（石油与天然气工程专业论文）新站油田原油集输系统优化研究.pdf

摘要 大庆油f f l 采油九厂经过近二十年的建设，目前已经具有较大规模。随着油田开发时 间的延长，油田设施、采出液含水率大幅度增加，而平均单井产液量、产油量下降，导 致了油罔生产能耗和生产成本的增加。现有生产管理是否合理，究竟如何控制生产能耗， 降低生产成本，使现有生产设施发挥最大功能，各阀组间、中转站生产系统联合运作的 配合、协调怎样才可以达到最优，以及降低油田生产能耗和成本的潜力有多大，都是当 前油田生产技术管理需要解决和回答的问题。 原油集输及注水系统优化研究不仅仅可以充分发挥地面工程技术管理的主观能动 性，开展“节能挖潜”工作和提高生产系统整体运行效率，而且可以通过精细管理，提 高油气生产整体管理水平，减少安全生产隐患。同时，通过仿真软件对需要进行老区改 造的区块进行模拟，利于规划方案的编制工作。 单井集油就是将各油井生产的油、气、水混合物通过管道汇集到计量、分离、处理 站的生产过程，是油田地面建设工程的主要环节；高效、合理的单井集油工艺对保障油 田正常生产、最大限度的减少工程投资、降低生产能耗具有举足轻重的作用。 利用开发的集输系统优化模拟计算软件，可以完成从井口到集油阀组间到联合站以 及外输管线的模拟计算并对新站油田集输系统的现状进行了分析计算，最后利用软件计 算得到调整的运行参数方案。 关键词：集输系统，模拟计算，优化分析，运行参数调整 t h ex i n z h a nc r u d eo i lg a t h e r i n ga n dt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m o p t i m i z a t i o ns t u d y z h a n gj i n g ( o i l & g a se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl iy u x i n g a b s t r a c t t h en i n t he x t r a c to i lf a c t o r yo fd a q i n go i lf i e l dh a sa l r e a d yr u nn e a r2 0y e a r ，a tp r e s e n t h a dt h eb i gs c a l e a l o n gw i t ht h eo i l - f i e l d d e v e l o p m e n tt i m e se x t e n s i o n ，o i lf a c i l i t i e s ， p r o d u c e das i g n i f i c a n ti n c r e a s ei nl i q u i dw a t e r ，a n dt h ea v e r a g es i n g l ew e l ll i q u i dp r o d u c t i o n a n do i lp r o d u c t i o nd r o p ，r e s u l t i n gi nt h ep r o d u c t i o no fo i la n de n e r g yp r o d u c t i o nc o s t s t h e r e a s o n a b l e n e s so ft h ee x i s t i n gp r o d u c t i o nm a n a g e m e n t ，h o wt oc o n t r o lt h ep r o d u c t i o no f e n e r g yc o n s u m p t i o n ，l o w e rp r o d u c t i o nc o s t s ，s ot h a tt h ee x i s t i n gp r o d u c t i o nf a c i l i t i e s t o m a x i m i z et h ef u n c t i o no ft h ev a l v eb l o c k ，t h et r a n s i tp o i n tf o rt h ep r o d u c t i o no faj o i n t o p e r a t i o no ft h es y s t e mo fc o c o o r d i n a t i n gh o ww ec a nb e s ta c h i e v e ，a sw e l la so i lp r o d u c t i o n t or e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o na n dc o s to fh o wm u c hp o t e n t i a li st h eq u e s t i o nw h i c ht h e c u r r e n to i lf i e l dp r o d u c t i o nt e c h n i c a lm a n a g e m e n tn e e d st os o l v ea n dt or e p l y g a t h e r i n ga n dt r a n s p o r t a t i o no fc r u d eo i la n dw a t e ri n j e c t i o ns y s t e mo p t i m i z a t i o ns t u d y c a nn o tg i v ef u l lp l a yt oo u rp l a n to nt h eg r o u n de n g i n e e r i n gm a n a g e m e n ti n i t i a t i v e ，t h e ”p o t e n t i a le n e r g y ”w o r k sa n dr a i s e sm yf a c t o r yp r o d u c t i o ns y s t e mw h o l eo p e r a t i n ge f f i c i e n c y ， m o r e o v e rm a yt h r o u g ht h ef i n em a n a g e m e n t ，r a i s em yf a c t o r yo i lg a sp r o d u c t i o nw h o l e m a n a g e m e n tl e v e l ，r e d u c e st h es a f e t yi np r o d u c t i o nh i d d e nd a n g e r a tt h es a m et i m e ，t h r o u g h t h es i m u l a t i o ns o f t w a r eo nt h en e e df o rt r a n s f o r m a t i o no ft h eo l da n a l o gb l o c k s ，a n d c o n d u c i v et ot h ep r e p a r a t i o no ft h ep l a n t h es i n g l ew e l lg a t h e r i n go fo i li sp r o d u c t i o np r o c e s sw h i c hc o l l e c t st h ev a r i o u so i lw e l l s p r o d u c t i o no i l ，t h eg a s ，t h ew a t e rm i x t u r et h r o u g ht h ep i p e l i n et ot h em e a s u r e m e n ts t a t i o n ，t h e s e p a r a t i o n s t a t i o na n dp r o c e s s i n gs t a t i o n t h i sh i si st h ek e yl i n ko fo i lf i e l dg r o u n d c o n s t r u c t i o np r o j e c t h i g h - p e r f o r m a n c ea n dr e a s o n a b l es i n g l e w e l lo i lp r o c e s si s v i t a l l y i m p o r t a n tt ot h ep r o t e c t i o no fn o r m a lo i lp r o d u c t i o n ，r e d u c et h em a x i m u mi n v e s t m e n tp r o j e c t s a n dr e d u c et h ep r o d u c t i o no fe n e r g y u s et h eg a t h e r i n ga n dt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m o p t i m i z a t i o ns i m u l a t i o ns o f t w a r e ，t ob e c o m p l e t e df r o mt h ew e l l h e a dt ot h em e t e r i n gs t a t i o nt os t a t i o n ，a sw e l la so u t s i d et h eu n i t e d p i p e l i n e sa n ds i m u l a t i o no fan e ws t a t i o ni nt h eo i lg a t h e r i n ga n dt r a n s p o r t a t i o ns y s t e mt o c a r r yo u ta na n a l y s i so ft h es t a t u sq u ob a s i s f i n a l l y ，u s ec o m p u t i n gs o f t w a r et ob ea d j u s t e d o p e r a t i o np a r a m e t e r so f t h ep r o g r a m k e y w o r d s ：g a t h e r i n ga n dt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，s i m u l a t i o n ，o p t i m i z a t i o na n a l y s i s ， a d j u s tt h eo p e r a t i n gp a r a m e t e r s 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 班着一 同期： 妒多年护月侈i l l 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 学位论文作者签名： 麴蓦 指导教师签名： 同期：硼年i o 月侈日 同期：三形汐年1 0 月，垆日 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 引言 0 1 项目的背景 0 1 1 集输系统的模式 大庆油田开发早期采用了多井串联集油流程，故我国石油界称此流程为萨尔图集油 流程，如图o 1 所示。油井产物在井场加热、计量后进入共用的一字形出油管线，并经 集油管线中部送至集中处理站。为提高井流的流动性并补充输送过程中的热能损失，出 油和集油管线上设分气包为加热炉提供燃料，对油井产物加热。这种流程的钢材耗量少， 建设速度和投产见效快，极适合大庆油田开发早期的国内条件。但流程的计量点、加热 点多而分散，不便于操作管理和自动化的实施；多口油井串联于共用的变径集油管上， 随油井水含量的增加，端点井回压上升很快，甚至井流难以进入集油管线，即各井的生 产相互干扰、流程适应能力差并不便于调整和改造。流程也不适合地质条件复杂、断层 多、各油井压力、产量相差较大的油f f l 。 去集中处理站 图0 - 1 多井串联集油流程 f i 9 0 1 m u l t i w e l ls e r i e sc o n n e c t e dg a t h e r i n go fo i lf l o w 1 一计量分离器和水套加热炉联合装置；2 一分气包；3 一加热炉；4 一油井 如图o 2 所示，属多井串联集油流程，具有这种流程的全部优缺点。为减少串联井 相互干扰的缺点，控制环路长度为2 5 3 k m 、串联油井数一般为4 口。在环形管起点掺 热水，改善井流的流动性。热水和井流一起返回站内分离缓冲罐，气液分离后，液相经 增压送往集中处理站。气体由集气管线送往气体处理厂。 引言 图0 2 环形集油流程 f i 9 0 - 2r i n g l i k eg a t h e r i n go fo i lf l o w 1 一分离缓冲罐；2 一油水增压泵；3 一加热缓冲水罐；4 一掺水泵 利用油井动液面法或示功图法进行油井计量。动液面法是采用井口回声记录仪测量 油井停产时及歼井生产一段时间后油井油、套管环空内的液位高度，根据静液面和动液 面的高差，求得单位时间内进入井内的产液量。示功图法是按抽油机示功图求出提升井 筒内液体所耗的功能，进而算得油井产液量。流程适用于油井密度大，产量低，井流需 要加热输送的低产油田。在电力供应比较充足的地方，上述流程演变为在环形管终点处 引一条分支管线经多相泵增压、电加热器加热后引入环形管起点，改善环形管起点段的 热力条件，各口油井流经电加热器加热，或将加热电缆放在环形管内以维持井流的流动 性。 0 1 2 研究意义 大庆油田采油九厂经过近二十年的建设，目前已经具有较大规模。随着油田开发时 间的延长，油罔开发形势发生较大变化，主要反映在油田设施、采出液含水率大幅度增 加，而平均单井产液量、产油量下降，导致了油f 日生产能耗和生产成本的增加。现有生 产管理是否合理，究竟如何控制生产能耗，降低生产成本，使现有生产设施发挥最大功 能，各阀组间、中转站生产系统联合运作的配合、协调怎样才可以达到最优，以及降低 油田生产能耗和成本的潜力有多大，都是当前油田生产技术管理需要解决和回答的问 题。 国家提出“十一五”期间我国单位g d p 能耗要降低2 0 ，结合油田公司2 0 0 5 年技 术座谈会要求及油田生产实际，“十一五”期间节能形势十分严峻。“十五”期间能耗 分析显示，集输系统耗气占全油田生产耗气的6 6 5 ，耗电占5 6 ，注水系统耗电则占 全油田生产耗电的3 2 5 ，为此要达到“十一五”节能目标，降低集输耗气和注水耗电 是必须要大力开展的工作。 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 原油集输及注水系统优化研究不仅仅可以充分发挥地面工程技术管理的主观能动 性，开展“节能挖潜”工作和提高生产系统整体运行效率，而且可以通过精细管理，提 高油气生产整体管理水平，减少安全生产隐患。同时，通过仿真软件对需要进行老区改 造的区块进行模拟，利于规划方案的编制工作。 应用前景：一是投资方面，在生产不增加投资的情况下，最大限度地挖掘装置的生 产潜力，并由此带来巨大的经济效益；二是管理方面，提出了精细管理的要求，可以大 力提高油气生产管理水平；三是节能降耗方面，通过大量的计算，使生产参数得到进一 步的优化，生产成本得到进一步的控制。该项技术成熟后，可以在全厂范围内推广，对 实施节能降耗，控制能耗上升将起到重要作用。 o 2 论文研究目标、主要研究内容及关键技术 0 2 1 论文研究目标 为新站油田和杏西油田分别建立油气集输和注水系统优化模块，对生产过程进行优 化分析，提出最优生产方案。 o 2 2 论文研究主要内容 ( 1 ) 集输系统优化研究 根据新站油田的单井产量、含水率、出油温度、管线的长度、规格、加热炉、机泵 设备等数据，引入油气集输设计规范及热力学、水力学等公式，建立新站油田原油集输 系统分析模块。通过原油集输系统分析模块，得到与生产设备相匹配的最佳运行状况， 进而与实际运行状态对比、分析，找出制约生产的瓶颈因素，提出需要改进的生产参数 及调整方案，通过现场调整，提高系统运行效率和设备利用率，实现生产能耗与效益的 最佳组合，从而降低能耗指标和操作成本。 ( 2 ) 注水系统仿真优化运行研究 根据杏西油田注水泵、注水量、注水管网及注水压力等数据，引入注水设计规范及 水力学等公式，建立杏西油田注水系统分析模块。通过注水系统分析模块，得到与生产 设备相匹配的最佳运行状况，进而与实际运行状态对比、分析，找出制约生产的瓶颈因 素，提出需要改进的生产参数及调整方案，指导油田生产。 o 3 主要技术经济考核指标 l 、油气集输系统：实验区块集输耗气与优化前相比降低2 ，吨液耗气降低2 。 2 、注水系统：实验区块注水单耗与优化前相比降低2 。 第一章集输系统油气水热物性及温降计算模型 第一章集输系统油气水热物性及温降计算模型 1 1 热物性计算模型 黑油模型是按油气相对密度、压力和温度通过溶解气油比来确定气液相物性参数的 一种方法。其优点是：计算简单、编程方便、运算速度快等。其缺点是：不能计算油、 气组成沿管长的变化，无法考虑气体的反凝析现象，计算较粗糙。故黑油模型适用于管 内流体组分不能确切地用摩尔分数表达的场合。如：原油和伴生气多相流管道的计算。 黑油模型因为其计算简单，在许多两相流的流体热物性计算中被广泛应用。黑油模 型通常无法知道流体的确切组成，但需己知在工程标准状态下的气、液相相对密度和气 油比，计算以经验公式和图表为主。 下面将详细介绍黑油模型以及在计算中所用到的主要参数。 1 1 1 溶解气油比( s g o r ) 通常把常压下( 工程标准状态) 储罐中的原油称为脱气原油，而把高于大气压下溶 有天然气的原油称为溶气原油。若原油和天然气处于相平衡状态，系统的压力称为原油 的泡点压力。1 米3 脱气原油在某一压力和温度下能溶解的天然气量( 折算成工程标准 状态下的体积) 称为天然气在原油中的溶解度，或称为溶解气油比( s o l u t i o ng a s o i l r a t i o ) ，常用s m 3 ( 气) s m 3 ( 油) 为单位。 溶解气油比是油气密度、管道压力和温度的函数。管道压力低于液相的泡点压力时， 溶解气油比r s 随压力上升而增大，达到液体的泡点压力后，气油比保持恒定。它们的 关系如图1 1 所示： 图1 - 1 气油比与压力关系曲线 f i g l 1g a s - t o - o i lr a t i oa n dp r e s s u r er e l a t i o n sc u r v e l a s a t e r 在大量实验数据的基础上，首先提出了求气油比的诺模图，并给出了相关计 算式： 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 耻7 8 ( 最 ( 竽 m ， y 耳一o 8 2 6 - g 118 6 9 - p 笋+ o 8 9 ， ( 1 2 ， 。a p ：塑一1 3 1 5 ( 1 - 3 ) o 式中：y g - 一天然气分子分数； o 原油相对密度； 脱气原油分子量；厂天然气相对密度； 卜绝对压力，m p a ；卜温度，k 。 s t a n d i n g 在对美国加利福尼亚州1 0 5 个油样实验测定的基础上，得出另一种形式的 计算溶解气油比的关系式： 尺，= 。，7 8 。 8 。6 p 篙 ”0 5 c - 4 ， 式中：卜温度，。 对上述两种关系式，l a s a t e r 一般用于o a p i 1 5 ，误差范围在7 以内。s t a n d i n g 用 于o a p i 1 5 ，其精度为1 0 。后来，v a z q u e z 对以上两种关系式进行了改进，得到了使 用范围更广的计算式： 当o a p i 3 0 时， 尺。：( s g x p , s t ) 0 1 039,a(1-6) 热么= 篇； 。s p 一气体比重； 1 1 2 油体积系数( o i lf o r m a t i o nv o l u m ef a c t o r ) 由于天然气的溶解，部分天然气以液态形式存在于原油中，使原油的体积增大，一 立方米脱气原油中溶入天然气后具有的体积称为油的体积系数( f v f ) ，单位为米3 米 3 ，它可用于求解溶气液体密度，以下式表示： 鼠2 手 ( 1 - 7 ) 5 第一章集输系统油气水热物性及温降计算模型 式中：广溶气油体积； 一脱气油体积。 一般油的体积系数大于1 小于1 4 。图1 2 表示了体积系数玩随压力的变化关系， 随压力的增大，产生了两种不同的效果：气体的进入使油膨胀，压力的上升又使油受到 压缩。当压力小于泡点压力时，b 。随压力增大而上升；大于泡点压力时，只有第二种作 用存在，压力的增大使b d 减小。 80 图1 - 2 体积系数与压力关系 f i g l 一2 v o l u m ec o e f f i c i e n ta n dp r e s s u r er e l a t i o n s 油的体积系数可以利用s t a n d i n g 关系式求解： b 。= 0 9 7 2 + 0 0 0 0 1 4 7 f ” ( 1 8 ) f = 5 6 2 尺，( 鲁) n 5 + 2 2 5 r + 4 。 c ，一9 ， 此式用1 0 5 个油样进行关联，其误差范围为1 5 。 1 1 3 溶气油的密度 脱气油溶入一部分天然气后，其密度有所下降，由1 米3 脱气油中溶入天然气后的 物料平衡，可求得溶气油的密度，即： 风2 去帆小) ( 1 - 1 0 ) 式中：风脱气油密度，k g m 3 ； 成工程标准状态下空气的密度，k g m 3 ； 黔溶入油内的天然气在标态下相对于空气的密度。 k a t z 提出了另一计算关联式： a 。= r 。0 0 0 3 7 9 a 一0 0 0 3 9 3 ) 一4 0 8 7 7 9 a 。+ 4 4 3 8 1 8( 1 - 1 1 ) r jj 、i ，u 、 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 1 1 4 未溶解天然气的密度 天然气中较重的组分溶入油后，使未溶解的天然气密度减小。若在工程标准状态下 的气油比为民米3 米3 天然气密度为& ，质量为b 舔，在某压力温度下，有r ，米3 米3 的天然气溶入油中，溶解天然气的密度为咏，相应的质量为尺鼎，按密度定义，未溶 解天然气的密度为： d ：p x r - p x s r , ( 1 1 2 ) r n ks 1 1 5 粘度 天然气的粘度取决于温度、压力及组成。若已知天然气在某压力、温度下的密度p 和标准状态下的相对密度，则可用下式计算所处条件下天然气的粘度： 驴c e x p 门 m x ：2 5 7 + o 2 7 8 + 1 0 6 3 6 y = 1 1 1 + o 0 4 x c：2415(777+01844a)t1s 1 0 4 式中：。天然气粘度，m p a - s ； 卜天然气温度，k ； p 工况下气体密度，k g m 3 ； 气体相对密度。 溶气油f r o m 度j 可以由温度条件下的脱气油粘度。与天然气的溶解度r 。用下列相 关式求得： 胁= 彳) 占 ( 1 1 4 ) 删“蔫 删粥+ 斋 式中：，j 温度相同条件时脱气和溶气油的粘度，m p a s 。 1 1 6 溶气油的表面张力 盯= c r e x p ( - o 1 0 1 2 7 p 一0 0 1 8 5 6 3 ) ( 1 1 5 ) 盯= ( 4 7 5 a o 一0 0 8 4 2 7 t 一9 18 9 6 ) x 1 0 3 ( 1 1 6 ) 7 第一章集输系统油气水热物性及温降计算模型 式中：d 压力、温度条件下溶气油的表面张力，n m ； r 常压下脱气原油的表面张力，n m ； 尸所处压力，m p a 。 1 1 7 比热 比热是黑油模型中进行热交换计算的重要参数。气、油比热分别由下面经验公式 求得： 气体的比热只与温度有关，可近似计算如下： ( c pg = 1 3 1 9 + 0 0 9 2 t 一0 6 2 4 1 0 _ t 2 ( 1 - 1 7 ) 油比热是比重和温度的函数： ( c p ) o = 0 3 3 + 0 0 2 2 。a p i + 0 0 0 0 5 5 t ) ( 1 - 1 8 ) 油、气、水三相的比热c 。 f | d2 ( 1 一x w g ) 【兀x4 18 6 7 + ( 1 一九) c p 。】+ x 愕c 昭 式中：l 一体积含水率，无因次； x 增一质量含气率，无因次； c 。一油、气、水三相的比热，k j k g ； c p g 、c p o 一分别为天然气和油的比热，k j k g ： 1 2 混输管线温降计算模型 1 2 1 公式推导 目前，如何计算混输管线的温降，还没有现成的公式，因此有必要推导混输管线的 温降公式。假设： ( 1 ) 、管道截面积不变； ( 2 ) 、不考虑气体和液体的加速损失； ( 3 ) 、不考虑微元管段中的相变热； ( 4 ) 、稳定流动； 取d ，段微小单元进行能量分析 1 、对气体：根据气体的能量守恒，得到如下的等式： d q g = d o + d q 舯 8 ( 1 1 9 ) 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 w 。2 d l d p d q g m = ；k , g 上2 d g 瓦 将( 1 2 0 ) 代入( 1 1 9 ) 得： d q g = d 驴詈 由气体能量方程： d q g = d h - v d p = d 办一了d p 由( 1 2 1 ) 和( 1 - 2 2 ) 得： d q 庐= d h 又酰扯( 普 e d t + ( 嚣) r 卯= c p g d t 协i , - 历、j r d p 所以： ( 嚣 ，卯瑙d 丁 在d r 段上可以认为是绝热过程即d h = 0 ( 丝o p 卜( 器) 。一勰lj7 l 卯 缁脂 所以：d h = c p g d t c p g o , c w 由( 1 2 3 ) 矛【1 ( 1 2 4 ) 得： d 线= c p g d t c 船d , d p 所有上式中： d q 2 d ，段的能量变化量，k j k g ； d q 嚣d ，段单位质量气体向环境的散热量，k j k g ； d q 肼d ，段单位质量的气体摩擦生热，k j k g ； 五g 气体的水力摩阻系数，无因次； w g 气体速度，m s ；p ，一液体密度，k g m 3 ； c 昭气体的定压比热，k j ( k g ) ； d 焦耳汤姆孙系数，o c p a 2 、对液体：根据能量守恒得： 9 ( 1 2 0 ) ( 1 - 2 1 ) ( 1 - 2 2 ) ( 1 2 3 ) ( 1 2 4 ) ( 1 2 5 ) 第一章集输系统油气水热物性及温降计算模型 。一 d q 厶= c 可d t i g d l 式中d 绕d ? 段单位质量的液体向环境的散热量，k j k g ； f 液体的水力坡降，m m ； c 叫液体的比热，j ( k g ) ； 对气液混合物： 设单位质量气液混合物向环境的散热量d 9 ，为： md q s = m g d o 弘+ m t d q g t 其中 a o ，= 一k t t d r ( t - t o ) d ! 将( 1 - 2 5 ) 和( 1 - 2 6 ) 代入( 1 - 2 7 ) 中，结合( 1 - 2 8 ) 得： 一k n d ( t t o ) d = m s cp 一mg c 喀d l d p + m f c p l d t i g m ，d l 进一步化简为： 一k r c d ( t t o ) d z = m i x w g cp g + q x w g 、) c 喇 d t mg cp g d t d p i g m t d l 令c p = x w g c 馏+ ( 1 一x w g ) c ； 进一步化简为： 卜h d ( 丁一v o ) + 趣彤f d l = m c p d ，一m g c 昭d , d p pp 近似令d p = 兰_ 二旦d l 跏2 罢一 式( 1 - 3 0 ) 化简为： 辔( 1 一x 帽) 弘咿哥啪“警( 半) d ， 式( 1 - 3 1 ) 等式两边分别对d t ，d l 积分得： 兄= ( t o + b ) + ( 一t o b ) x e x p ( 一口l ) 一 即警c ( 等a 卜啾硼d、l 其中扛丝 d ，l 1 0 ( 1 - 2 6 ) ( 1 - 2 7 ) ( 1 2 8 ) ( 1 2 9 ) ( 1 - 3 0 ) ( 1 - 3 1 ) ( 1 3 2 ) ( 1 3 3 ) 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 d 。的计算如下： ( 1 ) 、如果计算时采用组分模型，则 州耠宰o v 由式( 1 3 4 ) 对天然气的各组分进行计算，可以得到每一组分的d ，。 ( 2 ) 、如果为黑油模型，目前有两个相关式可以计算d ， 、根据俄罗斯公式计算d ，： d ，：型堡二掣 c m p a ； 1 0 0 0 c 碍1 0 0 。e i = o 。9 8 1 0 6 ；e 2 = 1 5 、根据参考文献 d ：! ：! ! ! ! 兰! 旦：互! 墨：互! c m p a ： l p c cp g j ， 其中若1 6 c 2 1 且0 8 53 5 贝l j ： 厂( p ，t ) = 2 3 4 3 t r d 4 一o 0 7 1 ( p r o 8 ) d ，一般在2 5 。c m p a ； 式中 瓦环境温度，k ； 长为l 的混输管线的起点温度，k ； 乃长为上的混输管线的终点温度，k ； 长为三的混输管线的平均温度，k 。 只长为的混输管线的起点压力，p a ； 芝长为的混输管线的终点压力，p a ； m ，d z 段液体的质量流量，k g s ； m 。d ，段气体的质量流量，k g s ； m d ，段气、液质量流量，k g s 是传热系数，w ( m 2 1 ； d 混输管线的管径，1 1 1 ( 1 3 4 ) ( 1 - 3 5 ) ( 1 3 6 ) ( 1 3 7 ) 第一章集输系统油气水热物性及温降计算模型 x w g 质量含气率，无因次； 如果已知终点温度疋，则起点温度的计算如下： = ( 兀+ 6 ) + ( 乏一t o 一6 ) e x p ( a l ) d ，监( ! 嘻) 【1 - e x p ( 似l ) i ( 1 。3 8 ) c , p a xl 讨论： ( 1 ) 上述推导的混输管线的温降公式同样适用于单相气体或液体，令x 吆- - 0 0 ， 得到油管的温降公式；令x 峨= 1 0 ，得到气管的温降公式。 ( 2 ) 上述得到的混输管线的温降公式，还没有体现上倾和下倾管内持液率变化 对温降的影响。下倾管内持液率小，温降加大，上倾管内持液率大，温降减小。如果以 倾角为时的持液率h ，( ) 代替质量含气率x 增，计算比热，即： c p = 【1 一h ，( ) 】c 腭+ h ，( ) c ( 1 _ 3 9 ) 又可得到一种计算温降的公式。 1 2 2 公式验证 本研究中，分别采用以下三种方法来计算温降： 方法一：不考虑天然气的焦耳汤姆逊效应和液体的摩擦生热，计算温降； 方法二：以气液质量分率为基础，既考虑天然气的焦耳汤姆逊效应，又考虑液 体的摩擦生热； 方法三：将持液率代替质量含气率，计算油气水的混合比热； 下面以混输管线为例，说明上述三种计算方法的区别。 管线数据如下： 管径d ：0 2 8 m ；天然气的相对密度。：0 。7 1 0 ； 原油的相对密度a 。：0 5 9 4 ； 环境温度：3 。c ； 起点压力( m p a ) ：5 7 0 4 ；起点温度( ) ：2 5 ； 总传热系数：4w ( m 2 o c ) ；相对粗糙度：0 0 0 0 3 5 7 ； 液体输量：0 0 0 4 5 5 m 3 s ；标准状态下天然气的输量：11 2 8 0 0 0m 3 d ； 混输管线实测终点压力( m p a ) ：4 6 7 ； 混输管线实测终点温度( ) ：3 3 ； 沿线地形起伏数据： 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 表1 - 1 沿线地形起伏数据 t a b l e l 一1 a l o n gt h er o u t eh y p s o g r a p h yd a t a 里程( k m ) 高程( m ) 里程( k i n ) 高程( m ) 04 2 70 0 0 24 2 7 0 0 2 94 0 02 0 0 0 94 0 0 5 3 3 0 0 94 0 5 54 5 0 0 94 1 0 5 4 7 5 0 9 4 1 5 5 4 8 5 7 94 2 2 9 5 1 0 0 9 4 2 2 6 沿线纵断面图： 4 3 0 4 2 5 4 2 0 4 1 5 e 涎 帽4 1 0 4 0 5 4 0 0 05 0 0 010 0 0 015 0 0 02 0 0 0 02 5 0 0 03 0 0 0 03 5 0 0 04 0 0 0 04 5 0 0 05 0 0 0 0 里程m ) 图1 - 3 沿线纵断面图 f i 9 1 3a l o n gt h er o u t ep r o f i l ed i a g r a m 使用b a m e a 统一流动模型判别各管段的流型： 表1 - 2 各管段的流型 t a b l e l - 2v a r i o u sl e n g t h so fp i p ef l o wp a t t e r n 管序号( # ) 流型 管序号( ) 流型 管序号 ) 流型 管序号( | ) 流型 1 分层流 2 环状流3 分层流 4 分层流 5分层流6 分层流 7 环状流 8 分层流 采用b e g g s & b r i u 相关式计算压降( 当下坡管段内的流型为分层流时，采用1 9 9 0 年x i a o & b r i l l 的分层流模型来计算分层流的持液率和压力损失) 。 分别采用上述三种计算方法计算终点温度： 相对误差( ) = 皇塑些冀挚1 。 第一章 集输系统油气水热物性及温降计算模型 说明：以后如果没有特别说明，计算温度的误差均按照上式计算。 表1 3 三种计算温度方法的计算结果 t a b l e l - 3t h r e ek i n do fc a l c u l a t e dt e m p e r a t u r em e t h o dc o m p u t e dr e s u l t 计算方法实测值( )计算值( )相对误差( ) 方法一 4 5 85 9 0 方法二3 9 6 3 0 4 3 3 方法三3 6 4 1 5 7 从表1 3 中可以看出：不考虑天然气的焦耳一汤姆逊效应和液体的摩擦生热，计算 终点温度偏高，误差偏大；用持液率代替质量含气率计算油气水混合物的比热，能减小 误差。 1 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第二章混输管线水力计算模型 管路是连接油气f f l 各种设施的纽带，从油气井到矿场原油库、长距离输油管和输气 管首站之间、矿场地域内的所有输送工艺流体( 原油和天然气) 的管路统称为矿场集输 管路。 按管路内流动介质的相数，集输管路可分为单相、两相和多相流管路。输油管和输 气管都属于单相流管路，而管路内同时输送油气或油气水的管路属两相或多相管路，我 国习惯称为混输管路。 矿场集输管路的特点是，在较小的地域面积内集中大量直径较小的工艺管路。如胜 利油田胜坨采油厂，面积仅8 2 2 k m 2 ，各类工艺管路的总长度达1 0 0 0k m 以上，其中出 油管的长度约7 2 0 k m 。 矿场集输管路中大约有7 0 以上属两相或多相管路。因而，本章重点讨论多相混输 管路。 在气液两相流管线的研究、设计和生产过程中，压降计算是很重要的内容，它引 起了许多专业人员的高度重视。两相流压降计算主要分水平管线、倾斜管线和垂直管线 等三种类型。两相流动非常复杂，尚处于不断深入的研究过程中。目前世界上发表的多 种两相流压降计算公式大体上可以分为三种： 第一类是均相流模型压降计算公式。它是把气液混合物看作一种均匀介质，按单相 管线计算，只是由实验和实测数据确定气液沿管共输时的水力摩阻系数。目前国内常用 的计算公式多数属均相流模型； 第二类是分相流模型压降计算公式。较著名的有l o c k h a r t m a r t i n e l l i 和d u k l e r 压降计 算法； 第三类是流型模型压降计算法。这类方法首先要确定流型。由于流型不同能量损失 机理也不同，因而计算公式也不尽相同。 近年来国外的研究多数倾向于后两种类型的计算，因为后两种类型的公式在理论上 能更好地反映两相流的机理和能量损失规律。 第二章混输管线水力计算模型 2 1 分相流模型 2 1 1l o c k h a a - m a r t i n e l l i 压i 蜂计算法 l o c k h a r t m a r t i n e l l i 是最早提出水平两相管路摩阻压降计算公式的学者之一。他们的 工作对后来两相管路的研究有着重大的影响。l o c k h a r t m a r t i n e l l i 实验的各种参数范围 为：管径1 4 9 - , - 2 5 8 m m 、管长0 6 7 1 5 。2 m 、压力0 。11 - 0 。3 6 m p a 、温度1 5 3 0 。c 、流动介质 为空气水、空气一煤油、空气一苯等。 在推导两相管路压降计算时，l o c k h a a ，m a r t i n e l l i 的基本出发点是：气液两相间无相 互作用，把两相管路近似看作由两条假想管路组成，一个输送液体，一个输送气体。气 液两相管路的流通面积分别与两相管路中气液各自占有的实际流通面积相等。 由此的推得两相管路压降可表示为 警= 卵( 等) ，和百d p = ( 著) 。 c 2 从上式中可以看出，求出分液相折算系数细分气相折算系数蝶以及d p ) ，或 ( 著) 。就可以由上式求得两相混输管路的压降梯度。( 面d p ) ，和( 等) g 可由式( 2 彩 和( 2 3 ) 求得。衙、蝶可由式( 2 5 ) 和( 2 6 ) 求得。 一f 鞠：生丛：互坐磐( 2 - 2 ) ld l ，d 2d 2 a 2 p 。 一f ，塑1 ：生盟w 2 ：生学( 2 - 3 ) ld l g d2d 2 a 2 以 式中 ( 箐) ，、( 觏一艏路内贿液相蒯删时的压降梯麂 d 管路内径，m ； 彳管路流通面积，m 2 ； p ，、p 譬管路条件下液相和气相的密度，k g m 3 ； x 混合物中的质量含气率，无因次； g 两相混输管路质量流量，k g s ； w 妒w ，分别为气相和液相的折算速度，m s ： 五。、五，两相管路内只有气体或液体流动时的水力摩阻系数。 1 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 令彳2 = 式中妒一l o c k h a r t m a r t i n e l l i 参数。 ：篮 砰 c h i s h o l m 推导出计算群和起的公式如下： 拜小妄+ 可1 蝶= 1 + 凹+ x 2 c 值通常由实验确定。c h i s h o l m 推荐的c 值列于表2 1 中。 表2 - 1c h i s h o l m 公式系数c 值 t a b l e 2 1c h i s h o l mf o r m u l ac o e f f i c i e n tcv a l u e t t l tt i1 1 2 01 21 05 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 表中，t t 、i t 、t l 、1 1 中的第一个字母代表液体流态，第二个字母代