地形对煤层气集输管线水力计算的影响李晓平

地形对煤层气集输管线水力计算的影响*

李晓平1史学海2宫敬1周军1

1中国石油大学(北京)城市油气输配技术北京市重点实验室2浙江省天然气开发有限公司摘要：根据现有输气管线计算公式，分别建立高程差及地形起伏对煤层气集输管线流量、管径、管长以及终点压力影响的数学模型。通过数值计算，研究地形对煤层气集输管线水力计算各参数的影响。当各起伏管段或直管段高程差小于200m时，地形对集输管线的流量、管径和

管长的影响都很小，可忽略。在其他条件相同的情况下，高程差为100m的直管线终点压力会降低5%以上，且高程差越大，压降受到的影响越大，建议在计算压降时，当起点、终点高程差大于100m就应考虑高程差的影响。在地形起伏地区，管线的起伏高程差是影响各参数的主要原因，其中管线压降受到的影响最为明显。

关键词：地形影响；煤层气；集输管线；水力计算；高程差doi:10.3969/j.issn.1006-6896.2012.12.011煤层气地面集输系统压力很低，地形起伏对其水力计算各参数的影响与天然气集输系统不同，因此，本文根据现有输气管线计算公式，分别建立了高程差及地形起伏对煤层气集输管线流量、管径、管长以及终点压力影响的数学模型。通过数值计算，研究地形对煤层气集输管线水力计算各参数的影响。

方程和气体状态方程可推导出水平及起伏输气管线的各质量流量计算公式。标准状态下气体压缩系数Z0=1，应用气体状态方程及威莫斯公式，将质量流量公式化为工程上习惯采用的体积流量公式，得到

8T0Ra10.31πD3Q1=4p08RaT010.31πQ2=D3p04pQ2-pZ2ZΔTL（1）

１数学模型的建立

１．１基本方程的推导

由文献[1]、[2]可知，根据连续性方程、运动

8RaT010.31πQ3=D3p042p2Q(1-aΔs)-pZZΔTL(1-aΔs)2（2）

2p2Q-pZ(1+aΔs)néùa(si+si-1)LiúZΔTLê1+∑ë2Li=1û（3）

式中Q1、Q2、Q3为标准状况下，气体在水平管、起点、终点有高程差直管线和起伏管内的体积

2g

流量（m3/s）；a=；s为各点的高程（m）；

ZRTΔs为高程差；Ra为空气的气体常数（J/(kg·K)）；；p0为标准状况下气体D为输气管线的管径（m）

压力（MPa）；Z为气体压缩系数，无因次；T0为标准状况下气体温度（K）；Δ为气体的相对密度，无因次；T为气体温度（K）；L为输气管道计算段的长度（m）；pQ、pZ为输气管道计算段起点和终点压力（MPa）。１．２建立数学模型

根据上述节推导出的公式，可分别建立高程差

基金论文：国家科技重大专项课题（２０１１ＺＸ０５０３９－００２）资助。

及地形起伏对煤层气集输管线流量、管径、管长以

及终点压力影响的数学模型。

（1）高程差及地形起伏对流量的影响模型。在其他条件相同的情况下，仅考虑高程差对直管段流量的影响，模型为

aΔsö2æ2

Q1ç(pQ-pZ)(1-2)÷

÷=ç2（4）2÷Q2ççpQ(1-aΔs)-PZ÷øè

仅考虑地形起伏对管线流量的影响，模型为

n

öæ2a2

ç(pQ-pZ)[1+2L∑(si+si-1)Li]÷Q1ç÷i=1÷=ç22÷çQ3ç÷pQ-pZ(1+aΔs)÷ç

øè

0.5

0.5

（5）

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（2）高程差及地形起伏对管径的影响模型。在

其他条件相同的情况下，仅考虑高程差对直管段管径的影响，模型为

æ(p-p)(1-aΔs)ö16

D2ç2÷÷=ç（6）22÷D1çp(1-aΔs)-pçQZ÷

èø

仅考虑地形起伏对管线管径的影响，模型为

2Q

2Z

3

及地形起伏对煤层气集输管线水力计算各参数的影响。２．１高程差对直管段各参数的影响

经井场工艺处理后输出的煤层气初始压力一般为0.2MPa，输送至增压站的最小进站压力为0.05MPa，因此，根据现场实际，取pQ=0.2MPa，pZ1=0.05MPa。在其他条件相同的情况下，根据上

述推导得出的各式，分别计算得到高程差对直管段各参数的影响数据。

从计算结果看出，在其他条件相同的情况下，随着起点、终点高程差的变化，流量、管长、管径以及终点压力均会受到影响，且高程差越大，对各参数的影响也越大。

200m以下的高程差对流量、管径、管长的影响都很小，均不足5%，此时可忽略起点、终点高程差对煤层气集输管线流量、管径和管长的影响。气体在爬坡过程中由于需克服重力做功，必然会造成能量损失，因此终点压力受到的影响较为显著，当起点、终点高程差为100m时影响就达到5.8%。这与天然气管线中所要求的200m以下可忽略地形影响的结论不同，需引起重点注意。所以在计算压

æ2öa2

ç(pQ-pZ)[1+2L∑(si+si-1)Li]÷D3ç÷i=1÷=ç22÷D1çç÷pQ-pZ(1+aΔs)ç÷èø

n

3

16

（7）（3）高程差及地形起伏对管线长度的影响模型。在其他条件相同的情况下，仅考虑高程差对直管段管长的影响，模型为

aΔs)22

(p-p)(1-QZL12=2（8）L2pQ(1-aΔs)-p2Z

仅考虑地形起伏对管线长度影响，模型为L1=L3

(p-p)[1+a∑(si+si-1)Li]

2L3i=1

2Q

2Z

n

p-p(1+aΔs)2Q2Z

（9）

降时，应对大于100m高程差的管线采用考虑高程差的计算式进行计算，以降低误差。２．２地形起伏对管线各参数的影响

由于本文主要讨论的是煤层气集输管线，管长较短，在此取起伏管线长度L=1000m，并根据现场实际，取pQ=0.2MPa，pZ1=0.05MPa。为着重突出管线起伏的影响，设定起点、终点无高程差，分别计算各种起伏次数下，不同的起伏段高程差对各参数的影响规律。

在其他条件相同的情况下，通过对不同的管线起伏次数进行计算，发现各参数的受影响率均相等。分析上述所推导出的计算式亦可知，管线的起伏次数对各参数是没有影响的，当起伏段管线长度一定时，真正对各参数有影响的是起伏高程差。由管线起伏1次对各参数的影响可看出，随着起伏段高程差的增大，管线各参数受到的影响越来越剧烈。

当起伏管段存在200m以下高程差时，地形起伏对集输管线的流量、管径、管长的影响都很小，不足5%，可忽略地形起伏的影响。但终点压力受到的影响较大，当存在100m以上的起伏高程差时影响能达到5%以上。这主要是由于气体的可压缩性，使得下坡时动能的增加量不明显，气体在上坡段产生的能量损失在下坡段不能得到补偿。因此在计算起伏地区煤层气集输管线压降时，对于存在大于100m高程差起伏管段的管线应考虑地形的影

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（4）高程差及地形起伏对压降的影响模型。在其他条件相同的情况下，仅考虑高程差对直管段终点压力的影响，模型为

aΔs)-aΔsp22

p2（10）Z2=pZ1(1-22Q

仅考虑地形起伏对管线终点压力的影响，模型为a2

p2(si+si-1)Li]-Z3(1+aΔs)=pZ1[1+2L∑i=1

pa∑(si+si-1)Li

2Li=1

2Q

n

n

（11）

式中D1、D2、D3分别为水平管、起点与终点有高程差直管线和起伏管的管径（m）；L1、L2、L3分别为水平管、起点与终点有高程差直管线和起伏管的管长（m）；pZ1、pZ2、pZ3分别为水平管、起点与终点有高程差直管线和起伏管的终点压力（MPa）。

２数值计算及分析

20℃时煤层气相对密度为0.554，取Z=0.99，则

R

R=a=287.1=518.23J/(kg·K)

Δ0.5542g2×9.8a===1.304×10-4J/kgZRT0.99×518.23×293将其代入上述各计算式，并分别讨论高程差以

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高浓度聚合物驱采出水浮选剂

艾广智

张韶晖薛强

大庆油田设计院

摘要：高浓度聚合物驱采出水的黏度显著大于水驱采出水，这使油珠的浮升及悬浮固体颗粒的沉降速度显著降低，采出水处理难度随之加大。选择高界面活性药剂降低油水界面膜强度，降低油珠在采出水中的稳定性，选择高枝化度的药剂加快采出水中油珠聚结速度，选择合适的药剂增加气泡对油珠的浮升作用，以上述药剂作为主要组分，设计了不同浮选剂配方。由室内实验及现场试验证明，高浓度聚合物采出水投加浮选剂CL2002100mg/L，气浮沉降8h，或投加浮选剂CL2002125mg/L，气浮沉降6h，再经二级过滤处理后水质均可达标。

关键词：高浓度聚合物；采出水；浮选剂；沉降doi:10.3969/j.issn.1006-6896.2012.12.012

随着大庆油田高浓度聚合物驱矿场试验的进

行，采出液中聚合物浓度逐步上升，采出液水相的黏度等性质也随之变化，这使得采出液油水分离难度显著提高。用现有的水处理药剂来处理高浓度聚驱采出水，存在着药剂投加量高和处理后水质差的问题。

水中油珠聚结速度，选择合适的药剂增加气泡对油珠的浮升作用，以上述药剂作为主要组分，设计了不同浮选剂配方。以从中心井采出液分离出的采出水为介质，评价不同配方的浮选效果。部分实验结果见表1。

表１序号1234567空白不同浮选剂配方效果评价实验结果含油量/mg·L-1683329871252183115悬浮固体含量/mg·L-15053475558343945１浮选剂的研制

高浓度聚合物驱采出水的黏度显著大于水驱采

出水，这使油珠的浮升及悬浮固体颗粒的沉降速度显著降低，采出水处理难度随之加大[1]；同时，采出水中大量的阴离子型聚丙烯酰胺与常规的阳离子型混凝剂发生反应，降低药效并产生难以处理的黏性凝胶，因此限制了这类药剂的使用。为此，选择高界面活性药剂降低油水界面膜强度，降低油珠在采出水中的稳定性，选择高枝化度的药剂加快采出响，采用地形起伏地区的计算式进行计算，以降低误差。

注：温度40℃，浮选剂加药量300mg/L，浮选时间2min；为与现场应用条件一致，投加高浓度聚合物驱破乳剂30mg/L起点、终点无高程差时终点压力降低也有5%以上，且起伏段的高程差越大对压降影响越大。因此，无论起点、终点是否存在高程差，只要存在高程差大于100m的起伏段，在进行起伏管线压降计算时就应当考虑地形的影响。参考文献

[1]李长俊，汪玉春，陈祖泽．天然气管道输送[M]．北京：石油工业出版社，2000．

[2]李玉星，姚光镇．输气管道设计与管理[M]．北京：中国石油大学出版社，2009．

３结论

（1）在进行煤层气集输管线的水力计算时，当各起伏管段或直管段高程差小于200m时，地形对集输管线的流量、管径和管长的影响都很小，可忽略。

（2）起点、终点高程差对煤层气管线压降的影响明显。在其他条件相同的情况下，高程差为100m的直管线终点压力会降低5%以上，且高程差越大，压降受到的影响越大，建议在计算压降时，当起点、终点高程差大于100m就应考虑高程差的影响。

（3）在地形起伏地区，管线的起伏高程差是影响各参数的主要原因，其中管线压降受到的影响最为明显。当存在高程差大于100m的起伏管段时，-26-

（栏目主持杨军）

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