混相输送技术与

1、混相输送技术与    核心提示：中文摘要：就国内外多相流管道的建设、混输管道流动规律、多相计量技术、多相增压技术、富气输送技术及固态生成物问题等方面的现状和应用情况进行了叙述。目前混相输送技术发展的总趋势是 :建设长距离、大口径、高压力混输管道 ;应用先进的多相增压和计量设备 ;系统采用高度自动化控制 ;向深水海域和沙漠深处发展 .中文摘要：就国内外多相流管道的建设、混输管道流动规律、多相计量技术、多相增压技术、富气输送技术及固态生成物问题等方面的现状和应用情况进行了叙述。目前混相输送技术发展的总趋势是 :建设长距离、大口径、高压力混输管道 ;应用先进的

2、多相增压和计量设备 ;系统采用高度自动化控制 ;向深水海域和沙漠深处发展     混相输送技术与应用宫 敬* （石油大学（北京） 宫 敬：混相输送技术与应用，油气储运，2003，22（9）35 38。 摘 要 就国内外多相流管道的建设、混输管道流动规律、多相计量技术、多相增压技术、富气 输送技术及固态生成物问题等方面的现状和应用情况进行了叙述。目前混相输送技术发展的总趋势是：建设长距离、大口径、高压力混输管道；应用先进的多相增压和计量设备；系统采用高度自动化控制；向深水海域和沙漠深处发展。主题词 管道 多相流 混相输送 技术 应用一、前 言随着沙漠、海洋

3、、滩海油气田的开发以及油气集输配套技术的发展，油气水混相输送技术已成为各国的研究热点。采用混输技术后，可以简化海上处理工艺，节省平台建设投资和运行费用及平台空间，提高海上油气田开发的效益；可以降低井口回压，提高油气田的生产能力，增加老油田生产后期产量；比油气分输少建一条管道，节约昂贵的沙漠或海底管道投资；是实现边际油田、沙漠深部或水下采油不可缺少的技术之一；可以将处理厂建在条件较好的地方进行油气深化处理，提高资源利用率。 20 世纪 70 年代以来，我国对多相流运动规律 及工艺计算方法、混输工艺技术、混输设备应用技术进行了系统的研究，目前已取得多相流试验环道及 中试基地建设、工艺计算软件研制、

4、多相流量计标定 装置建设等成果，有些设备已应用于现场，为实际应用和进一步研究奠定了基础。二、多相流管道建设与混输管道流动规律研究已建的大口径、长距离混输管道多为凝析气 /液管道，大油气比、高压力，小油气比的原油 /气 /水管道较少。90 年代采用了多项新技术：采用更精确的计算机软件进行混输管道的设计与运行管理，如北海挪威海域的 Troll混输管道，采用了以 OLGA多相流模型为基础的动态生产系统模型（DPSM），为管道和液塞捕集器内滞液量的控制提供了强有力的支持；采用了超临界压力下的密相输送技术，如 CATS管道的设计压力达到 17. 9 MPa，将天然气 /凝析液两相变成单相输送。表 1 为

5、国外部分海底混输管道建设统计资料，从表 1 可以看出长距离的是凝析气 /液管道。 1、 天然气 /凝析液管道 20 世纪 80 年代末期，将相态模型引入天然气 / 凝析液混输管路的工艺计算中，从此相态模型成为气体 /凝析液混输管路稳态、瞬态模拟的必备模型。试验技术的进步使人人认为三相流的流型同气液两相流基本相同，两相流的流型图可以用于描述三相流动。另一部分人则认为三相流的流型种类多，而且过渡变化复杂，两相流的流型划分方式和流型图不能用于三相流流型的预测。对于压降计算，不少学者认为，在油水混合均匀的情况下，只要能准确地计算出油水混合物的粘度，有些两相流压降公式是可以用于预测三相流压降的。目?63

6、? 油 气 储 运 2003 年前工艺计算中还只是借用两相流的关系式，没有建立出公认的三相流压降的计算方法。稳态计算软件（如 PIPEPHASE、PIPESIM、PIPEFLO）迅速让位于瞬态模拟软件。80 年代，挪威将核工业最先使用的双流体模型引入石油两相流问题中，开发了 OLGA瞬态模拟软件，该软件目前仍在发展和完善中。90 年代，英国、法国也先后开发了商用瞬态模拟软件 PLAC和 TACITE；Shell石油公司开发了内部使用的瞬态模拟软件 Traflow。这些软件的水力学基本方程可以归纳为双流体和漂移流模型两大 类，相应的封闭方程大多是从试验中总结出来的。 可以说，模拟软件的应用为混输

7、管道的设计提供了有效的手段，为混输管道的运行管理提供了依据。三、多相计量技术现和相继开发，多相计量装置的开发研制取得了较大的进展。多相流计量基本上可以分为混合均质多相计量和直接在线计量。Euromatic、BakerCAC、Mo-属于混合均质多相流量计。挪威和美国合作开发的-1900 多相流量计、KOS 公司的 MCF 多相流量计、多相流量计，已在各国海上和陆上油气田得到应用。面的初步研究工作，目前兰州海默公司、西安交大研制的多相计量装置已经进入现场试验验证阶段，并且在海上和陆上油田都有试验的经验。许多石油公司根据需要确定了流量计单相份额的范围和精度要求，能够达到的含气率范围为 0 量的相对误

8、差小于土 5%。由于多相流自身的复杂性，多相流量计作为一种科技含量较高的新技术产品，目前还存在一些问题亟待解决。现在还没有通用性较好的多相流量计，其计量精度还有待于进一步提高。多相流量计的发展趋势是小型化、智能化、高精度、适应性广、安全性高和结构紧凑。这主要依靠以下两条技术路线来实现。 （1）将已经成熟的单相流参数测试技术和测量 仪表应用到多相流量计的计量之中，再结合多相流本身的流动特征进行计算，得到各个组分的流量。 （2）运用新技术进行不干扰流动的流量计量和 计算分析。四、多相增压技术经过十几年的探索和研究人员的不懈努力，在油气水多相混输泵方面国外已研制出了近 10 种不同类型的多相泵。按照

9、使用场合的不同，分为陆上多相泵和水下多相泵；按照工作原理的不同，又可以 分为旋转动力式多相泵和容积式多相泵，前者包括 螺旋轴流式多相泵、离心泵等，后者包括双螺杆泵、隔膜泵、线性活塞泵以及对转式湿式压缩机等。其 中最具代表性的是海神计划的研究成果螺旋轴流式 多相泵和德国 Bornemann泵业公司生产的双螺杆式多相混输泵。目前，这两种泵已有部分工业化产品，田。在 DRAUGEN 、THROUGH以及巴西海域，水下增压泵输系统也已进入检验和考核阶段。但由于多相流动的复杂性，以及泵对流态和含气率的强依赖性，使泵的使用范围受到了很大地限制。我国引进的国外多相泵在现场使用中都遇到了这样或那样的问题。我国

10、石油工作者很早就开始关注油气多相混输技术，早在 60 年代，大庆油田就曾对三螺杆、单螺杆多相泵进行过开发研制，胜利油田在单螺杆多相泵方面也进行过一些研究，但都因技术难度大，或这样那样的原因，未能进行深入研究。进入 90 年代后，我国各大油田、石油公司、科研院所逐渐认识到多相输送的重要性、紧迫性，油田现场对多相输送的要求也日益强烈，有关多相混输技术的应用研究，特别是多相混输泵的引进与开发研制，已成为人们所关注的焦点。五、富气输送技术目前，大多数输气管道输送的天然气是经过脱除水、硫化物和凝析液（NGL）的干气。输送富含凝析液的天然气的管道称为湿天然气管道，这类管道多为近海管道，输送的介质是凝析液和

11、天然气，属两相流。富含凝析液的天然气由于其热值相对高于普通干气而称为富气。为区别于湿天然气管道的两相输送，富气输送工艺特指输入管道前只将天然气中的水、硫化物和部分液体脱掉，而将乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等重烃气（凝析液的主要成分）保留在天然气流中一起以气态单相输送的工艺。富气输送工艺是含凝析液的湿天然气管输工艺中的一种。从 20 世纪 80 年代起，天然气管道的富气密相输送就倍受关注，所谓的富气密相输送，是指管道在密相区运行，没有两相流现象出现。 图 1 为天然气典型的相包络线，其形状与所有 的天然气的包络线相似，不过其形状是天然气组分的函数。富气密相输送就是要求管道最低运行压力 要高于气体的临界

12、凝析压力，而临界凝析压力是气 液两相能够独立存在的最高压力。另外，在传统的天然气管道中，管道的运行温度要高于所输气体的临界凝析温度，临界凝析温度是形成液相的最高温度。由于管道的温度和压力没有进入两相区，这两种方式都避开了两相区，因此可以进行密相输送。 图 1 天然气典型包络线 英国能源部曾在 1980 年对北海的天然气集输系统进行了研究，发现密相输送对于特定的系统可能是合适的。虽然为减少管道的损失提高了系统的入口压力，但并没有明显增加平台上的操作费用，说明其有一定的经济性。我国油气田的天然气凝析液也可以采用富气输送技术，并能产生巨大的经济效益。六、混输管道的固态生成物问题海洋油气开发逐步走向深

13、海。深海油气田的海水温度低、管中静水压力很高，在那里经常遇到水合物生成和堵塞问题。如果天然气凝析液中含有高碳 分子，管壁就会出现结蜡现象。过冷和更高的压力 对水合物和蜡沉积的控制提出了更高的要求。如何抑制或防止气体水合物的生成一直是油气生产和运输部门关注的问题。目前普遍采用的抑制方法是注入热力学抑制剂，如甲醇、乙二醇等。近年来水合物动力学抑制剂的开发和应用发展很快，它具有注入浓度低、用量少、节约投资和运行费用等优点，并已在北海、墨西哥湾等深海混输管道上得到应用，效果良好。由于管内压力高、管外环境温度低、油壁温度梯度大，深海中的管道结蜡问题将更为严重，对结蜡的预防和控制提出了更高的要求。结蜡可能

14、造成管道部分堵塞、停输再启动困难等，将严重威胁到管道系统的正常运行，由此引起的险情经常发生。以管道部分堵塞为例，目前技术水平难以精确定位阻塞点，即使找到阻塞点，解堵也很困难，其处理费用是相当惊人的。 关于天然气水合物生成和原油管道结蜡问题， 国内外均进行了大量的研究，取得了一些较为实用的研究成果。为了满足油气田开发的要求，还需要进行更深入的研究，特别是在对水合物生成、原油管道结蜡的热力学和动力学深入研究的基础上，发展预测技术及相应软件，在设计阶段准确地预测各种实际工况下固态物生成和堵塞情况，以便从设施、操作条件上采取经济和有效的防范措施。七、结束语混相输送技术有着广阔的应用前景和巨大的经济效益潜在。我国混相输送技术与