天然气管道投产氮气置换混气规律研究.pdf

学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 3 4 赵孟卿 等 天然气管道投产氮气置换混气规律研究 B 气 A 气 ／／ ／／／／ 远 方 声 r X 卜 ． I ⋯一 _ 』 _ l h k B I 一一 k B 1 ，k A 0 k A k m - O ． 5 1 ， k B 0 0 一 混气初始接触面；X - 计算点距离初始接触面的距离，m ； ￡ 一 混气发生段 的长度 ，m ，妇一 对 流扩散 系数 ，m ／ s 图1 混气过程示意图 程 和边 界条件 见式 1 [ 5 ] 。 t跨一 尼 等 l f x， o 一0 ， o ≤ ≤L 1 I c L ， ￡ 一 0 , t 0 【f 0 ， 一 1 ， 0 式 中 c为 组 分 的 摩 尔 浓度 ， mo l ／ m。 ； 为 流 体 速 度 ， m／ s ； ￡ 为时 间 ， S ； 尼为对 流 扩散 系 数 ， i n ／ s ； 其 余 符号 意义 见 图 1说 明 。 式 1 求 解 的 核心 是 对 流 扩散 系数 的确定 。当 管 道流 体处 于层 流状态 下 时 ， 常 采用 T a y l o r 层 流 扩 散 系数 ] ， 见 式 2 。 足一 2 式 中 l e 为层 流 扩散 系数 ， IT I ／ s ； 为平 均 流 速 ， m／ s ； 为分 子扩 散 系数 ， m。 ／ s ； d为 管道直 径 ， 1T I 。 然而 ， 在 天 然气 输 送 过 程 中天 然气 常 处 于紊 流 状 态 下 ， Ta y l o r 层 流扩 散 系数 此 时不 再 适 用 。由于 湍流 扩散机 理 比较 复 杂 ， 目前 还 没 有 一 个通 用 的对 流扩 散系数 求解 公式 。本 文引用 3个 对流 扩散 系数 的计算公式。当天然气雷诺数 Re 大于 2 1 0 时 可采 用 T a y l o r 对 流扩 散 系数计 算公式 Ⅲ ， 见 式 3 。 f - U 是 一 1 0 √ 寺 u m r 3 式中 忌为对流扩散系数 ， m。 ／ s ； f为 范宁摩擦 系数； 为圆管截面 的主体平均速度 ， m／ s ； r为管 道 半径 ， m。 式 3 中范宁摩擦系数的选取不同， 得到的湍流 扩散 系 数 也 会 有 变 化 。常 用 的 有 G o l d s t e i n公 式 见式 4 和 C o l e b r o o k Wh i t e 公式 见式 5 。 一 一0 ． 4 4 ． 0 l g Re 2 ． 0 1 l g f 4 1 万 1 一 一 2 1 g 、R 2 ． 5 1 5 式 中 为管 道绝对 当量 粗糙 度 ， m； d为管 道直 径 ， m； f为 范宁摩 擦系 数 。 式 4 适 用 的范 围 为 3 1 0 ≤Re ≤ 1 0 。 。 在摩 擦 系 数 计 算 公 式 中， C o l e b r o o k Wh i t e 公 式 最 为 精 确 ， 式 中 l 厂为 隐 函数 ， 求 解 时需 采 用 编 程 计 算 。程 序运 行 界 面 如 图 2所 示 式 5 和 式 3 ， C十 Bu i l d e r 6 ． 0。 图2 程序运行界面图 美 国天然 气研究 院 GRI 经过 长 期对 管道 内气 体置换的研究发现 ， 扩散系数不仅与管径 、 置换流速 与 Re 有 关 ， 还 与施 密特数 S c 有关 ， 如 图 3所 示 。 懈 箍 恫 窭 嬗 图3 湍流扩散系数与置换流 速、管径和施密特数关系图 由于空气、 氮气和 甲烷的 s c 约 为 1 ． 0 ， 图 3中 S c 1 ． 0时的 曲线 可 以通 过式 6 来 描述 。 g 一 6 [ 6 8 8 ] e x p [ -- 1gR e 1．* 式 中 忌为对 流 扩散 系 数 ， r n s ； 为 天然 气 运 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 3 6 赵孟卿 等 天然气管道投产氮气置换混气规律研究 式 中 P为局 部相 对压力 ， P a ； P 。 为操 作压力 本模 拟 中 设 为 大 气 压 ， P a ； R 为 通 用 气 体 常 数 ， 8 ． 3 1 4 J ／ too l K ； m 为第 i种 物 质 的摩 尔浓 度 ， mo l ／ L； M 为 第 i种 物 质 的 分 子 量 ； T 为 混 气 温 度 ， ℃。 粘度 使用分子运动论定义流体 的粘度 ， 见式 1 1 。 ．6 71 0 1 1 n 一 n T 个 一 e ／ k B 式 中 T为混气温度 ， oC； 为第 种物质 的 分子量 ； 为 能量 参数 ， 埃 1 0 。 m ； e ／ 是 为 特 征 长 度。￡ ／ 志 与 是 该种流 体 的分 子运动 论参 数， 即 L e n n a r d J o n e s 参 数 。 4结论 与建 议 虽然 一维 氮气 置换模 型 能反应 气体 的基本 混 气 规律 ， 但是无法得出具体的混气过程， 以及管道流体 在运 行过 程 中混气 段 的形 成 、 发 展 以 至具 体 浓 度 分 布等细节信息与规律。一维置换模型对对流扩散系 数的依赖性很强， 然而对流扩散系数须经现场经验 或实 验测 定 ， 具 有 很 大 的不确 定 性 。置 换 模 型 的 二 维动 力学 模 型则不 存 在 上 述 问题 ， 对 流扩 散 系 数 对 二维模 型的影 响较 小 ， 然 而 正确 建 立 置 换模 型 是 二 维置 换模 型合理 与 否的关 键 因素 。 参 考 文 献 [ 1 ]许 玉磊．输气管道“ 气推气” 投产过 程混气规律研究E J ] ． 油气储 运 ， 2 0 0 8， 2 7 1 ． 1 11 2 ． [ 2 ]刘雪梅 ， 谢萸．输气管道气体置换方案 的比较及应用 [ J ] ． 油气储 运 ， 2 0 0 8， 2 7 1 ． 4 75 O ． [ 3 ]邓晓峰， 何永春 ， 彭维茂 ， 等．天然气 管道氮 气干燥置 换工艺 及 实际应用_ J ] ．石油与天然气化工， 2 O 1 1 ， 4 0 3 3 2 5 3 2 8 ． [ 4 ]薛继军 ， 张鹏 云， 王俊 奇 ， 等．输气 管道投产 置换过程 气体混 合 规律研究[ J ] ． 天然气工业 ， 2 0 0 6 ， 2 6 1 2 1 4 7 1 4 9 ． [ 5 3付春丽．海 管氮 气置换 混气 规律研 究[ D ] ．北 京 中国石油 大 学 ， 2 0 0 9 1 1 22 ． [ 6 ]Ta y l o r G I ．D i s p e r s i o n o f s o l u b l e ma t t e r i n s o l v e n t f l o w i n g s l o w l y t h r o u g h a t u b e I- j ] ． P r o c ． R o y ． S o c ． A， 1 9 5 3 ， 2 1 9 1 1 3 7 1 8 6 203． [ 7 ]Ta y l o r G I ．Th e d i s p e r s i o n o f ma t t e r i n t u r b u l e n t f l o w t h r o u g h a p i p e[ J ] ． P r o c ． R o y ． S o c ． A，1 9 5 4 2 2 3 4 4 6 4 6 8 ． [ 8 ]E k a mb a r a K， J o s h i J B ．Ax i a l mi x i n g i n l a mi n a r p i p e f l o ws [ J ] ． Che m i c a l En gine e r i n g Sc i e n c e ， 2 0 0 4 5 9 3 9 2 9 3 9 4 4 ． [ 9 ]J o h n s o n J E ．P i p e l i n e P u r g i n g P r i n c i p l e s a n d P r a c t i c e [ J ] ．J o u r na l o f Of f s h o r e M e c h a n i c s a n d Ar c t i c En g i n n e r i n g， 1 9 9 8， 2 1 0 2 4 9 2 5 6 ． [ 1 0 ]李万 平．计 算 流体 力 学 [ M] ．武 汉 华 中科 技 大 学 出版社 ， 2 0 0 4 1 2 1 1 2 7 ． 收稿日期 2 0 1 1 - 1 2 2 7 ； 修回日 期 2 0 1 2 0 4 0 2 ； 编辑 钟国利 西南油气 田公 司新 型纤维转 向酸现场应 用获得成功 近 日， 西南 油气 田 自主研 发 的 新 型 纤 维转 向酸 体 系在 月 5井获得 成功 。该技 术在 低 温长 井段 水平 井 中试验 成 功 ， 对 于 低 温 水平 井的 勘探 开发 具 有 重 要 意义 。新 型纤 维转 向酸在 低 温井不但 能够化 学转 向 ， 而且 能 够物理 转 向 ， 能 够 快速 降 解 ， 标 志 着 四川 油 气 田纤维 转 向酸体 系研 发 迈上 新的 台阶 。 现 场试 验 井 系明月峡甘 家湾潜伏 构造 的一 口探 井 ， 石炭 系试油段 分 段后 段 长 在 6 0 m～7 4 ． 5 m， 但 单段试油段 内储层渗透率差异较大 ， 因此整个施 工 段 合 理布 酸存 在 一 定 困难 。针 对 该 井具体 特 征 ， 提 出以下两条设计思路 ①采 用转向性能 良好的表面 活性 剂转 向 酸作 为酸 化 工 作 液 ， 既 能 实现 施 工 井段 合 理布 酸 ， 又能形 成深 穿透 改造 的酸化 工 艺 目标 ； ② 对 渗透 率差异 在一 个数 量级 的试 油段 采 用可 降解 纤 维 实现物 理转 向 ， 使 整 个施 工段 合理 布 酸。施 工后 ， 点火焰 高 1 0 m～ 1 2 m， 测 试 日产天 然 气 1 2 ． 4 1 0 m3 。 现 场试 验 结 果表 明 ， 研发 的新 型 纤 维转 向酸体 系能够最大程度地 满足该井的储层改造技 术要 求， 施 工 曲线 能 够 明 显 看到 纤 维 转 向 酸 酸 液 转 向 的过 程 ， 施 工后 残酸返 排液性 能检 测 满足设 计要 求 ， 有 效 地解 除 了污染 ， 沟通 了微 裂缝 ， 达 到 了预 期设 计 的要 求 ， 获得 了较好 的增 产效果 ， 为低 温长 井段 水平 井增 产 改造提供 了 良好 的技 术 支持 。 天然气 研究 院 王道成 张燕 报 道 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m