李德選 王雪強(qiáng) 李文廣

中國(guó)石化中原石油勘探局勘察設(shè)計(jì)研究院

復(fù)雜山地氣田濕氣集輸工藝探討

李德選 王雪強(qiáng) 李文廣

中國(guó)石化中原石油勘探局勘察設(shè)計(jì)研究院

國(guó)內(nèi)復(fù)雜山地高含硫天然氣的開發(fā)規(guī)模不斷擴(kuò)大，地面集輸系統(tǒng)處于高壓、高含硫、高腐蝕工況條件下，加大了運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。為提高氣田地面集輸系統(tǒng)的適應(yīng)性，確保氣田安全平穩(wěn)運(yùn)行，針對(duì)不同氣田氣井產(chǎn)出物的種類、濕氣定義及復(fù)雜山地特型管網(wǎng)形成的流體流態(tài)、可能產(chǎn)生的危害進(jìn)行分析論證認(rèn)為；含游離水天然氣持液率對(duì)濕氣集輸工藝流體不利流態(tài)的形成具有較大影響；復(fù)雜山地集輸管道敷設(shè)方式所形成的特型管段結(jié)構(gòu)會(huì)形成液相沉積，對(duì)管道安全運(yùn)行影響較大；濕氣持液率小于5%的濕氣集輸，液相水對(duì)集輸工藝安全運(yùn)行的影響可以忽略不計(jì)；濕氣持液率大于5%的濕氣集輸工藝宜采用氣液分相分輸工藝。

復(fù)雜山地；濕氣分類；集輸工藝；分相分輸工藝；高含硫氣田

我國(guó)已開發(fā)氣田氣井產(chǎn)出物多數(shù)屬于含烴類天然氣，很少有游離水，現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范中以重?zé)N的比例給出了濕氣的概念[1]，以此進(jìn)行的集輸工藝設(shè)計(jì)可以滿足含烴類天然氣的正常生產(chǎn)。但是隨著復(fù)雜山地高含硫氣田的開發(fā)，氣井產(chǎn)出物屬于含硫和游離水天然氣，地面集輸系統(tǒng)處于高壓、高含硫、高腐蝕工況條件下運(yùn)行，加大了運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。為確保氣田安全平穩(wěn)運(yùn)行，對(duì)地面集輸工藝設(shè)計(jì)提出了更高要求?，F(xiàn)就復(fù)雜山地條件下持液率、管網(wǎng)敷設(shè)形式及工藝流程對(duì)氣田地面濕氣集輸系統(tǒng)的影響進(jìn)行初步探討。

1 氣井產(chǎn)出物的分類與流體流態(tài)

氣井產(chǎn)出物的組成是確定地面集輸工藝管道流態(tài)的重要依據(jù)，管道流態(tài)是地面集輸工藝進(jìn)行工藝計(jì)算的基本數(shù)學(xué)模型。天然氣從地層開采出來時(shí)一般壓力較高，而且產(chǎn)出物中不同程度地含有游離水、凝析油、硫化氫、二氧化碳，以及一些巖屑、砂粒等機(jī)械雜質(zhì)，需要進(jìn)行必要的處理以達(dá)到商品氣質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)后輸往用戶。由于各個(gè)氣田地質(zhì)條件不同，氣井產(chǎn)出物的種類和數(shù)量也不同。多數(shù)氣田的產(chǎn)出物以甲烷為主，含有一定量的其他烷烴，可以稱之為含烴類天然氣，如中原油田的文23塊氣田；有些氣田的產(chǎn)出物以甲烷為主，不含其他烷烴而含一定量的游離水、硫化氫、二氧化碳等，可以稱之為含硫含水天然氣，如普光氣田。由于各個(gè)氣田產(chǎn)出物不同，天然氣處理的方式亦不同，天然氣的礦場(chǎng)集輸就有不同的工藝流程，一般分為濕氣單相集輸和濕氣混相集輸。

國(guó)內(nèi)一般認(rèn)為經(jīng)過脫水、凈化和輕烴回收工藝提取液化氣和輕質(zhì)油以后，每立方米氣中戊烷及更重的烴類組分按液態(tài)計(jì)，大于10 mL的天然氣稱為濕氣；每立方米氣中戊烷及更重的烴類組分按液態(tài)計(jì)，小于10 mL稱為干氣，此定義未明確涉及到天然氣中的含水問題。油氣集輸設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)天然氣凝液的分離及防止水合物的產(chǎn)生給出了溫度的相應(yīng)規(guī)定[2]，并未涉及濕氣的概念。

英國(guó)殼牌公司對(duì)濕氣的定義是氣液兩相流的體積含氣率大于95%即為濕氣[3]，換言之則是氣液兩相流的持液率小于5%為濕氣。它所指的液相可能是烴類或游離水。但是這樣一個(gè)定義覆蓋的范圍仍然很大，尤其是在系統(tǒng)壓力及被測(cè)介質(zhì)不同的情況下。通常都認(rèn)為，濕氣是一種氣液兩相流中氣相的體積不斷增加，液相的體積不斷減少，最后形成氣相為連續(xù)相，液相為離散相的流動(dòng)狀態(tài)。依據(jù)干度的不同，濕氣呈現(xiàn)出環(huán)狀流、紊流的流動(dòng)形態(tài)；氣液兩相流呈現(xiàn)出環(huán)狀流、紊流、層流、段塞流的流動(dòng)形態(tài)。相對(duì)來說濕氣的流動(dòng)形態(tài)比氣液兩相流的流動(dòng)形態(tài)要簡(jiǎn)單。

2 管網(wǎng)敷設(shè)形式對(duì)集輸工藝的影響

氣田所處地形條件在一定程度上決定了地面集輸管網(wǎng)的敷設(shè)形式，敷設(shè)形式對(duì)管道流態(tài)的形成和管道安全運(yùn)行具有較大影響。

對(duì)于較為平坦的地形條件所形成的埋地管道，管道在平面、縱斷面上基本處于同一標(biāo)高的縱斷面和平面，形成的特型管段較少，對(duì)于濕氣兩相混輸工藝而言形成段塞流的幾率較小，為集輸工藝提供的條件較好。

在復(fù)雜山地集輸管網(wǎng)中，在滿足管道埋深及穿跨越要求的條件下，管道敷設(shè)縱斷面上會(huì)形成無數(shù)個(gè)V字、W字、Z字型等特型管段。對(duì)于單相流體在上坡過程中潛在的壓力損失會(huì)在下坡管段處得到補(bǔ)償，然而對(duì)于氣液兩相流體由于液相的存在，混合密度取決于氣相持液率能力，下坡處氣液混合密度明顯增加，起伏地形帶來的壓力梯度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于摩擦壓力梯度，致使氣相持液率降低，液相占據(jù)主導(dǎo)地位，在低洼處形成段塞流水合物堵塞現(xiàn)象。在集輸管道中沉積液相水會(huì)導(dǎo)致管道內(nèi)嚴(yán)重腐蝕并形成水合物，造成管道輸送能力降低、壓差增大、管道堵塞、管件損壞等危害，導(dǎo)致嚴(yán)重的管道事故。

3 流程對(duì)集輸工藝的影響

3.1 集氣管網(wǎng)

氣田中各氣井、集氣站、凈化廠是通過集氣管網(wǎng)聯(lián)通的，管網(wǎng)方式常見的有放射狀集氣管網(wǎng)、樹枝狀集氣管網(wǎng)、環(huán)狀集氣管網(wǎng)，管網(wǎng)又有單管與雙管之分。要制定一個(gè)合理的集氣管網(wǎng)，必須根據(jù)氣田的氣井產(chǎn)出物及氣井地面方位確定，既要立足于開發(fā)初期實(shí)際條件，又要考慮氣田發(fā)展和變化。應(yīng)根據(jù)濕氣持液率、地面地形地勢(shì)制定合理的濕氣集輸工藝。

3.2 濕氣單相集輸工藝

根據(jù)殼牌公司的濕氣定義，氣液兩相流的持液率小于5%為濕氣。濕氣是一種氣液兩相流中氣相為連續(xù)相、液相為分散相的流動(dòng)狀態(tài)，液相對(duì)于工藝計(jì)算模型及安全運(yùn)行影響較小，可以忽略不計(jì)。其工藝流程如下：氣井產(chǎn)出物→集氣管道→集氣站（節(jié)流→加熱→節(jié)流→預(yù)分離→計(jì)量）→集輸干管→凈化廠（預(yù)分離出的液相車運(yùn)）。

3.3 濕氣混相集輸工藝

由于濕氣天然氣氣井來氣攜帶部分游離水和生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的凝析液，進(jìn)入集輸管道進(jìn)行輸送，隨著氣液兩相流的持液率上升，其流態(tài)屬于典型的氣液兩相流。其工藝流程如下：氣井產(chǎn)出物→集氣管道→集氣站（節(jié)流→加熱→節(jié)流→預(yù)分離→計(jì)量）→集輸干管（單管）→凈化廠。

在濕氣混相集輸工藝中預(yù)分離出的液相計(jì)量后進(jìn)入集輸干管混輸至凈化廠。目前對(duì)于復(fù)雜山地高含硫、持液率持續(xù)上升的氣田而言，該工藝雖然節(jié)約了設(shè)備投資，但是液相水為水合物的存在提供了必要條件[4]，必須采用的通球清液作業(yè)頻繁，對(duì)管道運(yùn)行參數(shù)要求苛刻，風(fēng)險(xiǎn)控制難度較大。以達(dá)縣—臥龍河輸氣管道（達(dá)臥線）為例，自1986年7月投產(chǎn)使用后，由于一直輸送濕含硫天然氣，達(dá)臥輸氣管道腐蝕嚴(yán)重，管道事故頻繁，至2001年底，共累計(jì)爆管37次，事故造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，并污染環(huán)境。普光氣田目前采用的濕氣混相集輸工藝，持液率約5%～11%，雖然生產(chǎn)正常，但是也存在著管網(wǎng)積液現(xiàn)象嚴(yán)重、腐蝕危害等隱患。

3.4 濕氣氣液分相分輸工藝

集輸管道系統(tǒng)安全運(yùn)行影響因素較為復(fù)雜，除制造缺陷、第三方破壞、自然災(zāi)害等因素造成安全問題外，復(fù)雜山地集輸管道敷設(shè)方式形成的特型管段結(jié)構(gòu)及選用的集輸工藝方式對(duì)管線安全運(yùn)行影響較大。復(fù)雜山地集輸管道敷設(shè)方式取決于復(fù)雜地形地勢(shì)的固有條件，管網(wǎng)一旦形成可變性不大。在高含硫、持液率超過5%的氣田建議采用濕氣分相分輸工藝，從而避免對(duì)管道安全運(yùn)行不利流態(tài)的形成。這樣，雖然一次性工程投資較大，但是可以避免管道積液對(duì)管道造成的破壞，減輕酸性流體對(duì)管道內(nèi)壁的腐蝕危害，減少通球清液作業(yè)頻率，風(fēng)險(xiǎn)控制難度降低，降低了運(yùn)行成本。

其工藝流程如下：氣井產(chǎn)出物→集氣管道→集氣站（節(jié)流→加熱→節(jié)流→氣液分離→計(jì)量）→氣液分輸干管（雙管）→凈化廠。

4 結(jié)論

通過上述分析可以看出，含游離水天然氣持液率對(duì)濕氣集輸工藝流體不利流態(tài)的形成具有較大影響；復(fù)雜山地集輸管道敷設(shè)方式所形成的特型管段結(jié)構(gòu)會(huì)形成液相沉積，對(duì)管道安全運(yùn)行影響較大；濕氣持液率小于5%的濕氣集輸，液相水對(duì)集輸工藝安全運(yùn)行的影響可以忽略不計(jì)；濕氣持液率大于5%的濕氣集輸工藝宜采用氣液分相分輸工藝。

[1]油田地面工程建設(shè)規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范(SY/T0049-2006)[S]．北京：石油工業(yè)出版社，2007．

[2]油氣集輸設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50350-2005)[S]．北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2005．

[3]付建民．高含硫天然氣濕氣集輸管道系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和控制[D]．東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)（華東），2010．

[4]張良鶴．天然氣集輸工程[D]．北京：石油工業(yè)出版社，2009．

10.3969/j.issn.1006-6896.2011.11.027

李德選：高級(jí)工程師，1982年畢業(yè)于撫順石油學(xué)院石油天然氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)，現(xiàn)任中國(guó)石化集團(tuán)中原石油勘探局勘察設(shè)計(jì)研究院副總工程師。

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（欄目主持 張秀麗）