天然氣凝析液管道射流清管器清管效果影響因素分析

姚海元，李清平，程 兵，陳紹凱，劉永飛

(中海油研究總院，北京 100028)

天然氣凝析液管道射流清管器清管效果影響因素分析

姚海元，李清平，程 兵，陳紹凱，劉永飛

(中海油研究總院，北京 100028)

傳統(tǒng)清管器在天然氣凝析液管道清管作業(yè)中存在清管器運(yùn)行速度過快、清管段塞大等諸多缺陷。為解決傳統(tǒng)清管器的這一系列問題，射流清管技術(shù)得到了發(fā)展。為了分析射流清管器設(shè)計(jì)及應(yīng)用過程中需要考慮的因素,利用OLGA 7.2模擬軟件建立了海底管道清管模型，對(duì)射流清管器旁通率、管道管徑、氣液比、清管器質(zhì)量等因素進(jìn)行了分析,為射流清管器的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用提供借鑒。

海底油氣管道；射流清管器；旁通率；清管；影響因素

0 引 言

在石油工業(yè)中，利用管輸流體推動(dòng)活塞狀物體清潔管道內(nèi)壁的過程稱為“清管”[1]。隨著油氣田開發(fā)進(jìn)入中后期，管道輸氣量降低，更易在管道中形成滯留液，減小了管道輸氣面積，降低了輸氣效率，并造成井口背壓升高，進(jìn)而影響產(chǎn)能?，F(xiàn)場(chǎng)一般采用清管的方式解決這一問題。國(guó)外對(duì)這類管道大都采取定期投放清管器的方法來清除滯留液。傳統(tǒng)清管器作業(yè)一般是將皮碗或球體置入管道內(nèi)，依靠前后壓差推動(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，此類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；破壞減阻或防腐涂層，縮短管道壽命；對(duì)彎頭、收球筒等產(chǎn)生巨大的沖擊，進(jìn)而損壞設(shè)備或清管器等；清管器在到達(dá)管道終端時(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，造成生產(chǎn)中斷事故[2]。尤其對(duì)于深水海底管道而言，由于立管長(zhǎng)，在相同生產(chǎn)條件下，清管過程中的段塞流會(huì)更嚴(yán)重。

為了解決傳統(tǒng)清管器清管除液過程中存在的這一系列問題，射流清管器逐漸得到發(fā)展和應(yīng)用。其工作原理是當(dāng)清管器前后壓差超過某一設(shè)定值時(shí)，旁通閥便打開，其開度與壓差值有關(guān)，使管內(nèi)流體從旁通閥通過，從而平衡清管器前后壓力，控制清管器速度和清管段塞等[3-4]。目前，殼牌石油公司在新西蘭Maui油田的濕天然氣管道進(jìn)行了射流清管器現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了良好效果。本文利用OLGA 7.2軟件，針對(duì)清管器設(shè)計(jì)和應(yīng)用過程中涉及到的主要影響因素進(jìn)行分析。

1 模擬基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

采用的基礎(chǔ)模擬數(shù)據(jù)為：氣體流量 40×104m3/d，氣液比500，出口壓力3 MPa。該管道長(zhǎng)5.5 km，管徑6英寸(1英寸=2.54 cm)，包括了水平管段、起伏管段和立管管段，其中立管高度為50 m。下面分別對(duì)射流清管器旁通率、管道管徑、氣液比、清管器質(zhì)量等因素對(duì)射流清管作業(yè)除液效果的影響進(jìn)行敏感性分析。

2 清管效果影響因素分析

2.1 管徑與射流清管器旁通率對(duì)清管段塞減少量的影響

假設(shè)基礎(chǔ)模擬數(shù)據(jù)中氣體流量、氣液比、出口壓力和管道長(zhǎng)度不變，分析不同管徑與射流清管器旁通率對(duì)清管段塞減少量的影響。

圖1 不同管徑時(shí)，清管液塞的減少百分比與清管器旁通率關(guān)系圖Fig.1 Pigging slug reduction percentage versus pig bypass ratio for different pipe diameters

圖1給出了管徑分別為4、6、8、10英寸，旁通率在0～0.16之間時(shí)，射流清管器清管期間清管液塞的減少百分比與清管器旁通率之間的變化關(guān)系。由圖1可以得到，管徑為4英寸和6英寸時(shí)，隨著旁通率的增加，清管液塞的減少百分比也隨之增大。管徑為6英寸，旁通率高于0.14時(shí)，清管液塞減少比例降低，表明旁通率過大，清除滯液能力下降。管徑為8英寸時(shí)，旁通率超過0.04以后，清管液塞減少百分比反而出現(xiàn)降低。同樣在管徑為10英寸時(shí)，旁通率超過0.02后，清管液塞減少百分比出現(xiàn)負(fù)值。這主要是因?yàn)楣軓酱?，流速低，管線內(nèi)滯液量大，在低旁通率時(shí)，可減少液塞量，若旁通率增大，清管器速度低，滯液量增大，反而會(huì)降低效果，甚至可能使清管段塞更大。

在清管作業(yè)過程中，清管器的速度及位置是重要的運(yùn)行參數(shù)。圖2為不同管徑時(shí)，清管器管道中運(yùn)移情況與清管器旁通率關(guān)系圖。

如圖2所示，在清管器運(yùn)行速度方面，管徑為4英寸和6英寸時(shí)，清管器旁通率越大，清管器運(yùn)行速度越低，但是在立管處，由于存在段塞的影響，不同旁通率時(shí)立管處清管器的速度大小規(guī)律性不強(qiáng)。在管徑為8英寸和10英寸時(shí)，由于管徑大、流速小，清管過程中有段塞出現(xiàn)，清管器運(yùn)行速度有所波動(dòng)。在清管器運(yùn)移位置方面，不同時(shí)刻清管器沿管道的位置同運(yùn)行速度有關(guān)，但是在管徑為6英寸和8英寸時(shí)，隨著清管器旁通率的增大，清管器前后壓差減小，造成清管器滯留在立管處；管徑為10英寸時(shí)，清管器旁通率的增大甚至可能造成清管器滯留在原處的情況，造成卡堵事故。

以6英寸管徑管道為例，由圖1可以看出：清管器旁通率為0.12時(shí)清管液塞減少比率最大。為了重點(diǎn)分析射流清管器清管過程的運(yùn)移情況，下面選擇6英寸管徑、旁通率為0.12進(jìn)行模擬分析，其他基礎(chǔ)模擬數(shù)據(jù)見第1節(jié)。

2.2 氣液比對(duì)清管器運(yùn)移情況的影響

圖3為不同氣液比時(shí)清管器管道中運(yùn)移情況隨時(shí)間變化關(guān)系圖。可以看出：在氣液比為100和200時(shí)，清管過程中出現(xiàn)段塞流型，清管器運(yùn)行速度較其他氣液比情況下波動(dòng)更大。在圖3(b)中，氣液比為5000時(shí)，清管過程中清管器會(huì)滯留在立管處，造成卡堵。究其原因，由于氣液比高，流體流過射流清管器的壓降小，清管器前后壓差小，造成在立管處沒有足夠的推動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)清管器。

2.3 清管器質(zhì)量對(duì)清管器運(yùn)移情況的影響

圖4為不同清管器質(zhì)量時(shí)，清管器管道中運(yùn)移情況隨時(shí)間變化關(guān)系圖。

由圖4可以看出：在所模擬的不同清管器質(zhì)量范圍內(nèi)，清管過程中清管器運(yùn)行速度變化不大。但是從圖4(b)可以看出：相比其他模擬工況，清管器質(zhì)量為200 kg時(shí)，清管器在立管處滯留一段時(shí)間，然后再移出管道。因此，在進(jìn)行射流清管器設(shè)計(jì)和作業(yè)時(shí)，尤其是在應(yīng)用于有立管的海底管線時(shí)，需要考慮到清管器質(zhì)量，以避免清管器卡堵在立管位置。

圖2 不同管徑時(shí)，清管器在管道中的運(yùn)移情況與清管器旁通率關(guān)系圖Fig.2 Pig movement conditions in pipeline versus pig bypass ratio for different pipe diameters

圖3 不同氣液比時(shí)，6英寸管徑管道中清管器運(yùn)移情況隨時(shí)間變化關(guān)系圖Fig.3 Pig movement conditions in pipeline versus time at different gas-liquid ratios for the pipe diameter of 6 inch

圖4 不同清管器質(zhì)量時(shí)，6英寸管徑管道中清管器運(yùn)移情況隨時(shí)間變化關(guān)系圖Fig.4 Pig movement conditions in pipeline versus time at different pig masses for the pipe diameter of 6 inch

3 結(jié) 語

通過以上分析可得到以下結(jié)論：

(1) 射流清管器相比常規(guī)清管器，在清管過程中有效延長(zhǎng)了清管液塞到達(dá)段塞捕集器的時(shí)間，減少了液塞量，可避免捕集器過載事故。同時(shí)可降低清管器速度和清管器壓力波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)清管，減少了清管過程中的振動(dòng)，降低了清管器對(duì)管線的沖擊，從而也減小了清管過程中對(duì)管道內(nèi)涂層的破壞風(fēng)險(xiǎn)。

(2) 針對(duì)具體管道參數(shù)以及與其對(duì)應(yīng)的清管作業(yè)輸量、氣液比等條件，根據(jù)清管過程中的液塞減少比率、清管器運(yùn)行速度和運(yùn)移情況，確定射流清管器的最優(yōu)旁通率范圍。

(3) 清管器旁通率確定后，考慮所選擇射流清管器的質(zhì)量，其對(duì)清管器運(yùn)行速度，甚至是否會(huì)停滯在起伏段或立管處有重要影響。

(4) 射流清管過程中，由于流體通過旁通孔時(shí)存在節(jié)流效應(yīng)，為了避免在清管過程中生成水合物而造成管線堵塞，建議在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)，提前分析清管過程中是否需要加注藥劑并考慮其注入量等因素。

[1] 劉剛，陳雷，張國(guó)忠,等.管道清管器發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn)，2011，30(9): 646.

[2] 朱海山，羅小明，姚海元,等. 天然氣凝析液管道射流清管器清管效果分析[J]. 石油與天然氣化工，2013，42(6): 598.

[3] 耿岱,張仕民,劉恒. 天然氣管道速度可控清管器的設(shè)計(jì)[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2010，29(9): 698.

[4] Nguyen T T, Kim S B, Yoo H R. Modeling and simulation for pig with bypass flow control in natural gas pipeline[J]. KSME International Journal, 2001, 15(9): 1302.

AnalysisofInfluenceFactorsforPiggingEffectivenessofBypassPiginNaturalGasLiquidPipelines

YAO Hai-yuan, LI Qing-ping, CHENG Bing, CHEN Shao-kai, LIU Yong-fei

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

There exist many problems such as high pigging velocity and long pigging slug in the pigging process in natural gas liquid pipelines by using traditional pig. In order to solve these problems, bypass pigging technology has been developed. To analyze relevant factors in the design and application of bypass pig, a subsea pipeline pigging model is built by using OLGA software (version 7.2) and the factors including bypass ratio of the bypass pig, pipe diameter, gas liquid ratio, pig weight etc. have been analyzed, which can provide reference for the design and application of bypass pig.

subsea oil and gas pipeline; bypass pig; bypass ratio; pigging; influence factor

TE832.3+6

A

2095-7297(2015)01-0032-04

2014-08-28

國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05026-004)

姚海元(1977—)，男，高級(jí)工程師，主要從事石油工業(yè)流動(dòng)安全保障方面的研究。