混相輸送技術(shù)與

1、混相輸送技術(shù)與    核心提示：中文摘要：就國內(nèi)外多相流管道的建設(shè)、混輸管道流動(dòng)規(guī)律、多相計(jì)量技術(shù)、多相增壓技術(shù)、富氣輸送技術(shù)及固態(tài)生成物問題等方面的現(xiàn)狀和應(yīng)用情況進(jìn)行了敘述。目前混相輸送技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì)是 :建設(shè)長距離、大口徑、高壓力混輸管道 ;應(yīng)用先進(jìn)的多相增壓和計(jì)量設(shè)備 ;系統(tǒng)采用高度自動(dòng)化控制 ;向深水海域和沙漠深處發(fā)展 .中文摘要：就國內(nèi)外多相流管道的建設(shè)、混輸管道流動(dòng)規(guī)律、多相計(jì)量技術(shù)、多相增壓技術(shù)、富氣輸送技術(shù)及固態(tài)生成物問題等方面的現(xiàn)狀和應(yīng)用情況進(jìn)行了敘述。目前混相輸送技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì)是 :建設(shè)長距離、大口徑、高壓力混輸管道 ;應(yīng)用先進(jìn)的

2、多相增壓和計(jì)量設(shè)備 ;系統(tǒng)采用高度自動(dòng)化控制 ;向深水海域和沙漠深處發(fā)展     混相輸送技術(shù)與應(yīng)用宮 敬* （石油大學(xué)（北京） 宮 敬：混相輸送技術(shù)與應(yīng)用，油氣儲(chǔ)運(yùn)，2003，22（9）35 38。 摘 要 就國內(nèi)外多相流管道的建設(shè)、混輸管道流動(dòng)規(guī)律、多相計(jì)量技術(shù)、多相增壓技術(shù)、富氣 輸送技術(shù)及固態(tài)生成物問題等方面的現(xiàn)狀和應(yīng)用情況進(jìn)行了敘述。目前混相輸送技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì)是：建設(shè)長距離、大口徑、高壓力混輸管道；應(yīng)用先進(jìn)的多相增壓和計(jì)量設(shè)備；系統(tǒng)采用高度自動(dòng)化控制；向深水海域和沙漠深處發(fā)展。主題詞 管道 多相流 混相輸送 技術(shù) 應(yīng)用一、前 言隨著沙漠、海洋

3、、灘海油氣田的開發(fā)以及油氣集輸配套技術(shù)的發(fā)展，油氣水混相輸送技術(shù)已成為各國的研究熱點(diǎn)。采用混輸技術(shù)后，可以簡化海上處理工藝，節(jié)省平臺(tái)建設(shè)投資和運(yùn)行費(fèi)用及平臺(tái)空間，提高海上油氣田開發(fā)的效益；可以降低井口回壓，提高油氣田的生產(chǎn)能力，增加老油田生產(chǎn)后期產(chǎn)量；比油氣分輸少建一條管道，節(jié)約昂貴的沙漠或海底管道投資；是實(shí)現(xiàn)邊際油田、沙漠深部或水下采油不可缺少的技術(shù)之一；可以將處理廠建在條件較好的地方進(jìn)行油氣深化處理，提高資源利用率。 20 世紀(jì) 70 年代以來，我國對(duì)多相流運(yùn)動(dòng)規(guī)律 及工藝計(jì)算方法、混輸工藝技術(shù)、混輸設(shè)備應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，目前已取得多相流試驗(yàn)環(huán)道及 中試基地建設(shè)、工藝計(jì)算軟件研制、

4、多相流量計(jì)標(biāo)定 裝置建設(shè)等成果，有些設(shè)備已應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)，為實(shí)際應(yīng)用和進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。二、多相流管道建設(shè)與混輸管道流動(dòng)規(guī)律研究已建的大口徑、長距離混輸管道多為凝析氣 /液管道，大油氣比、高壓力，小油氣比的原油 /氣 /水管道較少。90 年代采用了多項(xiàng)新技術(shù)：采用更精確的計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行混輸管道的設(shè)計(jì)與運(yùn)行管理，如北海挪威海域的 Troll混輸管道，采用了以 OLGA多相流模型為基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)生產(chǎn)系統(tǒng)模型（DPSM），為管道和液塞捕集器內(nèi)滯液量的控制提供了強(qiáng)有力的支持；采用了超臨界壓力下的密相輸送技術(shù)，如 CATS管道的設(shè)計(jì)壓力達(dá)到 17. 9 MPa，將天然氣 /凝析液兩相變成單相輸送。表 1 為

5、國外部分海底混輸管道建設(shè)統(tǒng)計(jì)資料，從表 1 可以看出長距離的是凝析氣 /液管道。 1、 天然氣 /凝析液管道 20 世紀(jì) 80 年代末期，將相態(tài)模型引入天然氣 / 凝析液混輸管路的工藝計(jì)算中，從此相態(tài)模型成為氣體 /凝析液混輸管路穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)模擬的必備模型。試驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步使人人認(rèn)為三相流的流型同氣液兩相流基本相同，兩相流的流型圖可以用于描述三相流動(dòng)。另一部分人則認(rèn)為三相流的流型種類多，而且過渡變化復(fù)雜，兩相流的流型劃分方式和流型圖不能用于三相流流型的預(yù)測(cè)。對(duì)于壓降計(jì)算，不少學(xué)者認(rèn)為，在油水混合均勻的情況下，只要能準(zhǔn)確地計(jì)算出油水混合物的粘度，有些兩相流壓降公式是可以用于預(yù)測(cè)三相流壓降的。目?63

6、? 油 氣 儲(chǔ) 運(yùn) 2003 年前工藝計(jì)算中還只是借用兩相流的關(guān)系式，沒有建立出公認(rèn)的三相流壓降的計(jì)算方法。穩(wěn)態(tài)計(jì)算軟件（如 PIPEPHASE、PIPESIM、PIPEFLO）迅速讓位于瞬態(tài)模擬軟件。80 年代，挪威將核工業(yè)最先使用的雙流體模型引入石油兩相流問題中，開發(fā)了 OLGA瞬態(tài)模擬軟件，該軟件目前仍在發(fā)展和完善中。90 年代，英國、法國也先后開發(fā)了商用瞬態(tài)模擬軟件 PLAC和 TACITE；Shell石油公司開發(fā)了內(nèi)部使用的瞬態(tài)模擬軟件 Traflow。這些軟件的水力學(xué)基本方程可以歸納為雙流體和漂移流模型兩大 類，相應(yīng)的封閉方程大多是從試驗(yàn)中總結(jié)出來的。 可以說，模擬軟件的應(yīng)用為混輸

7、管道的設(shè)計(jì)提供了有效的手段，為混輸管道的運(yùn)行管理提供了依據(jù)。三、多相計(jì)量技術(shù)現(xiàn)和相繼開發(fā)，多相計(jì)量裝置的開發(fā)研制取得了較大的進(jìn)展。多相流計(jì)量基本上可以分為混合均質(zhì)多相計(jì)量和直接在線計(jì)量。Euromatic、BakerCAC、Mo-屬于混合均質(zhì)多相流量計(jì)。挪威和美國合作開發(fā)的-1900 多相流量計(jì)、KOS 公司的 MCF 多相流量計(jì)、多相流量計(jì)，已在各國海上和陸上油氣田得到應(yīng)用。面的初步研究工作，目前蘭州海默公司、西安交大研制的多相計(jì)量裝置已經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證階段，并且在海上和陸上油田都有試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)。許多石油公司根據(jù)需要確定了流量計(jì)單相份額的范圍和精度要求，能夠達(dá)到的含氣率范圍為 0 量的相對(duì)誤

8、差小于土 5%。由于多相流自身的復(fù)雜性，多相流量計(jì)作為一種科技含量較高的新技術(shù)產(chǎn)品，目前還存在一些問題亟待解決?，F(xiàn)在還沒有通用性較好的多相流量計(jì)，其計(jì)量精度還有待于進(jìn)一步提高。多相流量計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)是小型化、智能化、高精度、適應(yīng)性廣、安全性高和結(jié)構(gòu)緊湊。這主要依靠以下兩條技術(shù)路線來實(shí)現(xiàn)。 （1）將已經(jīng)成熟的單相流參數(shù)測(cè)試技術(shù)和測(cè)量 儀表應(yīng)用到多相流量計(jì)的計(jì)量之中，再結(jié)合多相流本身的流動(dòng)特征進(jìn)行計(jì)算，得到各個(gè)組分的流量。 （2）運(yùn)用新技術(shù)進(jìn)行不干擾流動(dòng)的流量計(jì)量和 計(jì)算分析。四、多相增壓技術(shù)經(jīng)過十幾年的探索和研究人員的不懈努力，在油氣水多相混輸泵方面國外已研制出了近 10 種不同類型的多相泵。按照

9、使用場(chǎng)合的不同，分為陸上多相泵和水下多相泵；按照工作原理的不同，又可以 分為旋轉(zhuǎn)動(dòng)力式多相泵和容積式多相泵，前者包括 螺旋軸流式多相泵、離心泵等，后者包括雙螺桿泵、隔膜泵、線性活塞泵以及對(duì)轉(zhuǎn)式濕式壓縮機(jī)等。其 中最具代表性的是海神計(jì)劃的研究成果螺旋軸流式 多相泵和德國 Bornemann泵業(yè)公司生產(chǎn)的雙螺桿式多相混輸泵。目前，這兩種泵已有部分工業(yè)化產(chǎn)品，田。在 DRAUGEN 、THROUGH以及巴西海域，水下增壓泵輸系統(tǒng)也已進(jìn)入檢驗(yàn)和考核階段。但由于多相流動(dòng)的復(fù)雜性，以及泵對(duì)流態(tài)和含氣率的強(qiáng)依賴性，使泵的使用范圍受到了很大地限制。我國引進(jìn)的國外多相泵在現(xiàn)場(chǎng)使用中都遇到了這樣或那樣的問題。我國

10、石油工作者很早就開始關(guān)注油氣多相混輸技術(shù)，早在 60 年代，大慶油田就曾對(duì)三螺桿、單螺桿多相泵進(jìn)行過開發(fā)研制，勝利油田在單螺桿多相泵方面也進(jìn)行過一些研究，但都因技術(shù)難度大，或這樣那樣的原因，未能進(jìn)行深入研究。進(jìn)入 90 年代后，我國各大油田、石油公司、科研院所逐漸認(rèn)識(shí)到多相輸送的重要性、緊迫性，油田現(xiàn)場(chǎng)對(duì)多相輸送的要求也日益強(qiáng)烈，有關(guān)多相混輸技術(shù)的應(yīng)用研究，特別是多相混輸泵的引進(jìn)與開發(fā)研制，已成為人們所關(guān)注的焦點(diǎn)。五、富氣輸送技術(shù)目前，大多數(shù)輸氣管道輸送的天然氣是經(jīng)過脫除水、硫化物和凝析液（NGL）的干氣。輸送富含凝析液的天然氣的管道稱為濕天然氣管道，這類管道多為近海管道，輸送的介質(zhì)是凝析液和

11、天然氣，屬兩相流。富含凝析液的天然氣由于其熱值相對(duì)高于普通干氣而稱為富氣。為區(qū)別于濕天然氣管道的兩相輸送，富氣輸送工藝特指輸入管道前只將天然氣中的水、硫化物和部分液體脫掉，而將乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等重?zé)N氣（凝析液的主要成分）保留在天然氣流中一起以氣態(tài)單相輸送的工藝。富氣輸送工藝是含凝析液的濕天然氣管輸工藝中的一種。從 20 世紀(jì) 80 年代起，天然氣管道的富氣密相輸送就倍受關(guān)注，所謂的富氣密相輸送，是指管道在密相區(qū)運(yùn)行，沒有兩相流現(xiàn)象出現(xiàn)。 圖 1 為天然氣典型的相包絡(luò)線，其形狀與所有 的天然氣的包絡(luò)線相似，不過其形狀是天然氣組分的函數(shù)。富氣密相輸送就是要求管道最低運(yùn)行壓力 要高于氣體的臨界

12、凝析壓力，而臨界凝析壓力是氣 液兩相能夠獨(dú)立存在的最高壓力。另外，在傳統(tǒng)的天然氣管道中，管道的運(yùn)行溫度要高于所輸氣體的臨界凝析溫度，臨界凝析溫度是形成液相的最高溫度。由于管道的溫度和壓力沒有進(jìn)入兩相區(qū)，這兩種方式都避開了兩相區(qū)，因此可以進(jìn)行密相輸送。 圖 1 天然氣典型包絡(luò)線 英國能源部曾在 1980 年對(duì)北海的天然氣集輸系統(tǒng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)密相輸送對(duì)于特定的系統(tǒng)可能是合適的。雖然為減少管道的損失提高了系統(tǒng)的入口壓力，但并沒有明顯增加平臺(tái)上的操作費(fèi)用，說明其有一定的經(jīng)濟(jì)性。我國油氣田的天然氣凝析液也可以采用富氣輸送技術(shù)，并能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。六、混輸管道的固態(tài)生成物問題海洋油氣開發(fā)逐步走向深

13、海。深海油氣田的海水溫度低、管中靜水壓力很高，在那里經(jīng)常遇到水合物生成和堵塞問題。如果天然氣凝析液中含有高碳 分子，管壁就會(huì)出現(xiàn)結(jié)蠟現(xiàn)象。過冷和更高的壓力 對(duì)水合物和蠟沉積的控制提出了更高的要求。如何抑制或防止氣體水合物的生成一直是油氣生產(chǎn)和運(yùn)輸部門關(guān)注的問題。目前普遍采用的抑制方法是注入熱力學(xué)抑制劑，如甲醇、乙二醇等。近年來水合物動(dòng)力學(xué)抑制劑的開發(fā)和應(yīng)用發(fā)展很快，它具有注入濃度低、用量少、節(jié)約投資和運(yùn)行費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)，并已在北海、墨西哥灣等深海混輸管道上得到應(yīng)用，效果良好。由于管內(nèi)壓力高、管外環(huán)境溫度低、油壁溫度梯度大，深海中的管道結(jié)蠟問題將更為嚴(yán)重，對(duì)結(jié)蠟的預(yù)防和控制提出了更高的要求。結(jié)蠟可能

14、造成管道部分堵塞、停輸再啟動(dòng)困難等，將嚴(yán)重威脅到管道系統(tǒng)的正常運(yùn)行，由此引起的險(xiǎn)情經(jīng)常發(fā)生。以管道部分堵塞為例，目前技術(shù)水平難以精確定位阻塞點(diǎn)，即使找到阻塞點(diǎn)，解堵也很困難，其處理費(fèi)用是相當(dāng)驚人的。 關(guān)于天然氣水合物生成和原油管道結(jié)蠟問題， 國內(nèi)外均進(jìn)行了大量的研究，取得了一些較為實(shí)用的研究成果。為了滿足油氣田開發(fā)的要求，還需要進(jìn)行更深入的研究，特別是在對(duì)水合物生成、原油管道結(jié)蠟的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)深入研究的基礎(chǔ)上，發(fā)展預(yù)測(cè)技術(shù)及相應(yīng)軟件，在設(shè)計(jì)階段準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)各種實(shí)際工況下固態(tài)物生成和堵塞情況，以便從設(shè)施、操作條件上采取經(jīng)濟(jì)和有效的防范措施。七、結(jié)束語混相輸送技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景和巨大的經(jīng)濟(jì)效益潛在。我國混相輸送技術(shù)與