必然加快了清管器的運(yùn)動(dòng)；而清管器加快運(yùn)動(dòng)后更多的液塞通過立管，清管器阻力更小、速度更快，形成了清管器速度的遞增循環(huán)。最終液塞以極高的速度迅速通過立管到達(dá)終端的液塞捕集器，液塞流量極大、極易造成終端處理設(shè)備的過載，如圖5（a）所示。如果清管器存在旁通，如圖5（b）所示。

當(dāng)液塞首段通過立管頂部清管器阻力突然降低時(shí)，清管器能通過旁通及時(shí)地泄壓，使這種過剩的壓能轉(zhuǎn)化為旁通氣流的噴射動(dòng)能，一方面噴射而出的氣流能對(duì)前方液塞產(chǎn)生極大地沖擊，在氣流的剪切攜帶作用下液體段塞被沖破，部分液體隨著氣流流向終端；另一方面及時(shí)的泄壓能防止清管器前后的壓差轉(zhuǎn)化為清管器速度，起到降低清管器速度的作用。通過這兩方面作用，旁通清管器能有效延長(zhǎng)液塞集中到達(dá)終端的時(shí)間，減小了傳統(tǒng)清管在清管將近結(jié)束期間液塞高流量、高速度到達(dá)終端的效果，有效地降低了液塞流量，防止終端分離器的過載。由于旁通率越大，這種泄壓效果越及時(shí)、效果越好，所以隨旁通率的增加，終端液塞流量也就越小。

3 結(jié)論

通過以上分析可得到以下結(jié)論：

（1）射流清管器能夠降低清管器在清管過程中的速度，減少由于清管器速度過快而導(dǎo)致的液體竄漏，提高清管效率；降低了由于攜帶機(jī)械雜質(zhì)，而對(duì)管道中涂層的破壞的風(fēng)險(xiǎn)；使管道內(nèi)的設(shè)備和儀器的損毀程度降低。

（2）射流清管器能夠有效降低清管器壓力波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)清管，減少了清管過程中的震動(dòng)，降低了清管器自身的破壞和對(duì)管線的沖擊。

（3）射流能有效延長(zhǎng)清管器下游液塞集中到達(dá)液塞捕集器的時(shí)間，積液能夠在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)陸續(xù)到達(dá)終端的捕集器，達(dá)到液塞流量減小的目的，有效地防止捕集器的過載事故。

由此可見，射流清管器對(duì)天然氣凝析液管道的清管效果是非常理想的。射流清管器如何能更好地應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)的天然氣管道中，后期還需要進(jìn)行大量的模擬研究工作，并從射流清管器旁通率的優(yōu)選以及水合物的預(yù)防等方面不斷地優(yōu)化射流清管器的實(shí)際應(yīng)用。

［1］Minami K.Pigging dynamics in two－phase flow pipelines：experiment and modeling［J］.SPE production facility，1995，10（4）：225－231.

［2］Klemp S，Meland B，Hustvedt E，et a1.Operational experiences from multiphase transfer at Troll［A］.In：Multiphase＇97 frontier technology comes of age［M］.Cannes，F(xiàn)rance：BHR Group Limited，1997：477－496.

［3］黎洪珍，劉正雄，謝黎旸，等.濕氣管道內(nèi)涂緩蝕劑防腐效果評(píng)價(jià)探討［J］.石油與天然氣化工，2012，41（2）：200－203.

［4］馮書儉，龐廣明，張金成.自動(dòng)解堵型圓盤清管器的研制與應(yīng)用［J］.石油工程建設(shè)，2000，5（10）：42－43.

［5］Mandke J S，Harry Shen，John Roscoe.Single trip pigging of gas lines during late field life［C］／／Offshore Technology Conference，Houston，Texas，OTC 14184，6－9May，2002.