提高山区酸气管道清管效果技术研究

王小魏 袁银春 李 怡 刘子熠 陈建国

（中国石化西南油气分公司采气二厂，四川 阆中 637400）

0 引言

在天然气集输管线运行过程中，因受到地势起伏和运行参数的变化，管线容易在相对低点位置形成积液，甚至形成段塞流或者冰堵，长时间运行也会出现管道结垢、杂质黏附等情况［1］。管道中积液和污垢不仅会加剧管道的腐蚀，而且会造成上游管网和井站回压增大，影响管线输气效率及气井产能发挥［2］。因此，定期清管作业是保障输气管道安全平稳、经济高效运行的重要措施。

清管作业主要分为新建管道投产清管和运行管道清管。前者一般采用清管器清除管道内的毛刺、焊条、石块及铁屑等遗留杂物，在管道用水进行强度试压后，用清管器进行干燥、排水等作业。后者主要通过清管作业清除管道内的积水、沉积硫等污物，降低集输管道的运行压差，提高管网输送效率［3］。同时酸气管道开展批处理作业前，也需要对管壁进行充分清洁，并在管道内壁涂上一层0.1 mm的缓蚀剂保护膜，隔绝腐蚀介质和管道内壁接触，保护金属管道。因此确保酸气管道清管效果、清除管道污垢、降低集输管道运行压差、提高管网输送效率等对××气田集输管网的高效平稳运行具有重要意义。

1 现状调查

××气田共有35 段酸气运行管道，除采用镍基复合管和处在氮封状态暂未投运的酸气管道外，其余24 段酸气管道均定期开展清管作业，清除管道内部杂质和各类沉积物，防止采出流体中H2S、CO2及腐蚀性地层水造成的各种腐蚀，提高管道输送效率。

1.1 清管器使用现状

输气管道中常用的清管器类型有泡沫清管器、直板式清管器、皮碗式清管器及智能清管器，每种清管器不同的形状直接影响作用效果。目前××气田主要采用直板型清管器开展清管作业。现场测得清管球的过盈量控制在4%左右，涂膜前球的过盈量控制在3.8%左右，涂膜后球的过盈量控制在2.3%左右。清管球与涂膜球过盈量及尺寸见表1。

1.2 清管器速度难以预测

清管作业质量取决于清管器的类型、运行的速度和推动介质的压力。清管效果与清管器运行速度有很大关系，速度过快或过慢都可能造成清管器破坏或功能失效，导致清管效果不理想。

依据《天然气管道运行规范》（SYT 5922—2012等标准，清管速度要求在3～5 m/s。实际清管过程中，清管器在管道内的运动是一个非稳态的过程。清管器在直管段内速度接近于气流速度，但是随着清管器前方积液和杂质的增多，阻力不断增大，清管器两端的压差逐渐增大；当清管器进入弯头等位置时，阻力更大，速度随之减小，甚至停止，这时后方气体的逐渐积聚，推动力不断增大，又使得清管器速度慢慢增大。

同时受上游井站调产影响，目前××气田各段酸气管道清管初始速度控制主要通过调整上游气量实现，现行的清管公式对于气液两相流动的酸气管道不能准确给出清管运行气量范围，实际清管速度差异较大，存在因气量不足而卡球的安全风险。

1.3 清管后清管效果不佳

清管作业后管道内污物、积液被清出，管段运行压差减小，管网输送效率提高，因此可通过清管前后管段压差变化判断清管效果。定义参数“压差降低程度”来表示清管前后管段压差变化，计算公式如式（1）。

据统计，2022年××气田各段酸气管线平均压差降低程度为1%～50%，所有管段平均压差降低程度为19.9%。根据实际清管收球情况，部分管段积液、污物较多，清管压差降低程度较低。

2 原因分析

通过全面总结分析，酸气管道清管效果差的原因包括：清管器运行速度控制得不合理、清管器类型不适用、管道气液输送模式影响、清管器的过盈量不合理、清管次数不合理及清管周期不合理等。经过分析调查，将酸气管道清管效果差的原因分为四类：一为操作类、二为设备类、三为方法类、四为工艺类。原因分析如图1所示。

图1 山区酸气管道效率低原因分析

通过一系列的试验，确定了影响山区管道清管效果的主要因素有三个，分别是清管器运行速度控制得不合理、清管器类型不适用和清管器的过盈量不合理；非主要因素有三个，分别是管道气液输送模式影响、清管次数不合理和清管周期不合理。对三个主要因素影响的分析如下。

一是清管器运行速度控制得不合理。山区集输管网在地势低点更易积聚液体或其他污物，同时受力和前后压差变化使得清管器在管道内的运动是个非稳态的过程。清管效果与清管器运行速度有很大关系，速度过快或过慢，都可能造成清管器破坏或功能失效，导致清管效果不理想。若清管器的运行速度过慢，易造成清管器走走停停，使管道内的水等杂质回流，甚至卡顿；若速度过快，容易对清管器和管壁造成较大的磨损，缩短管道的使用寿命，同时过快的速度还会增大管道的震荡，破坏集输管道及其附属设备的稳定［4］。

二是清管器类型不适用。清管器种类有很多，按结构和形状主要分为球型清管器、皮碗清管器、直板清管器、聚氨酯泡沫清管器等类型。不同清管器结构与运行时的受力情况不同，相同条件下清管效果差异很大［5］。

考虑到集输管网的安全平稳运行，未在××气田酸气管道开展球形清管器清管试验。参考LG-X1至YB-X2 酸气管线球形清管器、泡沫清管器清管过程，对比清管效果。LG-X1 至YB-X2 清管前后压差见表2，可以看出，使用泡沫清管器清管后管网压差减少值明显大于使用球形清管器的压差减少值。相同条件下，泡沫清管器的清管效果明显好于球形清管器。

表2 LG-X1至YB-X2清管前后压差表

直板清管器、皮碗清管器清管效果对比如图2所示。在YB-X3 至YB-X4、YB-X10 至YB-X11 两段酸气管道对比直板清管器、皮碗清管器清管效果。可以看出使用皮碗清管器压差减小值大于直板清管器清管，YB-X3至YB-X4使用皮碗清管器管线压差降低程度为77.8%，使用直板清管器管均压差降低程度为62.5%，皮碗清管器清管效果更好。

图2 直板清管器、皮碗清管器清管效果对比

三是清管器的过盈量不合理。在对管道进行清理的过程中，清管器与管道之间的过盈配合，形成密封以隔绝前后流体，由此清管器与管道内壁之间产生接触力，在清管器前后造成压力差，该压力推动清管器运行。若清管器与管道内壁之间存在间隙，会使流体在清管器前后压差的驱动下进入间隙，从而影响管壁与清管器之间的相互作用。过盈量过小时，球在过弯头时易卡球，过盈量过大时，会造成球两端压差过大，易造成上游井站憋压关断，因此清管器的过盈量至关重要。

3 对策制定

3.1 清管速度优化

利用单因素法，在相同的清管条件下，采取不同的清管运行速度，得到最合理的清管器运行速度。YB-X5 总站清管后管段压差变化如图3 所示，试验结果表明：当清管器运行速度从1 m/s 上升至3.5 m/s 时，清管前后压差降低程度显著增大；当清管器运行速度大于3.5 m/s时，清管前后压差减少值随清管速度的增长的趋势逐渐平缓。

图3 YB-X5总站清管后管段压差变化

3.2 清管器类型优选

在YB-X10 至YB-X11 酸气管线分别使用直板清管器、皮碗清管器进行清管试验。直板清管器、皮碗清管器清管效果对比见表3，使用直板清管器管线压差降低程度为66%，使用皮碗清管器管线压差降低程度为78%，相同条件下使用皮碗清管器的清管效果更好，仅考虑清管效果的情况下，皮碗清管器的清管效果更好。考虑到直板清管器可双向移动，清管过程中卡堵可能性小，皮碗清管器相较于直板清管器更易卡堵和损坏，在实际清管过程中，应根据管线实际情况优选清管器类型。

表3 直板清管器、皮碗清管器清管效果对比

3.3 清管器过盈量优化

利用单因素法，控制清管器过盈量在2.5%～9%，分别在相同的清管条件下，采用不同过盈量的清管器，得出最合理的清管器过盈量。试验结果表明：在清管条件保持不变的情况下，随着清管器过盈量的增大，清管效果变好，当过盈量小于5%时，清管后压差仍然大于0.1 MPa。且过盈量越低，压差越大，甚至达到0.2 MPa。当过盈量从7%上升至8%时，清管前后压差减少值随过盈量的增长的趋势逐渐平缓（见图4）。过盈量超过8%后，发球端的压力由6.52 MPa 上涨至7.55 MPa，压力上涨过大，存在气井关断风险。因此，推荐最优气液比5%～8%之间。

图4 不同过盈量的清管压差

清管器过盈量优化后，采用过盈量为6%的清管器开展清管试验，4 次的清管试验结果显示清管后压差减少0.44 MPa，平均清管效率为93.7%（见图5）。

图5 不同过盈量的清管压差

4 效果评价

通过优化控制清管速度、优选清管器类型、优化清管器过盈量等措施，管线压差降低程度由50%提高至78%，管线平均压差降低程度由19.9%提高至43.2%。酸气管道清管效果的提高减少了管道中积液，降低集输管道运行压差，提高管网输送效率，延缓了积液段管道腐蚀，对××气田集输管网的高效平稳运行具有重要意义。

5 结论

通过对××气田酸气管道清管作业过程中清管器卡堵、清管器速度难以预测、清管后清管效果不佳等清管现状和原因进行分析，对清管器运行速度进行预测与控制，对清管器类型、清管次数、清管器过盈量等参数进行优化，使得清管器尽可能将管道中污物清理干净，从而降低管段运行压差，提高管网输送效率。最终实现将管线压差降低程度提高20%以上，显著提高酸气管道清管效果。