苏里格气田集输管道段塞流的动态预测

王荧光，邓玉明，秦芳晨，孔冬梅，裴巧卉

（中油辽河工程有限公司，辽宁盘锦 124010）

苏里格气田集输管道段塞流的动态预测

王荧光，邓玉明，秦芳晨，孔冬梅，裴巧卉

（中油辽河工程有限公司，辽宁盘锦 124010）

苏里格气田地面环境恶劣，由于地形起伏变化较大，在集输管道中极易形成段塞流，造成管路的不稳定振动。如何准确预测管道系统段塞流的形成对高效开发苏里格气田具有非常重要的意义。现采用TACITE软件对苏-10井区集气阀组管道的正常投产和通球情况下的段塞流进行预测，并采用PIPEFLO软件对其结果进行验证，结果表明：TACITE计算结果比PIPEFLO计算结果较保守。经预测，在苏-10井区由于地形变化大产生了地形段塞流，流体在流动过程中流型等流动特性发生了变化。流体经上凹肘部时会产生段塞积液，引起不稳定的振动现象，导致液体出流；流体经上凸肘部时，由于流动特性变化，段塞流可能存在或消失。在通球过程中，由于清管器的运行，使管道各点出现超高压力值，应引起注意。

TACITE软件；PIPEFLO软件；段塞流；清管；动态预测；苏里格气田

0 引言

苏里格气田位于长庆靖边气田西北侧的苏里格庙地区，是本世纪初我国新发现的第一个世界级整装大气田，累计探明储量7×1011m3。该区域处于毛乌素沙漠的南部，地势由西北向东南逐渐倾斜，地形起伏大，集输管道中的水平管段和上升管段易产生段塞流。段塞流的产生容易使多相流体管路出现不稳定的振动、断流或分离器溢流。严重段塞流的产生还会使管段流量和压降急剧变化，该变化往往造成下游设备的关闭、停产甚至毁坏[1]。因此，开展管道内流体瞬态变化和清管操作时流体特性的研究有利于苏里格气田地面建设管道和设备的设计与操作。

目前，段塞流的预测一般采用两种方法：一种方法是采用经验相关式进行段塞流的模拟，找出段塞的形成区域，采用该种方法的软件有PIPESIM、PIPEPHASE、PIPEFLO等。该方法效率较高，计算相对简单，但通用性差，计算精度不理想。另外一种方法是通过建立独立力学模型对段塞流进行严格的计算，这类应用较广泛的软件有PeTra、TACITE、OLGA和TUFFP。PeTra虽然首次采用拉格朗日算法，能够预测段塞流开头与段塞流尾的流动情况，但由于PeTra软件没有包括能量方程，因此没有考虑与温度相关的问题[2]；TACITE、OLGA和TUFFP模拟的结果可与实验数据有较好的匹配，其中OLGA和TACITE可对大半径的长输管道进行真实的瞬态流动模拟，而TACITE比OLGA更加准确[3-4]。

此外，近年来对段塞流的工程预测多集中在严重段塞流的预测上，尽管严重段塞所表现出来的周期性与地形段塞相似，但是对受上下游流体条件变化影响的地形段塞流的预测与分析更加复杂。现采用TACITE软件对苏里格气田苏-10井区地面建设工程在正常投产和通球情况下集气阀组管道地形段塞流进行瞬态预测，并采用PIPEFLO软件对计算结果进行验证。

1 TACITE多相流模型

1.1 TACITE流体动力学模型

TACITE模型是一种漂移流动模型，该模型分解为4个守恒联立方程式[5]。

TACITE通过一个取决于流动状态稳态闭合关系的曲线来恢复有关相间滑脱的遗漏信息[6]，为了确定相态，假设每种状态都是两个基本方式的空间与时间的结合，即分离流动 （层状流和环状流）和分散流动方式。间歇流动便可以看作是这两个基本方式的结合，并且通过分离流的比率β=1来确保闭合规律的连续性。因此，该模型的独创性就在于：动力方程组确保了模型在整个流动状态转换期间的连续性；闭合定律对坡度和流体特性来说保持其连续性；建立了在被计算的变量连续性基础上的流动方式转换理论。

1.2 TACITE流体热力学模型

TACITE含有最优化的完整的热力学闪蒸计算方法，可保证对给定组分的相性质和相平衡计算的可靠性。该闪蒸算式使油—气—水三相平衡计算更加准确。TACITE计算时间会随着跟踪组分数量的增加而增加许多，因此当采用TACITE计算时，实际上不是以定义的实际组分进行模拟，而是首先将流体组分分成N个虚拟组分，再估计虚拟组分的性质，最后在适当的温度压力范围内将虚拟组分的性质加以优化，用虚拟组分的性质 （如优化的流体密度和蒸汽质量分数）来替代初始组分的多种性质。采用产生的虚拟组分来进行模拟，这样可以减少组分的数量，保证流体性质模拟的准确性。对于设定的虚拟组分的最佳分馏界限应该使蒸汽质量分数或状态参数方程的目标函数最小化，这种方法是首次在TACITE中加以应用。该二进位表示法对于标准流体模拟是很准确的[7]。

1.3 TACITE流体热传递模拟

TACITE软件有4种热传递模拟方法：一是使用自己定义的流体温度梯度；二是采用稳态计算得到的温度梯度；三是瞬时热传递，即假设在特定的位置径向热传递速率比连续的稳态径向温度场的传递速率快；四是包括各层间惯性的瞬时热传递，即假定由于管道及保温材料的热容量的有限性使径向热传递比瞬时温度场的传递速度快。

1.4 TACITE数值格式

该数值格式所采用的守恒方程形式如下：

式中W——守恒变量；

t——时间；

F——流量；

x——坐标；

S——源项。

该方程是一个非线性双曲型组，在迭代循环中和沿管道单元有较好的质量和能量平衡，同时该方程也是非耗散型的，可以确保有较好的正面跟踪能力。在段塞流发生时空隙率波会向两个方向扩展，这样采用显隐式混合格式来优化计算速度和正面跟踪能力以预测段塞流便显得十分重要了。

2 段塞流的动态预测

2.1 天然气典型组成

鄂尔多斯盆地上古生界天然气的生气源岩主要为石炭～二叠系煤系地层，物理性质相对稳定。其物理组成为：甲烷平均含量92.50%，乙烷平均含量4.525%，CO2平均含量0.779%，不含H2S，相对密度0.6037；凝析油含量很低，介于2.15～4.93g/m3之间，生产气油比介于159396.83～364125.45m3/m3之间。具体组分见表1。

表1 苏里格气田天然气典型组成

2.2 TACITE虚拟组分的生成

TACITE程序将天然气组分的液体密度和气体质量分数进行优化。图1~3分别列出了真实组分与虚拟组分的物性对比图。可见通过TACITE计算将天然组分分成2个或3个虚拟组分时，组分的物性优化较差，而分成5个虚拟组分时，优化的物性较接近实际组分，7个虚拟组分有更好的优化结果。因此，考虑到计算的准确性和计算时间，TACITE程序将苏里格气田的10个天然气组分分成7个虚拟组分。

2.3 段塞流的TACITE模拟

为了保证工程实际运行，计算采用较苛刻的边界条件，具体数据如下：管道规格D 273.1 mm×5.2 mm；粗糙度为0.08 mm；标准工况下天然气输量为Qg=22.5×104m3/a；含水量为5×10-4m3/m3；管道总长L=7 600 m；管道埋地敷设，管顶埋深1.5 m；环境温度取0℃，集气阀组起点温度为5℃;压力为800 kPa。地形起伏多相流管道由75个起伏点和74段起伏管段组成 （见图4），收发球筒位于管道首端与末端。稳态时间100 s，正常投产计算时间7 500 s，通球计算时间2 000 s，发球起始时间20 s。从该图可见TACITE计算出的主要段塞流位置，同PIPEFLO计算的段塞流位置115.4、810、1 000.19、 1 500.25、 1 585.96、 3 933.76、 4 451.80、5 884.95、7 349.95 m相接近。表2为两种软件计算结果的对比举例。

表2 TACITE和PIPEFLO软件计算结果对比

2.3.1 正常投产段塞流预测

图5列出了不同时刻沿管道变化的流型图，

通过比较可以看出，两种软件计算结果比较接近，而TACITE计算的段塞流长度和总持液量要比PIPEFLO的大10%以上，可见该软件的计算结果较保守，可较安全地应用于实际工程。同时表明该管道的段塞流量较小。

由图6可见在 200、1 100、2 500、4 300、6 000、7 000 m出现了较大的压力变化，结合图4可见这些压力变化较大的位置均出现在极易产生段塞的地形起伏较大的上升管段和下降管段的凹凸结合处。

图7和图8为流量瞬时变化曲线，从中可以看出在出现地形段塞流的位置，气体与液体流量随时间发生了较大的变化。液体流量在零上下变化，而气体流率稳定在2.7 kg/s左右。值得注意的是液体在不同时刻产生了倒流现象，具有负流量，这是地形段塞的一个重要特征。

对于图4中a点所示流体，流经上凸肘部后在重力作用下不断脱落液体，导致段塞流长度变短。在少数特殊情况下，段塞流在肘部会完全消失，转换成分层流。即使段塞流没有完全消失，在接下来的下降段流动中，段塞流在重力的作用下不断脱落到尾部膜区，长度会逐渐减小。如果下降段足够长，或流速较低时，段塞流仍可能最终消失而产生分层流动，从图5中可以明显看到段塞流与分层流之间的转换过程。然而，一旦段塞流成功地通过下游段，它将最终在下游的水平段中稳定下来[8-10]。

对于图4中b点所示流体，一种情况是流经下凹肘部时流体的流动方向发生了变化，重力对流体的作用发生改变，使液体的流速减小，部分液体堆积在肘部，稳定的段塞流流经肘部时会拾起从前一个段塞流脱落并堆积在尾部膜区的液体，使段塞流长度增加。由于流动方向的改变，肘部两相流体之间的相互作用增强，许多小气泡被捕获在段塞流中，段塞流的平均含液率会降低，从而导致段塞流的长度进一步增加。随着倾角的增加，重力的作用更明显。另一种情况是当流体流过下凹肘部时，将产生新的段塞流，即地形段塞流，它是由于管道布置因地形变化产生的，这种情况主要出现在来流是分层流或流速较低的段塞流。将来流作为分层流进行分析，因来流速度低，且油的黏度大，流动阻力也大，液体流到肘部不再往上流动或非常缓慢，液体堆积在肘部，但上游不断有液体提供，肘部液体越积越多。当堆积在管段下凹肘部的液体接触到管道的上表面时，一个液柱便立即产生。该液柱在上游不断增加的气体压力推动下提升液位，进而导致重位压头的增加。当液柱尾部截面超过下凹肘部的最低点时，液柱的重位压头不再增加，所形成的段塞流被带入下游，地形段塞流产生。这种段塞的长度都比较短，其长度小于稳定长度的最小值，很不稳定，并且很容易充入气体。在管段的下凹处，当液体堆积在管段下凹处并且接触到管道的上表面时，地形段塞流便立即产生。然而，并不是每一个地形段塞流都能长到足够大，变成熟并最终稳定下来的，大部分地形段塞流在以后上升段短的距离流动中衰减下来，而只有少量的地形段塞流才能生存下来流进下游的水平段。即便如此，这些暂时生存下来的地形段塞流是否能在进一步的下游中生存也是不确定的[11-14]。

从图8的液相体积分数变化曲线可看出，在段塞流发生的地方液相体积分数突然增加，并且与压力、流量具有相同的变化趋势，即在这些地方发生了液体堆积。

2.3.2 通球情况段塞流的预测

表3为TACITE和PIPEFLO软件对通球工况的计算结果。

表3 TACITE和PIPEFLO软件通球工况计算结果对比

通过比较可看到，TACITE与PIPEFLO计算的通球时间和流体类型都较接近，但TACITE计算的系统恢复稳态时间要比PIPEFLO短得多，这可能是由于计算方法不同所致。同时在正常投产与通球状态下流型的变化主要是由于通球过程影响流体正常流动造成的。

图9显示出了压力与液体流量随时间变化趋势。

当清管器进入管道后，流动阻力使清管器上游气体被压缩，从而使入口起始压力出现短暂升高；在清管器开始运动后，入口处压力逐渐恢复到新的稳态，而在管道其他位置，在清管器进入管道后流体暂时中断导致流体出现短暂的停滞，各点压力开始下降，直到通球过程中液体到达压降下降各点，压力才开始逐渐升高；而当清管器通过各点后，在清管器后部一段时间没有液体存在，清管器经过后的各点压力几乎相同；通球结束后，各处压力又重新回到了新的稳态[15]。液体流量变化主要是由于清管器在经过管道时，段塞液体连续被清管器收集到一起，使各处液体流量出现短期急剧增大现象，待清管器通过各积液点后，由于积液被清管器带走，使得一段时间内液体流量为零。

3 结论

通过采用TACITE软件对苏里格正常投产和通球情况下段塞流进行预测，可知：

（1） TACITE软件可以动态地预测集输管道的段塞流形成及相关参数，以指导工程技术人员采取相应的措施来避免或缓解段塞流的形成。

（2）采取数量恰当的虚拟组分以使虚拟流体物性接近实际流体是模拟准确的前提。TACITE软件与PIPEFLO软件计算结果较接近，相对来说TACITE软件的计算结果较保守，可较安全地应用到实际工程，两种软件在流型预测上有一定的差别。

（3）在苏-10井区正常投产情况下，由于地形影响，在流体经过下管道凹肘部时会产生积液，产生了在分层流与段塞流之间进行转化的地形段塞。新的段塞流在流速、重力、管道长度和倾角等特性的交互影响下，在管道的下游消失或稳定存在下去；在流体经过上凸肘部时，下游段塞流与原有段塞流的流动特性发生变化。由此可见地形变化对流型变化和段塞流的大小有显著影响，掌握该规律对工程设计与现场施工具有一定指导作用。

（4）在通球状态下，清管器的运动使流型较正常投产情况发生变化，同时清管器的运动和收集液体的增加，使管道各点压力依次达到远超过稳态值的一个高峰值，对该现象应给予高度重视。

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Dynamic Prediction for Slug Flow of Gas Gathering Pipelines in Sulige Gas Field

WANG Yin-guang（PetroChina Liaohe Petroleum Engineering Co.,Ltd.,Panjin 124010,China）,DENG Yue-ming,QIN Fang-chen,et al.

Since the terrain changes rapidly in Sulige gas field,it is easy to generate terrain-induced slug flow leading to vibration in gas gathering pipelines.Therefore it is very important for the development of Sulige Gas Field to predict the slug flow and optimize the gas gathering pipelines and facilities downstream.The software TACITE was used to simulate slug flow modeling of gas gathering pipeline with valves in the phases of typical production and pigging operation at Sulige 10 Block.And the results were validated by the software PIPEFLO.The dynamic prediction shows that the results from TACITE are conservative than those from PIPEFLO.The simultaneous presence of gas and liquid flowing in pipeline with several uphill and downhill sections at Sulige 10 Block leads to the formation of terrain-induced slugging,which results in the transformation of flow characteristics （i.e.flow pattern）;Liquid tends to build up at the lowest points of the pipeline,until it is forced onward through the rest of the pipeline by the pressure of the gas caught behind;Slugs from an upward inclined section can be carried over to downward inclined section after passing a top elbow,and the slug flow would exist or dissipate owing to change of flow characteristics.In pigging operation,pressures in the pipeline exceed normal value owing to the pig moving,that should be attached importance.

software TACITE；software PIPEFLO;slug flow;pigging;dynamic prediction;Sulige Gas Field

TE86

A

1001－2206（2011）04－0001－06

王荧光 （1979-），男，满族，辽宁抚顺人，工程师，2005年毕业于辽宁石油化工大学设计化学工程与工艺专业，硕士，现主要从事石油天然气地面工程及研究工作。

2010-08-18；

2011-05-26