油气水三相节流阀的流通能力研究.pdf

第 4 5卷第 4期 2 0 1 6年 4月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V O ] ． 4 5 ． N O ． 4 A p i r l ，2 0 1 6 油气水三相节流阀的流通能力研究 王 怡 中海油 中国 有限公司 深圳分公司深水工程建设中心 ， 广东 深圳 6 5 0 2 2 8 摘 要 油、气、水三相混合物的流动规律较单相或气液两相流动更为复杂，然而 目前主要采取单相流 方法来计算三相节流阀的流通能力。为了更精确地对油气水三相节流阀流通能力进行计算，以油气水三相介质 流过节流阀时的能量守恒方程为基础，考虑节流时的临界流动和亚临界流动两种状态，建立了油气水三相节流 阀流通能力计算模型； 采用二分法对模型进行了求解 ， 并编制了相应的计算软件。以此为基础，结合番禺3 5 1 气田的实际油气生产数据 ，分析对不同开度 ，不同节流前压力和不同节流后压力下流经阀门的总质量流量，验 证了方法的准确性。 关键词 三相节 流阀；流通能力 ；流量 ；计算 中图分类号 T Q 0 5 2 文献标 识码 A 文章编 号 1 6 7 1 ～ 0 4 6 0 2 0 1 6 0 4 0 8 1 3 0 3 Re s e a r c h o n F l o w Ca p a c i t y o f t h e Oi l ． Ga s ． W a t e r Th r e e ． Ph a s e Th r o t t l e V_a l v e ⅣG C N OOC C h i n a S h e n z h e n B r a n c h De e p wa t e r E n g i n e e r i n g C o n s t r u c t i o n C e n t e r ， G u a n g d o n g S h e n z h e n 6 5 0 2 2 8 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e fl o w r u l e o f o i l -g a s wa t e r t h r e e p h a s e flo w i s mo r e c o mp l e x t h an s i n g l e --p h a s e fl o w a n d t wo - p h a s e fl o w． Ho we v e n o w c a l c u l a t i o n me t h o d o f t h r e e --p h a s e flo w i s t h e s a me a s t h e c a l c u l a t i o n me t h o d o f s i n g l e -- p h a s e fl o w． I n o r d e r t o c a l c u l a t e t h e f l o w c a p a c i t y o f t h r e e - p h a s e fl o w t h r o u g h t h r o t t l e v a l v e mo r e a c c u r a t e l y , t h e c a l c u l a t i o n me t h o d o f thr e e p h a s e flo w wa s e s t a b l i s h e d b a s e d o n flu i d me c h ani c s a n d t h e r mo d y n a mi c s ． Di c h o t o my wa s u s e d t o s o l v e t h e mo d e l a n d t h e c a l c u l a t i o n s o ftwa r e wa s d e v e l o p e d ． Us i n g t h i s me t h o d ， a l o t o f c a l c u l a t i o n s we r e c o n d u c t e d f o r t h e p r o d u c t i o n d a t a o f P Y3 5 - 1 g a s fi e l d ． Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e r e i s a p r o x i m a t e l i n e a r p o s i t i v e c o r r e l a t i o n b e t we e n t h e o p e n i n g o f t h e v a l u e a n d t h e fl o w c a p a c i t y ．W i t h t h e i n c r e a s e o f t h e p r e s s u r e b e f o r e t h r o t t l i n g ，t h e fl o w c a p a c i t y i n c r e a s e s ， wh i l e d e c r e a s e s wi th i n c r e a s i n g o f t h e p r e s s u r e a f t e r t h r o t t l i n g ． K e y wo r d s T h r e e - p h a s e t h r o l e v a l v e ； F l o w c a p a c i t y ； F l o w； Ca l c u l a t i o n 为 了缓解 目前 日趋紧张的油气资源供应情况 ， 降低油气资源的对外依存度，我国的海洋油气开发 已逐渐向水深为 3 0 0 ～ 1 5 0 0 m的区域发展⋯ 。例如， 荔湾 3 1 、番禺 3 5 一 l 、番禺 3 5 2均是我国南海重 要的深水天然气田。深水气田产出的介质一般都是 由凝析油 、天然气和水组成 的三相混合物 。为了 对生产井的产量进行灵活的调整和控制，往往需要 在井 口安装油气水三相节流阀 】 。因此 ，在一定的 地层压力和温度下 ，油气水三相的产量是与节流阀 的紧密相关的。如何准确预测不同开度下的油气水 产量是气 田生产过程 中必须要解决的问题 。 对于流经 阀门的单相流动 ，可基于流体在流经 阀f q m - t 的连续性方程 、动量方程 、能量方程以及阀 门特性曲线方程进行计算， 并获得较为准确的结果。 但是 ，对于油 、气 、水三相混合物而言 ，油气水三 相之间的速度差异 相间滑脱 就会影响到混合物 在阀门处的流通量 ，从而使得流过 阀门的介质总量 与单相流之间存在较大的差异。因此 ，不能采用单 相流方法来计算油气水三相节流阀的流通能力。 为了准确掌握油气水三相节流阀的开度与阀门 过流量之间的关系 ，本文根据已有的研究成果 ，基 于流体力学和热力学原理，建立了油气水三相节流 阀流动能力计算模型，研究了求解方法。在此基础 上编制了相应的计算软件并对影响因素进行了分 析 ，并结合 P Y 3 5 1气 田的现场油气生产数据进对 模型参数的影响进行 了分析。 l 油气水三相节流阀流通能力模型 图 1 节流阀简化图 F i g ． 1 S i mp l i fie d d i a g r a m o f t h r e e - P h a s e t h r o t t l e V a l v e 收稿 日期 2 0 1 6 - 0 3 - l 6 作者简介 王怡，女，重庆市人 ，工程师，2 0 0 4年毕业于西南石油大学油气储运工程专业。现主要从事海底管道工程建设、维修检测及项 目管理 工作。E - m a i l w a n g y 1 7 c n 0 0 c ． c o m ．c n 。 化 工 2 0 1 6 年 4月 图 i 为此建立油气水三相节流阀流通能力数学 模型所用节流阀如图 i 所示。图中编号 I 为节流阀 上游管段 ，2为节流阀喉部 ，3为节流阀喉部 出口， 4为节流阀下游管段。 当含有天然气的介质流经阀门处时，其最大流 速不能超过当地声速 ，即临界流速。所以，阀门下 游的压力高于临界压力时的流动称为亚临界流动 ； 下游压力小于或等于临界压力时的流动成为临界流 动 。为了精确地预测油气水三相介质流经阀门的 量，首先就需要判断计算阀门下游的临界压力。 P e r k i n s等 基于三相流动流经阀门时的能量 平衡方程推导了临界压力计算公式， 如式 1 所示。 {2 2 [ 1 一 ／ ] 2 a 1 ～ } {『1_ ] f，垒 ] 五 1 4 ／，z i p - i ” 1 I ] ] l c 。 厂 g c c u ／ z R 2 f 五 立] 3 V l PO P ，z 【 c L c c ／ 【 c 十 厂 0 c 厂 w c 4 式中 P为三相流中各组分密度， k m 3 ； P为流 体压力 ，P a ； 为流体比容，m 3 ／k g ； f为三相流中 各组分的质量百分率；k为气体比热比；P为临界 压力比， P l ／P 2 ；A为流通面积，m ；W为流体等熵 流动过程流量， k g ／ s ； C v 为流体比热容， J ／ k g K ；Z 为 气 体 的压 缩 因 子 ； R为 摩 尔 气 体 常 数 ，取 8 ．3 1 4 J ／ m o 1 ． K ；M 为气体摩尔质量 ，g ／m o 1 ； 下标D 代表油相； 下标g 代表气相； 下标W代表水相参数； 下标 1 代表节流阀上游管段；下标 2 代表节流阀喉 部 。 当已知油气水三相的比例、密度 、比热容、天 然气组分 ，以及上游管段 、节流阀喉部 、节流阀下 游 的流通面积 以后 ，可采用二分法求解式 1 中唯 一 的变量I临 界压力比 。进而根据 的定义计算出 上游压力一定 的情况下 ，下游 的l 临界 P 2 。 若 P 2 小于 节流 阀喉部出口 3处的压力 ， 则流动为亚临界流动 ， 取 辟 ；反之则为临界流动 ，取 1 。 P e r r y 等提出， 在已知节流阀上游管段和下游管 段压力 ，以及阀门喉部流通面积的情况下 ，可采用 式 5计算 3处的压力。 一 ㈩ 式 中，d 为直径。 根据 P e r k i n s等人的方法 ，在获得l临界压力比 以后， 可采用式 6 计算得到一定开度下阀门的流 通能力。 W 2 P 1／ v 一 V l 1 一 - 一 ] L 4 -咖 6 2 模型求解 根据模型的特点 ，求解油气水三相节流 阀流通 能力数学模型的流程如图 2所示。 油气水产景Q v 、热容C V ，糍度 ，气体摩尔质 攘 ，艇缩 因子z ，阀 上游压力P ． ， F 游艇 力P 汁算 、 、 ，气体定压比热容印、热容比 采 二 分法求解式 1 ，得 到临界压 力比 JD f ， 【 临界比P 根据式 5 计算 P 根据P 、P ，棚对大小，判 别临 界流动流态 根据式 6 计 算一定开 度下流经 阀门的质量 流 量 输 出计算 结果 图 2 模型求解 流程图 ， Fi g． 2 Fl o w c ha r t o f t he mod e l s o l ut i on 3 实例分析 根据以上模型和求解流程， 采用 V i s u a l C 2 0 1 0 语言编制了油气水三相节流阀流通能力计算程序 。 以该程序为基础 ，结合我 国南海番 禺 3 5 1气田的 实际生产数据 ，进行实例计算 ，并对模型参数的影 响因素进行了分析。 表 1 番禺 3 5 1气田生产数据 T a b l e 1 Pr o d u c t i o n d a t a 参数 数 值 油嘴前压力／ MP a 油嘴前温度／ ℃ 油嘴后压力／ MP a 油嘴后温度／ ℃ 气单井产量， f m s 凝析油单井产量／ m 3 ． s 水单井产量， m 3 ． s 气井 的生产数据如表 1 所示 ，天然气的组成如 呱㈨ 翩舰 L 1 0 1 第 4 5 卷第 4 期 王 怡油气水三相节流阀的流通能力研究 8 1 5 表 2 所示。 其中凝析油的密取 8 0 0 k g ／ m 水的密度为 9 9 6 kg ／ m3 ，天然气的密度采用 P R状态方程进行计 算。阀门上游油管径均为 1 ． 9 9 5英寸 ，阀门全开时 的流通直径为 0 ． 6 8 7 英寸 。 表 2 番禺 3 5 1气田天然气组分 T a b l e 2 Co mp o s i tio n o f n a t u r a l g a s 组分 摩尔分数， ％ 组分 摩尔分数，％ C1 8 2 ． 8 4 3 C5 0 ． 1 6 6 C 2 4 ．0 7 9 C6 0． 1 3 2 C 3 1 ．26 9 C 0 1 O ．9 0 7 C 4 0 ． 5 1 9 N2 0 ．0 8 5 3 ． 1 阀门开度对流通能力的影响 假设 阀门开度一 流通面积关系为线性关系 ，采 用以上方法计算得到的到阀门开度与流经阀门的油 气水三相的总质量流量之间的关系如图3 所示。 二 、 】 ● 一 删 媛 ⋯ 图 3 流量 与阀门开度之间的关 系 F i g ． 3 M a s s flo w- r a t e v e r s u s v a l v e o p e n i n g 由图可知，阀门开度与阀门流量之间近似成线 性关系 ，随阀门开度 的增加 ，阀门的流量增大 ，即 流通能力增强。 ’ 3 _ 2 节流前压力对流通能力的影响 二 、 { ∽ ● 一 面 蜊 避 靶 阀门开度 ，％ 图 4 流 量与节流前压力之间的关 系 Fi g ． 4 M a s s fl o w- r a t e v e r s u s p r e s s u r e b e f o r e t h r o t t l e 根据实际生产数据 ， 改变节流阀节流前 的压力 ， 其它参数保持不变，得到三组阀门流量与节流前的 压力之间的关系曲线如图 4 所示。由图可知，随节 流阀节流前压力 的增加 ，节流 阀的流量增大 ，流通 能力增强。 3 ． 3 节流后压力对流通能力的影响 根据实 际生 产数据 ，改变节流 阀节流前 的压 力，其它参数保持不变，得到三组阀门流量与节流 前的压力之间的关系曲线如图 5所示。由图可知 ， 随节流后压力的增加，节流阀的流量减小，节流阀 的流通能力减弱。 阀 门 开 度 ，％ 图 5 流量与节流后压力之间的关 系 Fi g． 5 M a s s flo w- r a t e v e r s u s pr e s s ur e af t e r t hr o ttl e 以上计算结果均是以阀门开度与流通面积为线 性关系的假设为基础而得到的。对于快开阀、等百 分比阀，虽然其流通特性与上述结果存在一定的差 异，但是也可采用本文所述的方法进行计算。 4 结 论 1 以油气水三相介质流过节流阀时的能量守 恒方程为基础 ，考虑节流时的临界流动和亚临界流 动两种状态 ，建立 了油气水三相节流阀流通能力计 算模型。采用二分法对模型进行了求解 ，并编制 了 相应的计算软件。 2 番禺3 5 1 气田的实际生产数据为基础， 分析对不同开度 ，不同节流前压力和不 同节流后压 力下流经阀门的总质量流量 ，证明了本文所提出方 法的可行 。 3 本文的研究成果为合理油气水三相节流阀 的选型、 运行、 管理提供了可靠的理论和技术支撑。 参考文献 [ 1 ]吕东，梁成浩． 海洋油气平台风险评估系统的研究进展[ J 】 _当代化 工 ， 2 0 06 ， 3 5 5 31 8 - 3 2 1 ． [ 2 ] 徐孝轩， 宫敬． 海底油气管道多相流动中的若干技术 油气储运， 2 0 0 7 ， 2 6 1 2 1 - 7 ． [ 3 ] 刘勇峰， 刘俊， 李瑜，等． 气井井下节流器冲刷腐蚀数值计算忉．当 代化工， 2 0 1 3 ， 4 2 4 5 1 0 5 1 2 ． [ 4] 叶长青， 刘建仪，吴革生，等． 气井井下双节流油嘴设计方法[ J ] ． 天 然气工业， 2 0 0 7 ， 2 7 1 0 7 3 7 4 ． [ 5 ]蒋代君，陈次 昌， 钟孚勋，等． 天然气井下节流临界状态的判别方 法[ J ] ． 天然气工业， 2 0 0 6 ， 2 6 9 1 1 5 1 1 7 ． [ 6 ]P e r k i n s T K ． C ri t i c a l a n d s u b c ri t ic al fl o w o f mu h ip h a s e mi x t u r e s t h r o u g h c h o k e s [ J ] ． S P E D ri l l i n g ＆C o mp l e t i o n ， 1 9 9 3 ， 8 0 4 2 7 1 2 7 6 ． [ 7]K h o r z o u g h i M B ， B e i r a n v a n d M S ， R a s a e i M R ． I n v e s t i g a t i o n o f a n e w mu h i p h a s e fl o w c h o k e c o r r e l a t i o n b y l i n e a r a n d n o n l i r i e a r o p t i mi z a t i o n m e t h o d s a n d M o n t e C a r l o s a mp l in g [J ] ． J o u r n a l o f P e t r o l e u m E x p lo r a t i o n a n d Pr o d u c t io n T e c h n o l o g y ， 2 01 3 ， 3f4 2 7 9 2 8 5 ．