天然气－凝析液管道研究进展

王广志 翟培军

【摘要】湿天然气与干天然气不同，是多元组分的气体混合物，成分以饱和烃组分为主。由于输送过程中沿线温度、压力的变化，凝析和反凝析现象显著，使得天然气-凝析液的管道输送不同于气体或液体的单相输送，其实质是气液混输[1]。国内的一些凝析气田或油田，伴生气从联合站或平台分离器和原油稳定装置生产出来后，接着输送至天然气处理厂。随着压力、温度的降低，在联合站或者平台分离器到天然气处理厂的富气管线内，会有液体凝析，导致此处管段处于多相流动状态。我国早期开发的位于四川地区的气田，虽然在井口处设置了分离器，但仍有液体凝析，其部分管线仍处于多相流动状态。

【关键词】天然气 凝析液 管道

天然气两相流管线（湿气管线）的工艺计算分为稳态和瞬态模拟两个方面。挪威、英国、法国、美国等均在天然气-凝析液混输管路的稳态、瞬态模拟方面进行了系列的理论和试验研究。稳态计算结果是工艺设计的主要依据，稳态模拟是基础。但是正常运行的天然气-凝析液管线，即使没有输量的改变，也会处于清管-积液-清管的操作循环中，即从本质上讲，天然气-凝析液的流动常常是不稳定的。天然气-凝析液管道的瞬态模拟计算在90年代取得了重大进展，但模型和算法仍有很大的改进空间。

在进行湿气的管道输送时，与输气管道类似，由于焦耳-汤姆逊效应，管道温度在某些位置可能低于环境温度，而重烃凝析液的数量又受沿线温度变化的影响，同时重烃的蒸发或凝析伴随有热效应，进而影响管道的温降。因为凝析气在输送过程中会凝析出液体，导致气液混输，所以其沿线的压降变化也与气体输送管道的压降不同。在凝析气输送中，随着凝析液在管道内的不断积聚增多，在管道起伏处需要举升凝析液，从而形成举升凝析液的静压损失，其与沿程摩阻组成了凝析气管道的总压降，其值要远远大于单相气体管道输送的总压降。由于持液率与气体流率有关，所以在低气体流率的状态时，会导致管道压降升高的现象出现。

1 天然气-凝析液两相管流稳态模拟现状研究

对于气液两相管流的稳态模拟，主要是采用不同的经验相关式进行计算。稳态相关式计算可分为两大类，流型算法和非流型算法：

1.1 流型算法

流型算法主要包括流型划分和判别、持液率和压降计算。不同的流型具有不同的气液两相流动能量损失机理，所以使得持液率和压降计算公式也不相同。因此，最初的工作是进行流型的判别，再根据流型的类型选择不同的计算相关式。但是，计算相关式大部分是由具体的实验数据进行归纳和总结的，由于实验条件存在差异，各相关式性能也不相同。其中，Xiao&Brill（XB，1990）和Barnea（1987）统一模型是目前世界公认的、具有较好计算结果的流型判别相关式。

目前，大多都采用将各相关式算法的长处相结合，形成组合模型，用于进行气液两相管流的流型判别、持液率和压降计算。比较通用的组合模型有：（a）BB-Moody模型；（b）BB-MB-Eaton模型；（c）XB-Barnea-BB模型。

1.2 非流型算法

非流型算法则不对流型的进行划分和判别，只需要进行持液率和压降的计算。常用方法有：DuklerII法、Oliemans相关式法和Eaton相关式法。非流型算法同样也适用于组合模型，例如，使用Oliemans相关式计算持液率，用DuklerII法或Eaton相关式计算压降等。

一般情况下，组合模型对多相管流的计算结果准确性较高，而在高压、多组分特征的天然气-凝析液混输管道的计算中，组合模型的计算精度却较低。由于影响油气两相管流的因素较多，极大地限制了经验相关式的计算精度和使用范围。伴随着计算机技术的发展，人们开始从气液两相流动机理着手进行瞬态模拟研究。

2 天然气-凝析液两相管流瞬态模拟现状研究

石油天然气工业中管道输送的介质物性较为复杂，同时又受到地形起伏和其它介质（如水、砂、水合物、蜡）的影响，使得石油气液两相管流的研究难度较大。20世纪70年代末以来，相态模型（Phase Behavior Model）被引入到天然气-凝析液混输管道的工艺计算之中，从此相态模型成为凝析液混输管道稳态、瞬态模拟的必备模型。并把相态模型和两相流水力学机理模型耦合求解，使天然气-凝析液混输管道工艺计算的预测水平显著提高了。

天然气-凝析液混输管道的稳态计算，如Furukawa et al.（1986）基于两相流的经验相关式，提出两相管流的压降和温降的预测可采用动量方程、能量方程与相态计算模型耦合算法来进行。除此以外，基于相关式模型的PIPEPHASE、PIPEFLO、PIPESYS等软件，将相态模型和水力学方程耦合，求解从而得到稳态运行条件下天然气-凝析液混输管道沿线压力、温度和持液率的分布规律。

计算简单、收敛性较好是基于相关式模型的两相流稳态计算的优点，但是由于相关式有限的适用范围，特别是基于相关式的稳态计算不便推广到瞬态模拟。因此瞬态模拟的必然趋势是研究两相流机理模型及其相应算法。

Bendikson 等（1991）开发的瞬态双流体模拟软件OLGA，可以对凝析液管道中相间有质量传递的慢瞬变过程进行模拟。

自20世纪80年代末以来，美国宾夕法尼亚州立大学Adewumi教授课题组，针对于天然气-凝析液混输管道稳态、瞬态模拟做了大量的理论研究。近期还提出了基于弥散雾状流的双流体模型，利用修正的Soo公式，与状态方程耦合（Zhou& Adewumi，1998），或采用TVD格式（Total Variation Diminishing Scheme）求解天然气-凝析液输送管道非等温瞬态模型（Dukhovnaya&Adewumi，2000）等，但由于流型的限定，很难将其用于其它流型工况下（如分层流、段塞流等）凝析液混输管道的瞬态模拟。

国内对于天然气-凝析液混输技术的研究开展较晚。中国石油大学、西安交通大学等科研单位对油气两相管流的工艺计算进行了大量研究工作。

中国石油大学李玉星（1997）基于双流体模型，并假设管道水平以及流体等温流动等，对湿天然气管道的工艺计算进行了研究。采用了四阶Runge-Kutta法进行稳态计算。从论文来看，Runge-Kutta法的稳定性较差，计算结果对网格划分较为敏感。当管道较长时，瞬态模拟程序收敛较为困难。

根据天然气-凝析液管道输送中压降和温降变化的特点，工艺技术方面已作了广泛的研究，包括天然气-凝析液的长距离管输方法、两相流动的工艺模拟、液塞捕集器的设计以及防止水化物生成的措施等，形成了相应的配套技术。混输管道的发展趋势是长距离、大口径以及高压力。在工程实践中，虽然成功进行了天然气-凝析液两相流管道的操作运行，但是对于在低持液率两相流管道中的持液率、压降的理论预测计算精度却依然很大。存在的主要难点在于：气液界面的尺寸、形状，界面的摩阻系数，液滴的夹带，环状流型的形成机理，环状流中气液界面摩阻系数和流型转变准则等。与此同时，低持液率两相管流的试验数据较少，而且试验数据主要来自于小管径、常压和水平管道，却几乎没有考虑地形起伏的大管径、高压低持液率两相流的试验室数据。低持液率两相管流工艺计算的不可靠性使得对天然气-凝析液两相输送的设计带来了很高的不确定性，经常导致设计保守。

3 结语

本文对天然气-凝析液管道两相管流的稳态、瞬态模拟研究现状进行了总结分析，总结了以往研究的成果和缺点，为未来研究方向指明了方向。

参考文献

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[2] 邓道明.天然气-凝析液混输管流特性模拟研究[D].中国石油大学（北京），2005

[3] 宫敬.混相输送技术与应用[J].油气储运，2003，22（9）： 35-38

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[7] Liaoyuan XU，Gong Jing. Pigging for Horizontal Gas-Condensate Pipelines with Low-Liquid Loading，Journal of Petroleum Science and Engineering，2005，48（3-4）