海底长距离湿气管线清管流动规律及方案优化

王鸿雁， 邱云河， 李振静

(青岛科技大学 机电工程学院， 山东 青岛 266061)

0 引 言

清管作业根据不同工况可采用水力清管和清管器清管，目的是清除管线内积液、积蜡、锈蚀物，提高管线输送效率[1]。在海上油气田的概念设计、可行性研究、详细设计、运行管理的每个环节，清管作业均是工程师重点考虑的问题[2]。其可能存在的问题在于：在清管作业中产生的清管段塞会阻碍运行管线内流体的流动，易引起管内流体的持液率和压力产生较大波动，进而诱发管道疲劳失效、输送效率降低等情况[3-5]；清管器速度直接关系到清管器和收球端设备运行情况，过高的清管器速度可能引起清管设备的卡堵或损坏[6]。因此，针对油气田进行清管作业研究十分必要。

张文欣等[7]针对清管段塞的控制问题，提出维持高输气量、采用水力清管、提高清管频率等3种方案，采用风险分析和数值模拟方法确立具有操作灵活、风险低的区域引气吹扫方法。陈星杙等[8]针对清管时管线内参数不稳定的问题，基于Minami清管模型，建立瞬态清管模型，得到积液量、持液率、立管底部压力等参数的变化规律。

本文在前人工作的基础上进行深入研究，针对某气田，基于OLGA软件[9]建立3口井集输管线模型，模拟水力清管时不同输量下管线入口压力和管线内积液变化规律，模拟清管器清管时不同输量下的管线入口压力、清管器速度、管线出口累积液量的变化规律，制定合理的清管方案，为该气田清管作业高效执行提供有力指导。

1 气田概述

该气田涉及3口井，产出物通过水下采油树经由各自跨接管(总长为40 m)至集中管汇，通过一条直径为10英寸(1英寸=0.025 4 m)、长度为7 km的海底混输管线回接至海上中心平台。海上中心平台通过水下光纤脐带缆与水下控制模块连接，从而实现对3口井的操作控制。该气田在未来几年的预测数据如表1～表3所示。

表1 3口井温度、压力和流量

表2 气田凝析油性质

表3 气田天然气的体积分数

2 水力清管数值模拟

在油气田投产初期或生产末期，输量较低，为1.0×105～2.0×105m3/d，在该输量条件下的清管作业易在管道出口引起大液塞情况。为解决该问题，需选取更大规格的段塞流捕集器，但这会提高生产成本。对此，可先进行水力清管，使管线内积液量下降，然后开展清管器作业。

水力清管主要通过提高入口输量的方法减少管线内积液量。利用OLGA模拟软件，基于该气田低输量生产工况，研究不同入口输量对管线入口压力的影响以及提高多少输量对减少管线内积液量效果最明显，确定最优吹扫方案。

模拟设置：在2.0×105m3/d的输量下，平稳运行2 h,10 min内将输量分别提升至2.4×105m3/d、2.8×105m3/d、3.2×105m3/d、3.6×105m3/d、4.0×105m3/d。

2.1 入口压力变化规律

如图1所示：在不同输量下，管线入口压力曲线的变化趋势大致相同；管线输量增大可使入口压力增大。此外，入口压力变化具有2个阶段。第一阶段：随着时间延长，入口压力达到小峰值后小幅减小并达到平衡。在此阶段，随着压力增大，气体弹性势能增大，导致压力和输量的变化受阻。同时，输量提升带来的能量和气体惯性使压力和输量不受气体弹性势能的影响而继续增大。这就造成在压力增大的过程中，气体一直处于压缩状态。一旦压力达到峰值，气体的弹性势能达到最大，导致气体膨胀效应[9]，因此压力在一定范围内小幅减小。第二阶段：压力产生新的峰值，随后发生下降，达到再次平衡。造成这种现象的原因是，在第一阶段短时间内压力上升，积液累积在立管底部会阻碍流体流动，进而使入口压力增大，造成二次峰值。随着立管底部积液的减少，入口压力再次进入平衡阶段，这一过程将一直持续到水力清管结束。

图1 不同输量下入口压力变化

2.2 管线内积液变化规律

如图2所示，在不同输量下，积液量始终遵循先大幅下降，然后变化幅度变缓，再实现新的平衡的变化规律，输量对管线内积液量具有反向作用。造成这种现象的原因是输量增大使气体流动速度提高，由于气体与液体存在相间水力摩阻，因此液体流速加快，气体携带着液体流出，管线内积液量逐渐减少[10]。但是，当输量较小(如2.4×105m3/d)时，管线内积液量无法平衡，这意味着在该输量下，流动处于变化状态，稳定程度低。

图2 水力清管时不同输量下积液量变化

表4为不同输量提升下积液量的敏感性。由表4可知，当输量为2.8×105m3/d时，积液量变化较大。此后，若再对输量进行调整，随着输量的增大，积液量不再发生大幅变化。因此，考虑开发的末期成本，认为水力清管作业时，输量调至2.8×105m3/d时效果最佳。

表4 不同输量提升下积液量的敏感性

3 清管器清管数值模拟

相关国家标准[11]和石油规范[12]规定，当管输效率低于 90%时，宜实施清管作业。因此，为保证输气管道的安全、高效运行，有必要制定合理的清管方案。

清管器清管是将清管器置于管线之中，实现管内积液量、杂质降低的必要工作。采用OLGA模拟软件，基于该气田生产基础数据，对不同输量下管线入口压力、清管器速度、管线出口累积液量的变化规律进行分析，确定最优清管方案。

模拟设置：在不同输量条件下，平稳运行2 h, 再放入清管器进行清管作业，整个模拟时间为6 h。

3.1 管线入口压力变化规律

如图3所示，在不同输量下，入口压力曲线变化趋势一致。随着清管器开始工作，入口压力出现小幅振荡，输量越小振荡越剧烈。原因在于输量越大的流体具有更大的气体惯性和弹性势能，因此大输量流体的流动状态受清管器的影响小。小幅振荡后，入口压力持续增大，达到峰值后发生回落，上述情况为压力振荡。造成这一情况的原因是清管器携带的积液到达立管底部时形成液塞，使流体流动受阻，进而使清管器前静压力持续增大。当清管器工作结束时，压力立刻下降至平衡状态。同时，输量越大，压力变化曲线越稳定，意味着振荡越小。原因在于输量增大使立管底部无法积聚过多的液塞。因此，在清管作业过程中需考虑管线压力振荡的影响。

图3 清管器清管时不同输量下入口压力变化

3.2 清管器速度变化规律

如图4所示，在清管器工作过程中，不同输量下清管器速度变化一致。如表5所示，清管器平均速度随输量的增大而提高。但是当输量为3.0×105m3/d 时，清管器瞬时速度较5.0×105m3/d和7.0×105m3/d时更高。

图4 清管器清管时不同输量下清管器速度变化

表5 不同输量下清管器平均速度

这是由于随着清管器工作，在清管器前形成大量积液，在立管底部瞬态段塞流较更大输量下更强，进而大幅增加清管器前后的压差，致使在该工况下清管器瞬时速度在短时间内大幅提高，这会提高卡球发生的概率。当输量为1.0×105m3/d时，清管器速度变化曲线一直大幅振荡，这是由于输量越小，气体的惯性和弹性势能越小，流体流动更易受清管器的影响，进而管线稳定程度低。常规经验表明，在清管作业时清管器平均速度应在5 m/s以下[13]。由表5可知，在3.0×105～5.0×105m3/d，清管器平均速度在合理范围内，因此设置模拟范围为3.0×105～5.0×105m3/d，进行进一步模拟。如图5所示，4.6×105m3/d时清管器平均速度低于5 m/s，同时输量在4.2×105m3/d时流体流动稳定程度更高。综合考虑之后，认为清管器清管时，输量调至4.2×105m3/d时效果最佳。

图5 清管器清管时不同输量下清管器速度变化

3.3 管线出口累积液量

如图6所示：不同输量下管线出口累积液量在开始便呈线性上涨趋势，这一上涨趋势随着清管器排出而停止；当清管器排出时，累积液量大幅上涨；清管器工作结束后，出现一定时间内的管线干燥，再逐渐恢复正常。在输量较低的情况下，出口端更容易出现较大液塞峰值，易在下游出现溢流风险，因此应尽可能避免在较小输量下进行清管作业。

图6 清管器清管时不同输量下出口累积液量变化

4 结 论

建立长距离湿气管线清管模型，进行参数研究，得到如下结论：

(1) 水力清管时，随着管线输量的增大，管线入口压力迅速增大，管线内积液量逐渐减少，直至达到新的积液水平。输量提高越多，管线入口压力增加越大，积液量减少越明显。当输量为2.8×105m3/d时，管线内积液量较其他工况变化最明显。水力清管时宜将输量调至2.8×105m3/d[14]。

(2) 清管器清管时，随着清管器进入管线，管线入口压力波动明显、管线终端出现瞬时液量峰值等剧烈变化。

(3) 清管器清管时，随着输量增大，清管器平均速度提高，管线入口压力不再剧烈波动，管线出口瞬时液量峰值减小，然而，在中等输量下，清管器瞬时速度达到最高。综合考虑清管器平均速度、清管器瞬时速度、管道出口瞬时液量峰值，清管器清管时宜将输量调至4.2×105m3/d。