天然气凝析液管道射流清管器清管效果分析①

朱海山 罗小明 姚海元 何立民 李清平

（中海油研究总院）

海上气田运行中后期，海底管道内积液逐渐增多。凝析液易在海底管道内积聚，从而降低管道流通面积，造成不必要的能量损失；并且在低温高压等特定情况下，可能会有水合物生成，造成管道堵塞等事故。对于这种情况，在现场一般通过清管的方式进行解决［1－2］。对用于海底湿天然气管道清管的传统清管器，一般是通过皮碗或球体对管道进行密封，使管道内背压增高，依靠清管器前后压差推动其在管道中运动，进而进行清管作业。由于前后密闭，清管过程中没有气体的前后流通，会造成清管的一系列问题：清管器运行速度过快，导致清管器上下游发生严重的窜漏，使清管效率降低，液体不能被完全清除；管道内壁有减阻或防腐涂层［3］，高速运动的清管器带动机械杂质（砂粒）与管道内壁产生强烈的摩擦，破坏涂层，缩短管道寿命；尤其是对于大管径管线的清管，成吨重的清管器在管道内高速运行，产生巨大的动量，对弯头、通球指示仪、收球筒等产生巨大的冲击，可能撞坏设备、清管器，甚至导致管线泄漏，从而引发事故；清管器在到达管线终端时，会将整个管线的大量积液在较短的时间内快速地输送到段塞捕集器中，液塞流量极大，极易造成捕集器的过载事故。

射流清管器的基本原理是清管过程中有效地控制部分液体回流，从而减少液塞量。射流清管器最早应用于输油管道的除垢。在输油管道的除垢中，随着清管器运行的推进，在其前端会逐渐积累大量污垢，极易造成清管器的卡堵。为解决卡堵事故，研发了自动解堵射流清管器［4］。根据输油管道中除垢应用的自动解堵射流清管器的原理，提出了应用于湿天然气管道的射流清管器。为得到射流清管器应用于天然气凝析液管道的清管效果，利用OLGA软件建立了管道模型，并进行了模拟工作。

1 模型建立

通过OLGA软件建立了如下管道模型［5］，合理输入进出口压力、流量等边界条件以及海底管道的传热条件等。如图1所示，该管线总长10km，包括了水平管段、起伏管段和立管管段，其中立管高度为200m。

2 模拟分析结果

2.1 速度变化

利用旁通率分别为0%、3%、6%、9%的射流清管器进行了模拟。图2为旁通率分别为0%、3%、6%、9%射流清管器清管期间速度随时间的变化关系。由图2可以得到，随旁通率变化，清管时间分别为3 188s、3 950s、4 888s、6 440s，水平管路清管器速度分别为3.2m／s、2.6m／s、2.0m／s、1.6m／s，立管处速度波动分别为3.5m／s、2.1m／s、0.8 m／s、0.7m／s。随旁通率增加，清管器运行时间增长，速度降低；在两段起伏管路和立管处，随旁通率的增加，速度波动明显降低。

在起伏管路处清管器速度有明显波动，而在立管管段处速度波动更大，而且随旁通率的增加速度变化量呈降低的趋势。由于液体密度大于气体，则在重力作用下在上倾管底部积聚一定量液体，清管器运动到上倾管底部时，清管器扫出积液和原有积液一同聚积于此。大量液体积聚在清管器上游，形成了较高的液柱静压差，并且清管器在流动方向的重力分力也对其运行形成阻碍作用，导致清管器阻力增加，清管器减速运行，速度降低。在减速运行过程中清管器下游逐渐积聚压力，形成的前后压差能足以克服所有阻力时，逐渐通过上倾管路。射流清管器首先能通过旁通气流的剪切携带作用，在运行过程中将一部分积液带离上倾管段；其次，由旁通孔射出的高速气流能对清管器上游液塞充气，在高速气流的吹动下，液塞分布到更长的管段上使液塞的量减小，对清管器运行的阻力减小，从而使清管器的运动速度变化量减小。当清管器运行到立管底部积液时，整个管线沉积液体集聚于此，所形成的静液柱压差是非常大的，这就要求当清管器运动到此处时，要有较长的时间积聚压力，速度得到较大程度的降低甚至是清管器停止运行，压力足以克服所有阻力时清管器迅速通过立管，清管器速度变化极大；而当旁通率较高时，能够通过旁通及时地降低清管器前后压差，使清管器在通过立管时速度得到降低，使清管器速度变化不大。

2.2 压力变化

图3所表示的是立管底部和立管顶部压力随清管时间的变化关系。由图3可以看出，在旁通率分别为0%、3%、6%、9%时，立管底部压力波动值分别为285kPa、170kPa、90kPa、60kPa，立管顶部压力波动值分别为880kPa、580kPa、320kPa、140 kPa。随着旁通率的增加，清管器通过立管的压力波动值明显降低。

对于海底天然气凝析液管道的清管，整个管线的积液最终都会通过清管器推送到立管处，所以清管过程中此处无论速度还是压力都是变化最剧烈的部分。在立管底部集中了整个管线的积液，静液柱压差很高，因此清管器会减速运行甚至是停止运行进行背压的积聚。当背压升高到一定值并足以克服极高的静液柱压差、清管器自重、清管器所受摩阻等阻力，清管器开始运行，在运动过程中立管底部压力很高、顶端压力很低。当清管器通过立管顶端后，立管处大部分积液被清管器清出，立管底部压力减小，顶部压力增加，压差随之减小。当清管器存在旁通率时，旁通气流量随旁通率的增加而增大，对清管器前的液塞的剪切携带作用也就增强。通过对液塞的带离作用以及对液塞充气作用，使得清管器下游的静液柱压差降低，清管器所受阻力降低，清管器运行所需压差降低，压力波动降低。

2.3 液体流量变化

如图4所示，旁通率分别为0%、3%、6%、9%时，射流清管器清管期间，液塞流出时间分别为290 s、520s、840s、1 690s，最高流量分别为597kg／s、223kg／s、86kg／s、39kg／s，显然旁通通道的存在明显地减小了终端液塞的流量。

对于海底天然气凝析液管道的清管，在立管底部集中了整个管线的积液，静液柱压差很高。因此，清管器会减速运行甚至停止运行来进行背压的积聚。只有背压升高到一定值足以克服清管器阻力，清管器才开始运行；运行一段时间后，由于背压处空间膨胀后压力下降不足以克服所有阻力，清管器减速甚至是停止运行，再进行新一轮的压力积聚过程。利用这种“走走停停”的动态平衡方式，清管器在立管中缓慢运行。当液塞顶端通过立管顶部后，这种动态平衡被打破，清管器阻力突然降低，造成清管器动力远大于阻力，如果在没有旁通的情况下，必然加快了清管器的运动；而清管器加快运动后更多的液塞通过立管，清管器阻力更小、速度更快，形成了清管器速度的递增循环。最终液塞以极高的速度迅速通过立管到达终端的液塞捕集器，液塞流量极大、极易造成终端处理设备的过载，如图5（a）所示。如果清管器存在旁通，如图5（b）所示。

当液塞首段通过立管顶部清管器阻力突然降低时，清管器能通过旁通及时地泄压，使这种过剩的压能转化为旁通气流的喷射动能，一方面喷射而出的气流能对前方液塞产生极大地冲击，在气流的剪切携带作用下液体段塞被冲破，部分液体随着气流流向终端；另一方面及时的泄压能防止清管器前后的压差转化为清管器速度，起到降低清管器速度的作用。通过这两方面作用，旁通清管器能有效延长液塞集中到达终端的时间，减小了传统清管在清管将近结束期间液塞高流量、高速度到达终端的效果，有效地降低了液塞流量，防止终端分离器的过载。由于旁通率越大，这种泄压效果越及时、效果越好，所以随旁通率的增加，终端液塞流量也就越小。

3 结论

通过以上分析可得到以下结论：

（1）射流清管器能够降低清管器在清管过程中的速度，减少由于清管器速度过快而导致的液体窜漏，提高清管效率；降低了由于携带机械杂质，而对管道中涂层的破坏的风险；使管道内的设备和仪器的损毁程度降低。

（2）射流清管器能够有效降低清管器压力波动，实现平稳清管，减少了清管过程中的震动，降低了清管器自身的破坏和对管线的冲击。

（3）射流能有效延长清管器下游液塞集中到达液塞捕集器的时间，积液能够在较长的时间内陆续到达终端的捕集器，达到液塞流量减小的目的，有效地防止捕集器的过载事故。

由此可见，射流清管器对天然气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应用于现场的天然气管道中，后期还需要进行大量的模拟研究工作，并从射流清管器旁通率的优选以及水合物的预防等方面不断地优化射流清管器的实际应用。

［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，France：BHR Group Limited，1997：477－496.

［3］黎洪珍，刘正雄，谢黎旸，等.湿气管道内涂缓蚀剂防腐效果评价探讨［J］.石油与天然气化工，2012，41（2）：200－203.

［4］冯书俭，庞广明，张金成.自动解堵型圆盘清管器的研制与应用［J］.石油工程建设，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.