（油气储运工程专业论文）高含水油田集输系统的常温运行优化研究.pdf

英文摘要 s u b j e c t ： s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： t h eo p t i m i z e dr e s e a r c ho no p e r a t i n gu n d e ra t m o s p h e r i ct e m p e r a t u r ef o r 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 mo fh i g hw a t e rc o n t e n to i lf i e l d o i l & g a s s t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g z h a n gw e i ( s i g n a t u 旧弛堕 c u i z h i j i a n ( s i g n a t u m ) j 2 竺釜2 ：鱼! ：i 一兰三 a b s i r a c i i tw i l lc o s tm o r ee n e r g yf o ro i lf i e l dt og a t h e ra n dt r a n s p o r tb yu s i n gt h ep a s tm e t h o d s a n d o p e r a t i n gp a r a m e t e r s 、衍mt h er i s i n gw a t e r r a t ed u r i n gh i g hw a t e rc u to i lp r o d u c i n gp e r i o d , w h i c hw i l la f f e c tt h ep r o d u c i n gb e n e f i t s w i t ht h er i s i n gw a t e rc o n t e n t , t h eo i lw e l lp r o d u c e df l u i dc h a n g e sf x o mw ot y p et 0 o wt y p e m e a n w h i l e ，t h et e m p e r a t u r eo fp r o d u c e df l u i dr i s e s ，t h eo i l sv i s c o s i t yd e c r e a s e s a n dt h el i m i t e dt e m p e r a t u r eo fo i lt r a n s p o r t a t i o nd e c r e a s e sw i t l lt h er i s i n gw a t e rc o n t e n t t o r e d u c et h ep o w e rc o n s u m p t i o na n dm e e tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g hw a t e rc u to i lf i e l d ，t h i s p a p e rm a d ear e s e a r c ho nt h eo i lt r a n s p o r t a t i o no fh i i g hw a t e rc u to i lf i e l db yc h a n g i n go i l p r o p e r t i e so fh i g hw a t e rc o n t e n ta n dt h el i m i t e dt e m p e r a t u r eo fo i lt r a n s p o r t a t i o n , s i m p l i f i e d t h ep r o c e s so fa r b o r e s c e n c ed o u b l e - b a r r e l l e dt r a n s p o r t a t i o nm e t h o dm i n g l e d 、撕t l lh y d r o t h e r m w a t e rd u r i n gh i g hw a t e rc u to i lp r o d u c i n gp e r i o d , a n dv e r i f i e dt h er e s u l t s ，c o n l u d i n gt h a t t r a n s p o r t a t i n go i lb ym i n g l ew a t e ru n d e ra t m o s p h e r i ct e m p e r a t u r ew a sf e a s i b l e b e s i d e s ，o n t h e b a s i so fm a t h e m a t i c a lm o d e lw h i c hm a d et h em i n i m u mp o w e rc o n s u m p t i o na so b j e c t f u n c t i o na n dt h eo p t i m i z e do p e r a t i n gp a r a m e t e r s ，t h eo p t i m a ls o a r eh a sb e e nc o m p o s e db y v bl a n g u a g eo nt h eh e r e d i t ya l g o r i t h mc o m b i n e dw i ma n t s a l g o r i t h m o nt h ea n a l y s i so ft h e r e s u l t so fd a q i n gx i n g l i uo i lm i n i n ga r e aa n dt h ec o m p a r i n gw i t ht h ef o m a la n d u 1 1 一s i m p l i f i e dm o d e l ，t h ep o w e rc o n s u m p t i o nd e c r e a s e s31 5 ( c o m p a r e dw i t l lt h ef o m a l m o d e l ) a n d2 5 7 ( c o m p a r e dw i t ht h eu n - s i m p l i f i e dm o d e l ) ，w h i c h h a sar e m a r k a b l ee c o n o m i c m s d t sa n d p r o v i d e s t h er e f e r e n c e so fo p t i m a lo p e r a t i n gp a r a m e t e r sf o ra r b o r e s c e n c e d o u b l e b a r r e l l e dt r a n s p o r t a t i o nm e t h o dm i n g l e d 、析t l lw a t e rd u r i n gh i g hw a t e rc u to i l p r o d u c i n gp e r i o d k e y w o r d s ：h i g hw a t e rc o n t e n t ，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 ，t r a n s p o r tu n d e r a t m o s p h e r i ct e m p e r a t u r e ，o p t i m i z e dm e t h o d t h e s i s ：a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g ys t u d y i i i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：2 叁垒日期：2 巫：! z 翌 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名： 导师签名：日期： ? i v t o 易1 p 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的目的与意义 石油工业是国家的经济命脉，全球各国都把石油工业作为国家振兴发展的基础。原 油的储量反映一个国家资源的雄厚程度，而原油开采、收集和运输所耗费能量的多少则 直观的反映了一个国家技术手段的先进程度。 我国陆上油田自2 0 世纪6 0 年代开发以来，如大庆、胜利、辽河等主力油田都采用 了注水开采的方式，现在都已进入了高含水采油期，原油综合含水率已达8 0 9 0 。 随着油田全面进入高含水期开采阶段，油井出油温度呈上升趋势；当原油含水率高于8 0 后，粘度降低很大，剪切速率的变化对含水原油粘度已无明显影响，表明含水原油转相， 采出液完全呈现牛顿流体的流动特性；另外，进入高含水后期，集油管道的粘壁温度也 明显下降，因此，充分利用高含水期油井生产的有利条件，简化集输工艺，实现油井的 常温运行，以降低高含水时期的集输能耗是非常有研究价值的。 油用集输系统的运行优化，是埘系统生产运行参数的优化，以实现集输系统最优生 产，使能耗费用降至最低。而对于高含水油田，由于其产出液特征的有利变化与可简化 的工艺，所以必须重新确定系统的最优运行参数，确保系统能耗最低。本文即通过对高 含水原油的特征研究与简化工艺，对集输系统的运行参数进行优化，研究结果对实现高 含水油田集输系统的最优运行有一定的借鉴价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 油田高含水期节能研究 随着油田开发的不断深入，原油综合含水率不断提高。原油粘度降低，流动性增强。 而季节性掺热水输送方式仍被大部分油田原油集输过程所采用，这种原油集输流程本身 需要消耗大量能源，制约了油田生产成本的降低。因此，需要对目前采用这种集输方式 的油气集输系统进行效率及能耗研究，找出节能降耗方法。 目前国内外对油气集输系统效率计算及能耗分析的研究主要集中在建立模型，计算 机测算分析方面。刘立君，刘扬 2 1 等对辽河油田牛心坨地区油气集输系统进行了管网系 统效率测算及能耗分析，给出了分析计算结果，并提出了改造方法及预测了改造后节能 效果。龙风乐等【3 】以油气集输系统为研究对象，建立了能量平衡模型，对集输系统用能 进行了评价计算，并根据结果制定了提高集输系统能量利用率的措施。张兰双等 4 开发 了油气集输系统效率计算及能耗分析软件。软件可用来分析计算原油集输系统联合站、 转油站，站内设备及管道等各个环节的效率、能耗及系统总效率。 也有学者研究影响系统效率的因素。周兴友【5 】从输油系统的动力利用率和热能利用 西安石油大学硕士学位论文 率出发，分析了影响输油效率的因素，并且结合新技术提出了提高输油效率的方法。成 志刚等【6 】分析了原油输送系统中各个环节耗能情况及其影响因素，并提出了合理的节能 降耗措施。孙世海掣7 】研究了原油集输系统效率的测试方法和测试要求，并在测试实验 的结果上进行了改造分析，预测了改造效果。 1 2 2 常温集输的研究 从二十世纪7 0 年代到8 0 年代，我国胜利、中原、河南、大庆等油田为了降低自身 能耗，节约油田成本，相继开展了油气水混输不加热输送工艺的试验研究。经过二十多 年不断试验与研究，采用国内外混输常温集油新工艺、新技术、新设备，已经逐步形成 了9 种具有不同特点的常温集油工艺。 ( 1 ) 常规单管自然常温集油 单管常温集油是将油井原有的掺水管线停掺扫线，依靠油井生产时的自身压力和温 度，将液体通过集油管线输送到计量间。 ( 2 ) 双管常温集油 双管常温集油是把原有掺水管线改为集油管线，对井口和计量间做局部改造，实现主、 副管同时出油。 ( 3 ) 常规双管掺常温水常温集油 以中转站为单元中心，计量间所输送的液量进“三合一”游离水脱除器进行沉降分离 后，一部分水直接进掺水泵返输到计量间。 ( 4 ) 添加原油流动改进剂掺常温水常温集油 原油流动性能改进剂是改进原油流动性能，促进油水转相的化学药剂。在原油集输过 程中应用此药剂，可起到降阻、降粘、降低井口回压的作用，从而达到掺常温水集油的 目的。采用化学药剂进行集油是常温集油技术的新尝试。 ( 5 ) 单管通球辅助常温集油依靠辅助通球清蜡，实现单管不加热集油。 ( 6 ) “一站两制 常温集油 “一站两制”常温集油工艺是针对原常规掺常温水常温集油的中转站系统中新投产 的一批低产液、低含水油井进行的技术改造。对于老井，计量间仍采用常规掺常温水常 温集油方式，而对于新投产的低产液、低含水油井则掺入经加热炉加热的高温水。这一 集油方式既能满足高产液井掺常温水集油，又可以保证低产液、低含水油井的安全生产。 ( 7 ) “三不”复合试验常温集油 在中转站进行不加热、不热洗、部分井不掺水的“三不”复合试验，同时采取井下清 防蜡“四配套 ( 磁短节、强磁防蜡器、啮合式尼龙刮蜡片、点滴加药) 措施，使油井不 热洗。 ( 8 ) 单管环状产液常温集油 单管环状常温集油流程是将一座计量阀组间的几口井用一条集油管线串联成一个环 2 第一章绪论 状的集油方式，环的一端由计量阀组间提供掺水，另一端则把油井生产的油气水集输到 计量阀组间的集油汇管中。 ( 9 ) 单管环状及放射状( 电热辅助) 常温集油 单管环状( 电热辅助) 常温集油流程是将一座计量阀组间的几口井用一条集油管线串 联成一个环状，并在井口安装电加热器的集油方式；单管放射状( 电热辅助) 常温集油 方式是在一座计量间的高产液井采用单管不加热集油方式，而低产液井停止掺水，并在 井口安装电加热器进行电热辅助的集油方式，进而整座计量间实现单管集油。 上述9 种常温集油工艺中，最简单、最经济的方式是常规单管自然常温集油及常规 双管掺常温水常温集油，因为这两种常温集油方式既不需要对流程进行任何改造又不需 要采取任何辅助措施。 1 2 3 系统最优化研究 人们做任何事情都希望用最少的付出得到最佳的效果，工程设计人员是力求取得工 程问题的一组最合理的设计参数，使得由这组设计参数确定的设计方案既满足各种设计 标准、设计规范和技术要求，又使得其某一项或多项技术经济指标达到最佳，如结构最 紧凑、用料最省、成本最低、工作性能最好等，这就是最优化设计。工程最优化设计是 把工程设计问题转化为与之对应的条件极值问题，然后利用最优化数值计算方法和计算 机程序，借助电子计算机求得最优化设计方案的过程和方法。 油田集输系统的优化主要包括集输管网设计优化和集输管网运行优化两方面。设计 优化主要解决的是管网的布局形式和站场的布置位置以及管线的型号，而油田集输系统 的运行优化是指在管网的建成后，基本设备都已确定的前提下，通过运行方案的调整使 某一个或多个经济技术指标达到最优，即为管网运行优化设计。在目前一切以经济利益 最大化为目标的情况下，国内外油田行业都以管网能耗或能耗费用作为最低管网运行优 化的标准。 国外发达国家的油田工业发展的比较早，大规模的管网建设与运行技术都很高。最 早的管道系统最优化问题研究始于上个世纪6 0 年代。在当时的研究中，s h e r w o o d ( 1 9 6 3 年) 取管道设备运行的年费用最少为目标函数，以管线的压力降为约束条件，运用单纯 刑法和p o w e l l 共轭方向直接搜索法将其约束条件转变为目标函数的一部分，从而变为无 约束非线性优化问题进行求解】。 俄国研究人员在这方面也做了很多努力，他们对输油管道的最优方案的经济一数学 模型、最优参数的计算等问题进行了研究分析，在西伯利亚的输油管道设计中，运用优 化设计后取得了显著的经济效益。虽然国外发达国家的油田集输管网系统传统优化设计 技术己非常成熟，但随着集输管网系统的进一步复杂化以及应用数学和计算机技术的发 展，促使人们应用更为先进的优化技术解决这一问题。目前国际上的研究课题主要集中 在应用人工智能技术实现管网系统优化设计，发展管道模拟技术确定管网运行工艺方案 西安石油大学硕士学位论文 等方面【9 】。国内管网运行优化研究在近几年也成为了热门研究对象。 黄善波、徐明海等f l o j 通过对双管掺稀油集输流程的系统分析，以初始投资与运行费 用相结合的等额年费用为优化目标建立了优化设计的数学模型，给出了优化设计变量的 约束条件及数学模型的求解方法，并编制了相应的求解软件。 魏立新、刘扬【l l 】以油气集输系统生产运行费用最小为目标函数，将井口回压、井口 掺水压力和原油进站温度等作为约束条件，建立了系统运行方案优化数学模型。根据优 化数学模型的结构特点，采用了序列二次规划法求解，编制了系统生产运行优化软件。 刘晓燕等【1 2 l 以系统总费用最小为目标对转油站掺水量及掺水温度进行参数优化研 究，找到了适合该地区转油站掺水优化运行的方法，该研究成果可以对油田环状及支状 集输流程进行应用。 雷文贤、毛薇【1 3 】以热力费用和动力费用之和的年运行费用为优化目标建立了中转站 至联合站间输油管道的运行参数优化设计数学模型，采用适当的优化算法利用计算机进 行编程求解得到了最佳的外输参数。 根据所建工程的优化模型，求解就可得到优化结果，但由于所建模型的复杂型，没 有一种算法能很完美的求解模型，人们便对优化模型求解的算法进行了研究。 相比较较早的全局优化经典算法，人们根据自然界的现象和物理规律发展了启发式 算法。目前发展的启发式算法主要有：模拟退火算法、遗传算法、神经网络、禁忌搜索、 蚁群算法等。目前在油田管输方面开展的启发式算法研究和应用主要有： 石油大学的黄善波等以管径和保温层厚度为优化变量，以初始投资和运行费用相结 合的等额年费用为目标函数，建立了热力管线优化设计的数学模型【1 4 1 。该模型是有约束 的非线性规划问题，应用模拟退火算法对该模型进行了求解。 后勤工程学院的高松竹等介绍了一种由模拟退火算法和遗传算法结合构成的混合遗 传算法。结合实例，对其在输油管道优化运行中的应用进行了研究，结果表明，混合遗 传算法具有快速搜索、易收敛和鲁棒性强的特点，用该方法计算得到的动力费用比动态 规划法少3 5 8 ，证明了该方法的有效性和实用性【l 副。 赵培忻等在标准遗传算法中引入新的交叉运算和变异运算，针对优化问题提出了一 类新型混合遗传算法。具体算例验证了算法的有效性和相对于标准遗传算法及某些混合 遗传算法的优越性【1 6 1 。 中国工程物理研究院结构力学研究所的魏发远等针对多目标动态优化设计中，解空 间复杂、目标函数高度非线性、部分目标函数灵敏度容易求得等特点，综合利用多目标 优化技术、遗传算法和梯度优化技术，提出了一种新的多目标混合遗传算法。这种算法 在“并列选择遗传法 的基础上尽可能多地利用目标函数的灵敏度信息以加速收敛速度， 同时通过各目标的重要程度和满意程度来决定相应的子种群大小以达到各目标的协同优 化【17 1 。 西南石油学院的刘恩斌等基于遗传算法进行了天然气集输管网参数的优化设计1 1 剐。 4 第一章绪论 李卫华等采用遗传方法求解了一组天然气集输管网的参数优化设计模型，结果表明利用 该算法可以提高全局收敛性，从而加快系统的求解速度，并由此得到问题的最优解，是 一种可取的优化算法【1 9 3 。 1 3 研究的对象与方法 油田进入高含水期后，采出液的形态、粘度、温度以及集输温度界限都发生了变化， 这些变化都有助于集输系统降低运行能耗，对于运行中的高含水油田集输系统，其管线、 站场布局设计已定，故系统运行中的可变参数决定了系统能耗的大小。 我国陆上油田最常采用的是树状双管掺水集输流程，因此本文就以树状双管掺水集 输系统为研究对象。该流程的运行方案是由转接站掺热水至井口，掺入油井的采出液中， 然后一起经计量间回到转接站，进行分离沉降，沉降分离出来的原油外输到联合站，沉 降出的污水进缓冲罐，经处理重新输送到油井。 通过以上分析，本文首先研究了高含水油田采出液的特性变化，进行了水力与热力 计算，以此分析了简化双管掺水集输流程中掺水炉工艺的可行性，对系统实现常温输送， 降低系统运行能耗的提供了理论支持，并以简化后商含水油l 油井井口至转接站的树状 双管掺水管网为研究对象，建立管网运行优化的数学模型，并运用遗传一蚁群算法求解 模型，优化管网的运行参数，降低系统运行能耗。主要内容有以下几方面： ( 1 ) 研究高含水原油特性，主要实验研究了高含水率对原油粘度的影响以及高含水， 原油集输温度界限的变化。 ( 2 ) 分析了高含水时期集输工艺的简化可行性，简化了掺水炉工艺。 ( 3 ) 以集输系统的能耗费用最小为目标函数，应用高含水时期新的集输温度界限为 温度约束条件，建立运行优化的数学模型。 ( 4 ) 运用遗传蚁群算法求解模型。 ( 5 ) 采用v b 语言编写优化设计程序。 ( 6 ) 以大庆杏六采油区的集输系统为算例，进行实例优化计算。 5 西安石油大学硕士学位论文 第二章高含水原油特性变化与计算 2 1 高含水期产出液形态与温度的变化 当油田进入高含水期后，原油含水率达到8 0 - - - 9 0 ，而水的比热容大约是原油的2 倍，如若采用加热集输的话，系统能耗将会急剧增大。但随着原油含水率的增大，原油 的特征参数发生了很大的变化，其首先有以下两方面的变化： ( 1 ) 油品形态 油田生产初期，由于原油含水率低，经过原油中天然的乳化剂，原油一般形成w o 型乳化液。油田生产进行到后期，油井产物的含水率升高时，油已经不能完全包住水了， 则出现游离水，当含水量进一步增加时，游离水形成连续相，从而使油水乳化液由w o 型变为o w 型。对于油品形态的转变，所引起的最直接的效果就是油品粘度的减小。 ( 2 ) 井口出油温度 依据油田长期大量的生产资料可以看出，随着油井开发生产，油井产出液的含水率 不断升高，井口的出油温度也随之升高。 以大庆油田为例，在油田开发初期，曾根据大量调查资料确定了油井井口出油温度 在1 8 - 2 2 之间，而到1 9 8 0 年左右，油田开采了2 0 年时，有些地区的含水率上升到6 0 ， 这些地区的油井出油温度已上升为2 0 3 5 ，到目前，大庆油田的老井区含水率都已达 到了8 0 左右，其井口出油温度上升为3 0 3 8 ，有些油井甚至达到了4 0 以上。 而当井口出油温度升高时，不但直接降低了系统所需的热力能耗，而且井口液流的 粘度将随着温度的升高而降低，液流粘度的降低又减小了管线的压降损失，从而降低了 系统的动力能耗。 2 2 高含水原油粘度变化的实验研究 集输系统中动力能耗主要是管线的摩阻压降，而集输介质粘度的大小直接影响了其 摩阻压降，粘度高时摩阻加大，压降升高；粘度小时，两者随之减小，有利于集输，从 而影响动力能耗。当油田进入高含水期后，其输送介质的粘度明显减小，通过以下实验 加以说明。 实验材料： 原油水o p 1 0 水包油型乳化剂 实验仪器： n d j 1 b 旋转粘度计：用于测量油品粘度 h j 5 多功能搅拌器：用于搅拌原油与水，配制不同含水率的乳状液 h s - 4 精密恒温浴槽：用于测量粘度时调节油样温度 实验步骤： ( 1 ) 配制不同含水率的油水乳状液 6 第二章高含水原油特征变化与计算 配制2 0 5 5 含水率的油水乳状液时，按比例称重原油与水，放置于搅拌器中搅拌， 直至相融。配制5 5 9 0 含水率的油水乳状液时，按比例称重原油与水，并加入1 的 o p 1 0 乳化剂进行搅拌混合。 ( 2 ) 测定3 5 。c 时不同含水率的油水乳状液的粘度 设定恒温浴槽温度为3 5 。c ，联通浴槽与粘度计，逐个测量不同含水率的油水乳状液 的粘度，测量结果如表2 1 ，图9 - 1 。 ( 3 ) 测定原油与不同含水率的油水乳状液在不同温度下的粘度。 通过调节恒温浴槽，测定原油与油水乳状液在不同温度时的粘度，测量结果如表2 2 ， 图2 2 。 表2 - 13 5 c 时不同含水率的乳状液的粘度( m p a s ) i 原油 2 0 3 0 4 0 5 0 5 5 6 0 7 0 8 0 9 0 3 5 79 0 31 2 1 81 5 1 51 9 5 32 4 0 31 5 7 33 4 32 2 71 2 4 八 厂。， 0 9 62 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 含水率 图2 13 5 时乳状液的粘度随含水率的变化 表2 - 2 不同温度下不同含水率油水乳状液粘度( m p a s ) 温度 貅八 3 03 54 04 55 05 56 0 原油 8 4 45 ”4 1 03 0 42 2 91 8 41 4 4 3 0 1 2 4 01 2 1 81 2 0 09 7 17 1 65 2 73 9 8 4 0 1 6 0 21 4 9 31 2 9 81 0 8 48 5 87 7 35 9 8 8 0 3 0 62 2 71 9 41 6 31 3 9 1 0 1 8 2 9 0 2 2 71 2 41 1 31 0 99 37 76 0 7 o 历 加 坫 m 5 毛di毽桀 西安石油 学硕士学位论文 2 5 3 0 | 】 4 0 45 ：) f )5 56 0 67 】 温度 图2 - 2 温度对不同含水率油水乳状液粘度的影响 由圈2 1 可以看出：以含水率5 5 为界，当古水率小于5 5 时，乳状液的粘度随着 含水率的升- 每而增大，增势平缓；而当含水率太于5 5 时，乳状液的粘度迅速减小，之 后趋于平缓。此处含水率5 5 即为原油乳状液的转相点，转相点前为油包水乳状液，转 桐点后为水包油乳状液。 斟2 - 2 【以石山：随着濉度的刊高，各个含水半的乳状被莉皮都是降低的；但对 于原油与含水率低的乳状液，温度的降低其粘度减小梯度太，即温度对其影响大，对于 含水率高的乳状液，相对来说温降梯度小。 通过以上实验得出，当原油含水率达到转相点后，其粘度迅速降低，且不同含水率 的原油粘度都随着温度的升高而降低。而当输送介质粘度的降低时，其管线的摩阻损失 将降低，从而集输的动力消耗减小，所以需要确定新的最优运行压力参数，以减小费用。 2 3 高含水原油集输的温度界限 油田集输系统必须确定集输系统的最低运行温度，即集输的温度界限，| 三【确保系统运 行的稳定与安全。根据大庆石油学院刘晓燕教授等人1 1 4 1 的研究，当油田进入高含水期后， 由于水远远多于油，水为外相即使管线集输温度达到了原油的凝固点，但在水的带动 和冲刷f 也可以正常输送，故其集输温度可以降低到原油凝固点以下但应当在原油粘 壁温度以上。原油粘壁温度指的是原油在该温度时会有部分凝固的原油粘在管壁上，故 称之为粘壁温度。粘壁温度与原油凝固点不同，其影响因素比较多，油井的产量、含水 率、原油的性质等等都会影响它。当集输温度低于粘壁温度时，部分凝固的原油就会粘 在管壁上，从而使得集输管道摩阻增加、阻力增大、井口回压升高、管道内流动截面积 减少甚至会产生堵管现象，因此，集输温度必须高于粘壁温度。 以大庆油田采油三厂的北u 一2 联合站和采油六厂喇i 1 联合站的原油为介质在室内 用流动模拟器对原油粘壁温度进行了测定，分别测量了原油在不同线速度下，不同含水 率的粘壁温度值，测量结果如表2 - 3 及囤2 - 3 、2 _ 4 、2 5 、2 - 6 所示。 啪啪枷瑚啪啪卿瑚。 第二章高含水原油特征变化与计算 表2 3 原油粘壁温度测定结果 转轮线速 原油粘壁温度( ) 度( m s ) 含水率( ) 采油三厂采油六厂 4 03 0 5 3 1 2 6 52 9 4 2 9 8 8 02 3 72 3 9 0 5 8 52 2 2 2 2 2 9 02 1 0 2 1 3 9 52 0 52 0 9 4 02 9 43 0 0 6 52 8 52 9 2 8 02 2 72 3 0 1 0 8 52 1 72 1 8 9 02 0 82 1 o 9 5 2 0 02 0 2 4 02 8 7 2 9 2 6 52 7 6 2 8 o 8 02 2 2 2 2 3 1 5 8 52 1 0 2 1 3 9 02 0 1 2 0 5 9 52 0 0 1 9 8 4 02 7 62 7 9 6 52 6 42 7 0 8 02 1 12 1 2 2 0 8 52 0 22 0 4 9 01 9 82 0 0 9 51 9 61 9 8 9 西安石油大学硕十学位论文 3 3 3 0 2 7 ；2 4 # 2 1 l 8 1 5 o o 6 5 8 n 9 5 m $ 图2 - 3 采油三厂原油在不同含水幸时的粘壁温度 3 3 3 0 p 2 7 蓄“ g 2 1 1r 0( j lj5225 0 s 图2 4 采油三厂原油在不同流速时的粘壁温度 3 0 p2 7 2 4 g 2 1 1 8 1 5 图 3 3 3 0 p 世2 7 娟 僦2 4 舞 2 1 箧篓 匕皇蠢j 蒌 l _ 兰连兰苍i 流速m s 囤2 - 6 采油六厂原油在不同流速时的粘壁温度 第二章高含水原油特征变化与计算 从表2 3 及图2 3 和图2 5 中可以看出，原油粘壁温度随着流速的增加和含水率的升 高在降低，在相同流速下，随着含水率的升高，粘壁温度降低，但是明显可以看出降低 幅度的不同。以三厂原油流速为1 0 州s 时为例，原油从含水4 0 升高为6 5 时，粘壁温 度下降o 9 ；而含水从6 5 升高到8 0 时，粘壁温度却下降5 8 ；含水8 0 以后，随着 含水率的升高粘壁温度下降幅度逐步缩小，但是缩小幅度不是很大，含水从8 0 升高到 8 5 ，粘壁温度下降1 ；含水从8 5 升高到9 0 ，粘壁温度下降o 9 ；含水从9 0 升 高到9 5 ，粘壁温度下降o 8 。 从图2 - 4 和图2 - 6 中可以看出，在含水率相同的条件下，粘壁温度随流速升高而下降 且基本成线性关系，但在4 0 的含水率时其下降梯度明显快于8 0 以后的含水率下降梯 度。说明随着含水率的升高到一定程度后，流速的影响减小了。 由以上实验结果结合大庆现场实际，油田进入高含水期，含水率达到8 0 后，油田 集输温度界限降为管道的粘壁温度2 5 ，其大大低于原以原油凝点作为集输温度界限的 3 4 。 2 4 原油集输的基础参数计算 1 井口管线介质流量的计算 g 。= g ，+ g 。 ( 2 1 ) 式中：g 。集油管线在井口处的介质总质量流量，k s ； g 。油井产液的质量流量，k 的； g 。井口掺水的质量流量，k s 。 2 密度的计算 p 。：笃学：丛害盟( 2 - 2 ) 几2 亏而_ 2 气一 p y = w 。p 。+ ( 1 一w 。) p 。 ( 2 - 3 ) 式中：p 。集油管线井口处介质密度，k m 3 ： p ，油井产出液的密度，k 咖3 ； w 旷油井产出液的含水率，； p w 水的密度，k m 3 ； p 。油的密度，k g m 3 。 对于原油密度，若知道2 0 时原油的密度，则原油在其它温度下的密度可由下面公 式获得： p p ) = p 2 0 一孝p 一2 0 ) ( 2 4 ) f = 1 8 2 5 0 0 1 3 1 5 p 2 0 ( 2 5 ) 西安石油大学硕士学位论文 式中：岛o _ 2 0 时油品的密度，k g m 3 ； 善- 、温度系数，k g ( m 3 ) ； 卜油温，。 3 含水率的计算 = 等等 仁6 ， 2 蠢i ；：_ q 。6 式中：w ，井口处集油管线介质的总含水率，。 4 流体比热容的计算 c m 一觜 p 7 ， c 。= w o c w + ( 1 一w o ) c o ( 2 8 ) 式中：c 广井口处集油管线介质比热，j ( k g ) ； c 厂油井产出液的比热，j ( k g ) ； w c 广一油井产出液的含水率； c w _ 一水的比热，j ( k g ) ； c ，油的比热，j ( k g ) 。 原油的比热可按下式计算： c o ：f 1 0 0 0 ( 1 6 8 7 + 3 3 9 1 0 - 3 t ) ( 2 - 9 ) 、p 1 5 式中：p 1 5 1 5 时原油相对密度； 卜油温，。 2 5 水力计算 管路是连接油气田各种设施的纽带，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。 2 5 1 单相流的水力计算 对于管网中的掺水管线，其为单相流，采用达西公式进行水力计算： 1 2 第二章高含水原油特征变化与计算 办：五旦三 2 9 d 式中： 管线阻力损失，m ； 五摩阻系数，它由雷诺数r e 和管壁相对粗糙度占决定： y 管道内液流流速，m s ； g 重力加速度，9 8 1m 2 s ； d 管道的内径，m ； 三管线长度，m 。 雷诺数r e ： r e ：旦 n d d 式中：u 管内介质的运动粘度，m 2 s ； q 管道内最大体积流量，m 3 s 。 相对粗糙度 2 e - 一 s = d 式中：r 管道内壁的绝对粗糙度，m 。 表2 - 4 不同流动状态下的摩阻系数值 ( 2 - l o ) ( 2 - 1 1 ) 流态雷诺数范围摩阻系数五的计算 6 4 层流i 沁2 0 0 0 允= r e 0 1 6 过渡区2 0 0 0 r e 3 0 0 0 五= 兰： 纠r e 水力光滑区 3 0 0 0 k 舅啦 a ：墅堑 , r e 紊流 混合摩擦区r e l r e 6 6 5 7 6 5 1 9 z ：r e ， 肛( 1 ( 1 一1 9 6 ) 。 g 2 5 2 两相混输的压降计算 油气水三相流流型与压降的研究一直是学术界的热点，由于三相混输管线内的流动 复杂，至今仍无较好的计算公式来求解所有类型的水力阻力压降。根据国内外的经验， 一些研究者认为，在油水混合均匀的情况下，只要能准确计算出油水混合物的粘度，有 1 3 西安石油大学硕士学位论文 些气液两相流混输的压降计算方法，例如贝格斯( b e g g s 卜布里尔( 8 r i n ) 公式和d u i k e r 公 式，可以用来预测三相流压降。本文采用较好的经验公式：贝格斯一布里尔公式，将油 气水三相混输看为气液两相混输，进行管道压力损失计算。 1 9 7 3 年b e g g s b r i l l 1 5 1 基于由均相流动能量守恒方程式所得出的压力梯度方程式，以 空气一水混合物在长度为1 5 米的倾斜透明管道中进行了大量实验，得出了持液率和阻力 系数的相关规律，推导了考虑管路起伏影响的两相管路压降计算公式，对倾斜及水平管 路均适用。 肿：祟一 3 ， 肌瓦再f 甄谚考l 乜 ( 2 - 1 3 ) 式中：尸混输管线压降，p a ； 管线长度，m ； 秒管线倾角，度或者弧度( 设定流体上坡为正，下坡为负，水平管0 = 0 ) ； 成液相的密度，k g m 3 ： p 。气相的密度，k g m 3 ： 圪气液混合流速，m s 气相折算流速，m s ； g m 管线内介质质量流量，k g s ； 九混合相摩阻系数； d 管线内径，m ； p 管线内介质的平均绝对压力，p a ； g 重力加速度，9 8 1 m 2 s ； 日，界面含液率即持液率，无因次，其值与流态有关，计算如下。 贝格斯一布里尔公式将流态分为四种类型，即分离流( 包括层流、波浪流和环状流) 、 过渡流、间歇流( 包括气团流和冲击流) 和分散流( 包括气泡流和弥散流) ，并用无滑脱持液 率( 体积含液率) r l 、弗劳德准数f r 只来划分流态范围，划分标准见表2 5 。 无滑脱持液率： 吼= 万q 酉l ( 2 - 1 4 ) 弗劳德准数： e = ( 2 - 1 5 ) 1 4 第二章高含水原油特征变化与计算 表2 5 两相流动流态范围划分标准 差别准则 流态 r l f t 0 0 1 l t 分离流 0 0 1 l e 过度流 0 0 1 l 2 f r l 3 0 0 1 r 三 0 4l 3 e 厶 间歇流 o 4 l 3 t l 4 l 4 式中：q 液相的体积流量，m 3 s ： q 气相的体积流量，m 3 s ； 相关参数： 厶= 3 1 6 r o 3 0 2 l 2 = 9 2 5 2 x 1 0 。4 r 三- 2 4 6 8 4 分离流、间歇流和分散流的水平管持液率h l 按下式计算，系数a 、b 、c 的值见 表2 6 ： 吼= 等 表2 - 6 系数a 、b 、c 的值 流态 abc 分离流 0 9 8 00 4 8 4 60 0 8 6 8 间歇流 0 8 4 50 5 3 5 1o 0 1 7 3 分散流 1 0 6 50 5 8 2 40 0 6 0 9 两相流水力摩阻系数九可按下列公式计算： ( 2 - 1 6 ) 冬：p 一( 2 - 1 7 )一= p ，- 厶 。 式中：九相同条件下两相均匀混合、相间无滑脱的水力摩阻系数。 西安石油大学硕士学位论文 2 0 = 2 1 9 ( 石夏面r 瓦e o 骊) ( 2 - 1 8 ) 一l n m 甩200523-31821inm+08725(1nm)2_001853(1nm)4(2-19) 舻高( 2 - 2 0 )【日工( d ) 2 瓯= 篙等筹 弘2 ， 2 6 热力计算 2 6 1 总传热系数的计算 对于集输管网的热力计算，管道的总传热系数k 是影响温降计算的关键因素，管道 总传热系数k 是指油流与周围介质温差为1 时，单位时问内通过管道单位传热表面所 传递的热量。它表示油流至周围介质散热的强弱，在计算管道温降时，k 值是最关键的 参数之一。 在稳定传输的情况下，即输油管道经过长期运行，已在管内外建立起稳定的温度场， 在同一时间内各部分所传递的热量相等，其热平衡关系为【1 6 】： r r c d ( t y t o ) 硝，碱( 弓喝) 2 孟耘( 毛 m ，) = a 2 ，r d 。( t b ( m ) - t o ) ( 2 2 2 ) 式中：巩管道的结构外径，即钢管的外防腐层或保温层所形成的外径，m ； d 计算直径，对于无保温层管道，取钢管外直径；对于保温管道，可取保温层 内外直径的平均值，m ； 皿，皿+ 。管道、沥青绝热层及保温层的内径和外径，m ； 五与上述各层相应的导热系数，矽( 聊o c ) ； 瓦油温，o c ； 乙埋深处的自然地温，o c ； 乙钢管内壁的温度，o c ； 瓦，瓦( ) 钢管、沥青绝热层及保温层内外壁温度，o c ； 油流至管内壁的放热系数，wi ( m 2 0 c ) ； 第二章高含水原油特征变化与计算 口2 管外壁至土壤的放热系数，w i ( m 2 0 c ) ； 工程上习惯采用总传热系数： 上：上+ y ! 堕坠21 型- i j 二( 2 - 2 3 ) k z c d 口l z c d l - 2 刀乃口2 加w 式中：d l ，d 2 ，d 3 瑚管的内外径以及保温层外径，研； 力，五钥管以及保温层的导热系数，形( m o c ) ； 其他符号意义同上。 对于油田集输管道来说，通常在紊流状态下运行，从而内部放热系数很大，因此 式( 错误! 未找到引用源。) 中的瓦茜项可以忽略n q 。于是公式( 错误! 未找到引用源。) 可近似按下式计算： 一1 = 瓦1i nkd 爰+ 去d p 2 4 ， - 2 以从口， 、7 对于外部放热系数口，的确定，土壤导热系数是关键。土壤的导热系数与组成土壤固 体物质的导热系数、土壤中固体物质颗粒大小的分布、土壤含水率、土壤状态等许多因 素有关。用理论计算很难得到准确值，因此计算时，我国根据运行中的稳定工况的运行 参数，代入温降公式中反算得到k 值。 2 6 2 热力计算 根据目前的管道输送混合介质的温降研究，对于集输管线做如下假设； ( 1 ) 假设传热是稳态传热； ( 2 ) 忽略管道内各相之间由于摩擦所产生的热； ( 3 ) 忽略管道径向温降，仅考虑轴向温降。 其计算公式如下： 盟= p 等 ( 2 2 5 ) t z t d 、7 式中：t q , ，z 管段的起点、终点温度，； f 。管道周围的环境温度，： d 管道的外径，m ； 三管道长度，朋； g 管道内输送介质