沙漠油气田混输管路段塞流分析及处理

沙漠油气田混输管路段塞流分析及处理

韩林

中石化石油工程设计有限公司 山东省东营市 257000

摘要：文章阐述了沙漠油气田集输系统运行的现状，利用工艺管道计算软件对混输管路进行模型分析，对混输管路段塞流进行了预测，并结合联合站处理工艺对段塞流捕集器设计提出了优化，提出了段塞流捕集+三相分离合一装置，并在工程设计中予以应用。

关键词：地形起伏；段塞流；持液量；段塞流捕集+三相分离合一装置

1 引言

顺北油气田地表全部为小型沙丘，油气采用混输方式输送，根据目前已建站场的生产监测，一级三相分离器入口处管线存在一定振动；分离器油出口液位调节阀、水出口调节阀跳动频繁，油水界面、油腔液面稳定性差。

2 段塞流的形成及影响

2.1 段塞流的形成

段塞流是油气混输管道中常见的一种流型，形成的原因有很多，包括水动力学段塞流、地形起伏引起的段塞流、强烈段塞流等。顺北区块混输管路中段塞流的形成主要是地形起伏导致的。

2.2 段塞流对生产设施的影响

顺北油田油气集输系统采取多相管道油气混输方式，受流量、地形起伏等因素的影响，进站油气混输管道出现了一定程度的段塞流，主要体现在以下两个方面：

（1）引起入口管道及下游设备的振动

频繁的段塞流将引起管道、分离器等设备的振动，易造成管道弯头及分离器等设备的疲劳失效。严重的段塞流还可能带来的强烈振动和周期性的轰鸣声。

（2）影响分离器的分离效果

段塞流工况发生时，液塞的的瞬间进入，将大幅超过分离器的设计处理能力，而且由于段塞流液塞的瞬间流入，造成分离器油水界面的不稳定，分离器油水分离界面的不稳定，将严重影响分离器的分离效果。

3 段塞流的预测及分析

3.1 生产条件

本次选取6#计量阀组至联合站混输管线为例进行分析。生产数据预测见表1。

表1 生产数据预测

• 混输管道长度8km。

• 水平管道不考虑坡度，对于坡度管道，假设每公里有一个向上的起伏（模拟沙丘地形起伏）。高度为10m，对应的水平长度为20m。

• 管线起输点液量按照表1计算，起输温度按照20℃，联合站进站压力按照1.0MPa计算。

3.2 段塞流预测

下面根据管道参数及开发指标预测，对不同工况条件下的段塞流情况进行预测，结果如下：

表2 混输管道段塞流计算结果

从上述模拟结果可以看出，对于上述4种工况中，前三种工况混输管道不会出现段塞流，管道中的流体主要呈现层流状态。最后一种工况出现了段塞流，段塞流出现的周期为12分钟左右，一个段塞周期内进入下游容器的液体流量为6.3m³。

由于油田投产后，实际的油量、液量及气量均会发生变化，与开发预测指标有一定的偏差，工程设计需充分考虑段塞流的影响。

4 段塞流捕集器的优化设计

4.1 传统段塞流捕集器的工艺设计

目前，国内外段塞流捕集器主要两种类型：管式捕集器和容积式捕集器。对于类似顺北沙漠油气田，为了减少现场施工工作量、提高模块化和建造水平，减少站场用地面积的角度，推荐选用容积式段塞流捕集器。

对于常规容积式段塞流捕集器，其控制逻辑：

（1）容器本体设液位检测及控制，信号与液相出口调节阀连锁；同时液相出口设置流量检测及控制，信号与液相出口调节阀连锁；液相实现液位与流量的串级调节，确保下游设备的液相连续稳定。同时液相出口设置ESDV阀，实现液位超低的紧急关断。

（2）气相出口设置压力检测及控制，信号与气相出口调节阀连锁，确保下游设备气相的连续稳定。同时气相出口设置ESDV阀及BDV放空阀，实现压力超高的紧急关断及放空。

4.2 三相分离器的工艺设计

目前常用的油水界面自动控制的油气水三相分离器的结构一般分为沉降分离室和油室。对于油水界面自动控制的油气水三相分离器，其控制逻辑：

（1）容器油室设液位检测及控制，信号与油相出口调节阀连锁。

（2）气相出口设置压力检测及控制，信号与气相出口调节阀连锁。

（3）混合腔设油水界面检测及控制，信号与水相出口调节阀连锁。

4.3 段塞流捕集器与三相分离器合一装置

本装置将传统容积式段塞流捕集器和三相分离器的功能集成在一套设备内，并进行了结构和进出口调节的不同组合，实现了段塞流捕集和油、气、水三相分离功能的高度集成，形成了一种高效的段塞流捕集及油气水三相分离一体化装置。

（1）段塞流捕集及三相分离功能的实现

1）段塞流捕集功能：

• 在气相出口设置分程调节阀，正常运行无段塞流产生时，气出口管线压力调节阀起调节稳压作用，放空管线压力调节阀处于关闭状态，维持装置压力的稳定；

• 油相出口管线设置分程液位调节阀，正常运行无段塞流产生时，分离器油相出口管线上得液位调节阀起调节作用，放空液位调节阀处于关闭状态。

• 当段塞流发生后，首先大量液体进入到容器混合腔内，混合腔内的液面将上升，当装置水相出口的调节阀全部打开且液面仍持续上升至设定值时，连锁打开油相放空调节阀，以维持液面的稳定。当段塞液体全部进入到容器后，油相放空调节阀将自动关闭，通过油相出口调节阀维持液位的稳定。

• 在大段的液塞全部进入到装置后，随后将有大段的气量将进入到装置内，造成装置内压力的急剧上升，当压力上升到设定值时，气出口放空压力调节阀开启并启调节作用，维持装置内压力的相对稳定。

2）油气水分离功能：

• 装置流体进口设置了旋流预分离筒，分出的天然气进入装置出口的捕雾器，提高了气液的分离效率，以便减小分离设备内部气体的扰动和气相分离空间。

• 进口布液管采用延伸管布液，强化水洗破乳作用，并且增加分离器的有效分离长度，提高分离效率。

• 采用射频导纳油水界面检测仪，精准检测控制油水界面，简化水腔结构。

• 气相出口设捕雾，去除天然气中的液滴，保证天然气的分离效果。

• 分离器底部设冲砂盘管和集砂器，保证可靠清砂，防止泥砂在分离器内的淤积，保证长期安全运行。

（2）本装置达到的效果

该装置已在联合站工程设计中实现应用。装置出口污水含油可达到≤500mg/l，气相中含液≤50mg/l。一体化装置缩短了工艺流程，提高了设备利用率，减少了工程投资。

（3）装置的应用场合

该装置可用于陆上站场或海上平台等各种段塞流捕集及油气水三相分离器等场合，例如陆地站场混输管道出口的段塞流捕集和油气水分离，也可用于海上平台等油气混输海管的末端等，该装置实现了多功能的集成，提高设备利用率，减少占地面积，大幅降低工程投资。

5 结论

通过上述的分析，针对沙漠油气田混输管路段塞流形成如下认识：

（1）在沙漠地形起伏的条件下，液体部分容易滞留在管道内，不利于管道中液体的流出，混输管路中易出现段塞流。

（2）油田投产后，现场实际的油量、液量及气量均会发生变化，与开发预测指标有一定的偏差，工程设计需充分考虑段塞流的影响。

（3）段塞流捕集器与三相分离器合一装置，能够实现段塞流捕集和油、气、水三相分离功能的高度集成，装置缩短了工艺流程，提高了设备利用率，减少了工程投资。

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