海底无保温油气混输管道压降计算.pdf

2 011矩 第 7期 第 4 O卷 第 3 5页 石油 矿 OI L FI ELD 场 机 械 EQUI P ME NT 2 0 1 1 ， 4 0 7 3 5 ～ 3 8 O o 文 章 编 号 1 0 0 1 3 4 8 2 2 0 1 1 0 7 0 0 3 5 0 4 海底无保温油气混输管道压降计算 杨树人 ， 孙勇 ， 孙启冀1 I 2 ， 王春生 ， 高德 士 1 ， 目 1 ． 东北石油大学 石油工程学 院， 黑龙江 大庆 1 6 3 3 1 8 ； 2 中国石油大庆油 田有 限责任公 司 储运销售分公 司， 黑龙江 大庆 1 6 3 4 5 3 摘要 将 海底 输 水 管道 临时改 为 油气混输 无保 温 管道 ， 由于 油 气水 物理 性 质 的 差别 ，应根 据 管 内 体气、 液 2相的粘度、 密度、 界面张力等重新建立压 降模型 。根 据胜 利 油 田 2 0 B、 2 0 A、 2 5 1 B、 C B5 0 2 平台海底管道的数据及 多相流管路压降理论 ， 采用对比分析 、数 学模拟等方法， 建立 了贝格斯一 布里 尔压降模型及海底无保 温油气混输管道压 降数 学模型 。分析 了包括介质起始温度、 气相液相流量、 管道 内径 、 倾 斜 角度 多种 因素对 海底 管道 压 降的影 响 ， 为海底 管道 的设 计提供 了参考依 据 。 关键 词 压 降； 海底 管线 ； 贝格 斯一 布里 尔压 降模 ； 混输 中图分类号 T E 9 7 3 ． 1 文献标识码 A Pr e s s u r e Dr o p Ca l c u l a t i o n o f S e a W a t e r Pi p e wi t h No n ． i ns u l a t e d Oi l a n d Ga s Tr a ns f e r r i n g YANG S h u r e n ， S UN Yo n g ， S UN Qi j i ～， WANG Ch u n s h e n g ，GAO De - j i e 1 Pe t r o l e u m En g i n e e r i g C o l l P g 8， N。 r t h g 以 s PP r 。 z m I n s t i t ￡ e ，D q i g 1 6 331 8， Chi n ； 2．S 。， 乜g T n 咒 p o r t a t i 。 鲫d S a l s S “ ∞mp a n y， P e t r o C h i n D n q i n g O i l f i 8 z C 。 ．，Lt d ．， D。 q g 1 6 3 4 5 3， Ch i n Abs t r a c t Thi s s ub m a r i n e pi p e l i n e wa s us e d t o t r a ns po r t wa t e r or i g i n a 1 1 y ，ho we v e r ， i t i s a n oi l ga s m x e d t r a n s p o r t a t i o n p i p e l i n e wi t h o u t h e a t p r e s e r v a t i o n n o w ．Be c a u s e o f d i f f e r e n c e s be t we e n pn Ys c a J pr op e r ne s o f oi l g a s an d wa t e r ， we s hou l d t a ke t he g a s a nd l i qu i d v i s c o s i t v ，d e ns i t v a nd mt e r i a c a l t e n s l o n a n d o t h e r f a c t o r s i n t o a c c o u n t t o e s t a b l i s h a n e w s u b ma r i n e p i p e 1 i n e D r e s s u r e d r o P mo d e l l n t h i s p a p e r ， a c c o r d i n g t o t h e f i e l d l o g o p r o v i d e d b y t h e 2 0 B p l a t f o r m ，2 0A p l a t f or m 。 2 51 B p l a t f or m ， CB5 0 2 pl a t f or m o f s ub m a r i ne p i pe l i ne， we a p pl y t he m e t ho ds o f c o m D a r a t i v e a na 1 v 一 a n d m a t he ma t i c a l s i mul a t i o n t o e s t a b l i s h Be gg s Br i l l s u bma r i ne pi p e l i n e pr e s s ur e d r oD m o d e 1 a n d t h e t e mp o r a r y o i l f r e e t h e r ma l i n s u l a t i o n o f t h e p r e s s u r e d r o p a n d ma t h e ma t i c a 1 mod e 1 ， we a 1 一 s o ma ke t he a n a l y s i s o f a v a r i e t y of f a c t o r s i m p a c t i ng o n t he p i pe l i ne p r e S S Ur e dr o p ，i n c l u di n g t he s t a r t mg t e m p e r a t u r e o f me d i a， ga s l i q ui d f l ow r a t e s， p i pe d i a m e t e r ， a ngl e of i n c l i n a t i o n， Pr o v i de a r e f e r e n c e b a s i s t o d e s i g n s u b ma r i n e p i p e l i n e ． Ke y w0 r d s p r e s s u r e d r o p； s u b ma r i n e p i p e l i n e ； Be g g s Br i l l p r e s s u r e d r o p mo d e l ； m i x e d t r a n s D or t a t j on 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 1 0 4 基金项 目 国家 自然科学基金项 目 2 1 0 7 6 0 4 3 作者简介 A 1 9 6 3 一 ， 男 ， 黑龙江绥 化人 ， 教 授 ， 博士 ， 从 事非 牛 顿流 体流 变学 和计 算流 体力 学 方面 的研 究 ，E m i l d q y a n g s r 1 6 3 ． c o rn。 石 油 矿 场 机 械 2 0 1 1年 7月 多 相流 的研 究无 论是 从试 验方 法还 是从 理论 研 究 上都 有 飞速 的发展 口 ] 。在设 备方 面 ， 引进 了核 子 密 度计 、 激 光多 普勒 雷达 风速计 等 新型试 验 装置 ， 微 机处理使得数据采集系统收集 的数据能得到更完全 的分析， 从而可获得大量高质量试验数据 。在理论 方面 ， 由核工 业部 首先 提 出的双 流体模 型建 立方 法 已被石油工业广泛采用 ， 该方法需写 出各相单 独 的质量 、 动 量和 能量 守恒 方程 ， 导 出 的方 程 式采用 数值模拟方法求解 。 双流体法 与经 验公式相 比具有更 高的计算精 度 ， 但也有计算复杂和计算结果不稳定的缺陷。本 文 以 中海油 2 0 A 至 2 5 1 B输 水 管道 临 时改 为油 气 混 输管道压降计算为例 ， 采用贝格斯一 布里尔方法建立 多相流管道 的压降模型 ， 分析起始温度 、 气相液相流 量 、 管道 内径 和倾斜 角度 对混 输管 道压 降计算 的 影 响 。 l 多相流基本理论 在气 、 液 2相 混输管 道 中 ， 需 要 了解管 线各 处 的 压力 、 温 度 、 气 相 流 速 、 液 相 流速 、 持 液 率 等 工 艺 参 数。气、 液 2 相流动的基本方程是对气、 液两相分析 的基础 ， 但 由于该方程非常复杂 ， 在实际应用 中很少 采用 ， 而是通过引入新 的简化假设 。本文采用均相 流模型_ 8 进行分析 。假设各相流体具有相同的流动 速度 ， 此时气液混合物可看作气 、 液相之间无滑脱的 均匀混合物 。均相流的假设条件为气 、 液相速度相 等 ； 气、 液 2相介质已经达到热力学平衡状态 ； 气 、 液 相之间无相互作用 ] 。 2建立压降模型 2 ． 1 管输 条件 下 液相密 度 计 算 管道 中液 相 的密 度口 ， 应 同 时考 虑 油 和水 的密度 ， 通常给出的是 2 0。 C的原油密度 ， 所以首先 应计算出各个温度下原油的密度 为 P 。 ／9 2 o T一 2 0 1 其 中 一 1 ．8 2 5 1 0一 。 1 ．3 1 5 1 0 。p 2 0 式 中 ， T为开 氏温 度 ， K 。 为 2 0℃下对 应 的 原油 密 度 ， k g ／ m。 ； J0 。为 某 一 温 度 下 对 应 的 原 油 密 度 ， k g ／ m。 ； 为温度系数。 2 ． 2管输条件下气相密度 管输条件下天然气的密度计算公式_ 1 为 1 0 。 2 P g 一 u 式 中， Mg 为天然气 的分子量 ， 取 8 5 ； R 为通用气 体 常数 ， 取 8 3 1 4 ． 3 J ／ k gK ； P 为 管 道 平 均 压 力 ， MP a 。 2 ． 3 管 输条 件下气 相 粘度 管输条件下 的天然气粘度根 据李 氏公 式D z - l a ] 计算 ， 即 C e x p [ ] 4 2 ． 5 7 0 ． 2 7 8 1 △ 5 Y 2 1 ． 1 1 0 ． 0 4 x 2 6 c一 1 22 4 3 7 7 1 8T 7 。 ． ． 5 8 △ ． ⋯ 式中， T 为 天 然 气 温 度 ， K； 为 天 然 气 密 度 ， k g ／ m。 ； A 为标 准 状 态下 天 然气 的相 对 密度 ， 取 3 ． 1 5 ； ff 为管输条件下天然气的粘度， mP as 。 2 ． 4 管 输条件 下 液相粘 度 以 3 0℃为分界， 当温度高于 3 0℃时 ， 粘度与温 度 的关 系 为 一 一 e 1 3 8 9 4 6 2 7 X e x p [ 一 ] 3 X e x p6 3 8 9 3 卜 ] ㈣ j 一 卉 J 8 当温度低于 3 0。 C时， 粘度与温度 的关系为 一 2 1 1 0 7 5 6 2 X e x p [ 一 ] 2 7 2 e 。 e x p [ 一 ] 9 1 p l v L X 1 0 一 。 1 0 式中， u 为管输条 件下液相 的运动 粘度， mm。 ／ s ； - 为管 输条 件下 液相 的动 力粘 度 ， mP a s 。 2 ． 5 海 底管 道压 降模 型 结合对实际问题的分析 ， 确定运用贝格斯一 布里 尔方法建立多相流管道 的压降模型 ， 即将 油、 气、 水 3相流中的油和水看作 1相 ， 压降梯度计算式 为 d E H lD 。 1 一H P g ] g s i n dl 一[ 二旦 ] P 1 1 3 计算实例及分析 以 胜利 油 田 2 0 A 至 2 5 1 B平 台 海 底 注 水 管 线 第 4 O 卷第 7 期 杨树人 ， 等 海底 无保 温油气混输 管道压降计 算 和 2 0 A、 2 0 B 、 C B 5 0 2平 台海 底 管道 为 例 进 行 分 析 ， 2 0 A 至 2 5 1 B平 台海 底 注水 管线 参 数 如 表 1 ， 2 0 A、 2 0 B、 C B 5 0 2平 台 混 合 原 油 粘 度 与 温 度 的 关 系 如 表 2。 表 1 2 0 A至 2 5 1 B平 台海底注水 管线参数 表 2 2 0 A、 2 0 B 、 C B 5 0 2平台混合原油粘度与温度的关系 温度／ 粘度／ 温度／ 粘度／ 温度／ 粘度／ ℃ ram2 s 一 。C mn 1 2 s ℃ ram2 s 一 16 ． 0 3 0 2 35 ． 04 3 7 ．1 2 O2 O ．O O 5 O． O 76 O ．O 3 2 0． O 2 1 826 ． 44 39 ．1 1 5 81． 5 O 51 ． 4 6 72 ．O O 2 5． 0 1 0 9 65 ． 60 41 ．0 1 3 33 ．8 O 5 2． 9 6 3 4．9 O 27． 4 7 08 0 ．O O 4 2． O 1 2 65 ．2 O 5 4． 3 5 9 5． 6O 28 ．4 5 44 3 ．2 0 4 3． O 1 1 56 ． OO 5 5． 9 5 7 8．1 O 3O ．O 3 8 89 ．2 7 4 5． O 1 OO1 ． O 6O ．O 47 9． 9 4 31 ．0 3 3 69 ．9 0 4 6． O 9 5O ． 5O 6 2 ．7 40 7． 7 O 32 ．3 3 0 03 ．4 0 4 7． O 88l _ 9O 66 ．4 33 3 ．4 0 33 ． 0 2 7 80 ．6 O 4 8． 0 845 ． 60 68 ．2 31 3 ．7 O 3 4．1 2 6 0 4．7 0 49． O 78 7． OO 7O ． O 2 98 ．5 2 3 ． 1 管径对 压 降的影 响 管径的变化会引起很多参数 ， 例如流体的雷诺 数、 弗鲁德数和液体速度计算结果 的变化 ， 也会影响 流体 的流动型态和管道压降。在管道结构参数与管 道基本运行参数相 同的情况下， 仅改变管道 内径 ， 分 别 为 D O ． 1 O 、 D 0 ． 1 4 、 0 ． 3 4 r r l 时 ， 对管 道 压 降 的影 响 如 图 1 。图 1 表 明 ， 随着管 道 内径 的增 大 ， 流速 水 头 的能量减小 ， 导致管道压力下降变缓 ， 压力减小 。 1 日 1 1 幽 0 0 管道内径 O ． 1 0 m 二 。卜 - - ’ ． ． I I I I i 4 1 0 I 。 管道内径变化是影响压降最显著和最直接的因 素 ， 为了提高油井的输液量 ， 可增加管内径来提高排 量 ， 以降低输油成本 。 3 ． 2 流体 温 度对压 降 的影 响 在管道结构参数与管道基本运行参数均相同的 情况下， 仅改变管道内流体的温度分别为 3 6 、 5 6 、 8 6 ℃时 ， 对管道压降的影响如 图 2 。图 2表明， 随着管 道 内流体温度的升高， 流体粘度 随着温度的升高而 减小， 从而管流与管道 内壁的摩擦阻力减小 ， 管道 的 压 力减 少 。 1 _ 1 1 ． O 日 塞o 。9 奋o - s O ． 7 0 ． 6 0 40 0 8 0 0 1 2 0 0 1 6 00 20 0 0 24 0 0 2 8 00 距管道起点长度／ m 图 2 管道 铺设 角度对管道压降的影响 流体起输温度对海底混输管道压降计算有显著 的影响 ， 但在海底混输管道设计中， 将起输温度定得 过高不仅会增加平 台的热能消耗 ， 而且会给海底管 道结构设计带来困难 ， 因此在油海底混输管道工程 设计 中， 应根据油品物性将起输温度控制在适当的 范 围内 。 3 ． 3 铺设 倾斜 角对 压 降的影 响 管道的铺设倾斜角对管道压降的影响很大 。图 3 为管道结构参数与管道基本运行参数均相同的情 况下， 仅改变管道的铺设倾斜角 ， 分别为 0 。 、 8 。 、 1 8 。 、 2 7 。 时， 对管道压降的影响如图 3 。图 3表明， 在倾斜 管道多相流压力分 布计算 中， 倾斜角的增加相 当于 增加 了流体举升高度 ， 进而也增加 了压力损耗 ； 相同 3 8 石 油 矿场 机械 2 0 1 1年 7月 条件下 ， 水平管道的压力值最小 ， 随着管道铺设倾斜 角 的增 大 ， 管道 的压 力增 大 。 3 ． 4气 体 流量对 压 降的 影响 在同一起输压力且输油量保持不变的情况下 ， 不同的气体流量对混输管道压降计算的影响是不同 的。在管道结构参数与管道基本运行参数均相同的 情况下 ， 输油量不变 为 2 0 0 t ／ d ， 改变天然气的输送 量， 分别为 5 O O O 、 6 0 0 0 、 7 0 0 0 ／ d ， 即管道内流体的 气液 比分别为 2 5 、 3 O 、 3 5 m3 ／ t 时， 对管道压降的影响 如图 4 。图4表明， 随着管道内流体气液比的增大， 管 道的压力增大。计算结果也表明， 在其他参数不变 的 情况下 ， 压降随含气量增大的变化比较缓慢 。 1 0 8 日 兰 6 杂 4 2 O O ． 95 0 ． 9 O O ． 8 5 ． 8 0 0．75 0 ． 7 0 0．65 ◆一 管道水平铺设 0 4 0 0 8 0 0 1 2 0 0 l 6 0 0 2 0 0 0 24 0 0 2 8 0 0 距管道起点长度， m 图 3 管道起点温度对管道压降的影响 ◆一 气液比2 0 m’ ／ t 0 4 00 8 0 0 1 2 0 0 l 6 0 0 20 0 0 24 0 0 2 8 0 0 距管道起点长度／ m 图 4 管道 内流体气液 比对管道压 降的影响 4 结论 1 压降计算模 型对多相 流混输管道压 降预 测结果 的影响很 大 ， 进行混输管道设计 时 ， 应 根据 工程实 际情 况 选择 合 适 的压 降计 算 模 型 和设 计 参 数 。 2 起输温度对海底混输管道压降计算有显著 影响。在设计高粘度原油混输管道时， 应根据油品 物性将起输温度控制在适当的范 围内； 在设计低粘 度原油混输管道时， 在满足管道终端温度要求的条 件下应尽可能降低起输温度 。 3 在管道结构参数与管道基本运行参数均相 同的情况下 ， 压降随含气量增大的变化比较缓慢 。 参考文献 [ 1 ] 代锋 ， 孙凯 ， 厉爽 ， 等． 欠平衡钻井井筒多相 流技 术研究[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 1 5 - 8 ． E 2 ] 何红艳 ， 童新华 ， 董守平 ． 最小 二乘加权 法在 多相 流计 量 中的应用[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 6 6 4 6 8 ． [ 3 ] 马希金， 邵 莲． 多相流量计量技术综述[ J ] ． 石油矿场 机械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 5 5 9 6 2 ． E 4 ] 梁法 春， 陈婧 ， 王栋 ， 等． 分流分相式多相 流量计研 究进 展[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 4 1 3 1 6 ． [ 5 ] 张宇 ， 吴海浩 ， 宫敬． 海底 混输 管道蜡 沉积研 究与 发展[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 8 ， 3 8 9 1 - 8 ． [ 6 ] 李汉勇 ， 宫敬 ， 于达 ， 等． 石油管线蜡沉积试验研 究 进展[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 6 5 - 1 1 ． [ 7 ] 宫敬． 混 相输送 技术 与应用 [ J ] ． 油气 储运 ， 2 0 0 3 ， 2 2 9 3 5 3 8 ． [ 8 ] 宋承毅． 石 油工业多 相混输技 术研究 进展 [ J ] ． 油气 储 运 ， 2 0 0 3 ， 2 2 9 2 6 2 9 ． [ 9 ] 龚 宁． 海 上气液混 输管 道的段 塞流 问题[ J ] ． 国外油 气储运 ， 1 9 9 3 1 1 2 0 2 9 ． [ 1 O ] 曹学文 ， 冯叔初 ． 多 相混输技 术研究 现状及 发展 趋势 _ J ] ． 中国海上油气 ， 1 9 9 5 ， 7 3 6 1 6 6 ． [ 1 1 ] 姜 淑 卿． 管 线 中的 气液 两 相 流 [ J ] ． 国外 油 田工 程 ， 1 9 9 5 1 2 4 2 - 5 6 ． [ 1 2 ] 刘武 ， 陈才林 ， 吴小红 ， 等． 多相 管流流 体温 度分 布 计算公式 的推 导与应 用[ J ] ． 西南 石 油学 报． 2 0 0 3 ， 1 2 6 9 3 - 9 5 ． [ 1 3 ] 陈家 琅． 气液两 相管 流E M] ． 北 京 石油 工业 出版社 ， 1 9 89 8 - 1 06． [ 1 4 ] 王鹏 ， 王丰会 ． 内压 和侧压 作用下 管道 的屈 曲分析 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 8 1 8 2 1 ． [ 1 5 ] 伍开松 ， 李 明 ， 余 长柏 ， 等． 受 局部 内压 管道外 表面 周向应力函数模拟[ J ] ． 石油矿场机械， 2 0 0 8 ， 3 7 1 2 4 2 4 4． [ 1 6 ] 艾志 久 ， 邓 宝 ， 赵欣 ， 等． 基 于 V B平台 的海底 管 线设计 技术 程序 开 发 [ J ] ． 石 油 矿 场机 械 ， 2 0 0 7 ， 3 6 3 1 - 4．