煤层气低压管道积液动态分析与规律研究

孟凡华 刘胜男 王子辉 李晓平 安玉敏 李咏梅

(1. 中国石油天然气集团有限公司山西煤层气勘探开发分公司，山西 046000；2. 中国石油天然气集团有限公司煤层气开采先导实验基地，山西 046000；3. 中国石油大学(北京)油气管道输送安全国家工程实验室/石油工程教育部重点实验室/城市油气输配技术北京市重点实验室，北京 102249)

1 煤层气管道积液的研究现状

薛爱芹等通过设定不同传热系数和不同管径，主要依据沿线温度变化进行计算，得到结论：温度下降最快的距离均为出井场至井场外750m左右，一般2.2km以后，介质温度接近周围环境温度。故建议在出井场约2km以后，地形较低或管线折点上坡地段设置凝水器，但当管道起始处高程差较大时，此结论则不适用。王磊等使用HYSYS软件模拟计算绘制煤层气采气管线的温降曲线、压降曲线、含水量变化曲线，并由温度压力计算凝析水量，建议在饱和含水率最低点设置1个分水器，但其未考虑含水率大小对积液的影响，地形考虑也不够详细。郭简等通过对倾斜管内气液两相流动及相态变化的研究，发现积液通常发生在管段的前三分之一处，故建议凝水缸或放水阀等设施放置在管道初始段的地形低洼处，其未考虑气体对液体的携带作用。胡倩等通过计算不同管径、不同产水量工况下管线中的流型变化及持液率变化，预判管线积液情况，得到结论：煤层气管道流速设计大于9m/s时，能有效改变管道中的流型，降低管道积液风险；煤层气地面起伏管道在与地面成50°倾角时，管道持液率最大，如果管道为非分散流，可以在该类管道设置凝水缸收集积液，其未考虑压力等其他因素。

上述研究虽取得了一定的成果，但仍存在不足。煤层气管线地形起伏复杂，积液影响因素类型多样，在实际应用中积液定位准确率较低，鉴于此，本文选取影响管道积液的几个关键因素，设定合理范围，通过大量的模拟总结规律，为积液的定位提供一定参考。

2 影响管道积液的主要因素

影响煤层气管道积液的因素复杂多样，由生产实际与现有研究成果可知，主要有以下几个方面：

(1)气体含水率。对于煤层气管线来说，气量与饱和含水率决定了液相流量的多少，同一气量和同样的环境条件下，含水率越高，析出水量越多，也越容易形成积液。

(2)气体流速。煤层气管线中，液体量较气体量来说很小，基本靠气体携带前进，气体的流速是决定其携液能力大小主要因素，流速越大，携液能力越强，但压降也会越大。

(3)管径。在保持气体流速、含水率等其他因素不变的前提下，管径越大，越易积液。这是因为流速不变时，管径增大，气体流量增大，所携带的水蒸气增加，沿线析出水量增加，故大管径的管道更容易积液。

(4)末点压力。随末点压力的增加，气态水更易凝析出来，从而积液速率加快，积液量有所增加，但同时气体的密度和黏度也会随之增大，导致其携液能力有所增强。

3 低压管道积液模拟分析

由于管道起伏的复杂性，本文选取典型地势，建立了两个简化的低压管道模型，运用OLGA软件进行了模拟分析，并总结规律。

3.1 工况设定及模型建立

根据煤层气的特点及沁水盆地某区块工程实际，对所研究的影响因素进行设定(表1)。

表1 模拟参数设定

环境温度较低时凝结水更易析出，因此取该区块冬季温度3.4℃为环境温度值。设定“先低后高”与“先高后低”两种三段高差地势进行模拟，高程差选择50m、100m、150m三种，管道起始段为200m水平段，管道全长1500m。两种管道路由如图1、图2所示。

图1 地形Ⅰ

图2 地形Ⅱ

图3 各工况积液情况图

3.2 模拟计算结果

两种地形条件下，V=15m/s时，各工况管道均积液，其余工况的具体积液情况如图3所示。

3.3 积液动态累积规律分析

由于积液受各种因素的交叉协同影响，不同工况组合下积液规律或有差别。但研究样本量较大，故通过关联性分析，得到最主要的影响因素，将其作为变量进行多工况的分析。

3.3.1 多因素与积液的关联度分析

管道压力、气体流速、管径、含水率等均会对积液产生影响，但影响程度却不尽相同。运用灰色关联理论，对两种地形各选取24组算例进行分析，以积液量作为参考序列，4个影响因素作为比较序列，首先对序列做无量纲处理，再通过下列公式对4个影响因素与积液的关系进行关联度计算，结果见表2。

Δ0i(k)=|x0(k)-xi(k)|

(1)

(2)

(3)

灰关联系数为：

(4)

各个因素与主因素之间的灰色关联度为：

(5)

其中，Δ0i(k)表示差序列，x0(k)为参考序列的无量纲数值，xi(k)为其他比较序列的无量纲数值，Δmax表示最大极差，Δmin表示最小极差。i=1，2，3，4分别为4个影响因素；k=1，2，3，…，24分别为24种工况；ρ为分辨系数，1>ρ>0，通常取0.5。

表2 四个影响因素与积液之间的关联度

图4 地形Ⅰ沿线积液量随时间的变化情况

由表2可得，地形Ⅰ的管道积液受管径影响最大，地形Ⅱ的管道积液受含水率影响最大，其次是气体流速，最后是末点压力。

3.3.2 积液动态累积规律

基于上述研究，对地形Ⅰ，分析其在3种管径下的积液规律，设定流速为20m/s，末点压力为0.06MPa，含水率为0.8%；对地形Ⅱ，分析其在3种含水率下的积液规律，设定管径为DN150，流速与末点压力同地形Ⅰ所设。

(1)地形Ⅰ积液规律

图5 地形Ⅱ沿线积液量随时间的变化情况

不同管径下，管道沿线积液累计随时间的变化情况如图4所示。由图4可以看出，当管径为DN100时，几乎不积液；当管径为DN150与DN200时，积液量随时间增加，管径越大，积液速度越快。整体规律为：最初第二个低点积液，一定时间后，第一个低点开始积液并向后扩展，期间后两个低点的积液量几乎不变。当第一段上倾管的积液量达到一饱和值不再变化时，第二个低点的积液量继续增加并向下游扩展，期间第三个低点的积液量仍几乎不变，直到第二段上倾管积液量达饱和，最终整条管路积液量达到一饱和值。

(2)地形Ⅱ积液规律

不同含水率下，管道沿线积液情况如图5所示。由图5可知，三种含水率下管道均是从第一个低点开始积液，并向后扩展，当第一段上倾管的积液量达到饱和时，第二个低点开始积液并向下游扩展，最终整条管路积液量达到一饱和值。含水率越大，积液速度越快，在模拟的20天内，含水率为0.8%和1.1%时，整条管路积液量已达饱和，而含水率为0.5%时，积液只存在于第一段上倾管。

(3)积液规律总结

对于地形Ⅰ，积液最初产生于100m左右高程差的上倾管低点，而后才在50m高程差的上倾管低点积液，这说明在运行开始的一段时间内，高程差为50m以下的管道中的液体可以被携带走，之后由于管线后段积液，导致前段压力增加，凝析水量增加，不易被携带，从而积液。对于地形Ⅱ，在第一个低点开始积液，积液量达饱和后第3个低点几乎不积液。由此可初步推断在此类工况下，高程差大于100m的上倾管道均会积液；若管道最大高程差不超过50m，则管道不积液。

3.3.3 积液排放技术研究

煤层气采用低压集气，对于采气管线来说，井口回压不能过高，否则影响正常采气。管道积液会使压降增加，因此需在了解积液规律的基础上，及时排放积液，使之满足压力需求。根据此区块设计要求，采气管线井口回压不得超过0.15MPa，故总结井口回压达到0.15MPa时管线的积液情况，如表3、表4所示。

表3 地形Ⅰ积液情况

由表3可得，当井口回压达到0.15MPa时，积液主要分布在前两个低点，故凝水缸等排液装置可设在前两个低点的爬坡处。管径增加，排液周期可相应延长。

表4 地形Ⅱ积液情况

由表4可得，当井口回压达到0.15MPa时，积液只存在于第一段上倾管，因此只在第一个低点爬坡处设置排液装置即可。随含水率增加，排液周期变短。

4 结论

(1)总结分析了气体含水率、流速、管径、末点压力对管道积液的影响，含水率越高，越容易形成积液；流速越大，携液能力越强；管径越大，越易积液；随末点压力的增加，积液速率加快，积液量增加，但同时气体的密度和黏度也会随之增大，导致其携液能力有所增强。

(2)设定两种多起伏地形，模拟了多工况组合下共270组管道的积液情况，并研究了积液动态累积规律，由于样本量较大，故通过灰色关联分析法得出最主要的影响因素，将其作为变量，其他因素选取一常量，对不同主控因素下管道的积液情况进行了分析。由模拟结果可初步得出，在管径大于等于DN150，含水率低于0.8%时，最大高程差不超过50m的管道不积液，高程差大于100m时，在管道低点会产生积液。

(3)以井口回压作为管线积液排放的控制指标，研究不同工况下井口回压达到某一上限时管线的积液情况，从而为确定积液位置及排液周期提供一定的思路和指导。