陵76區(qū)塊單井集油管線壓降模型研究

劉 影

（中國(guó)石化江漢油田分公司江漢采油廠，湖北 潛江433123）

1 概 述

陵76區(qū)塊現(xiàn)有生產(chǎn)油井9口，平均日產(chǎn)液225t，平均日產(chǎn)油15t，綜合含水93.3%。為了改善中高含水區(qū)塊的經(jīng)濟(jì)開發(fā)效果，亟需在油氣集輸系統(tǒng)中開展管網(wǎng)布局優(yōu)化調(diào)整工作。抽油井單井回壓的合理控制是集輸系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整的前提和基礎(chǔ)，所以，有必要開展單井集油管線壓降模型的研究工作，為管網(wǎng)布局優(yōu)化和集輸模式的調(diào)整提供科學(xué)的依據(jù)和方向。

2 單井集油管線流態(tài)的識(shí)別

為了研究高含水期油氣水在管內(nèi)的流動(dòng)特性，設(shè)計(jì)出適合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的試驗(yàn)裝置流程，并在陵76區(qū)塊的集輸現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了安裝調(diào)試（圖1）。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置工藝流程圖

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所用介質(zhì)均為實(shí)際油氣水，所用管道為現(xiàn)有埋地井口到計(jì)量站間的集油管道，所用設(shè)備，除流態(tài)測(cè)試外，一般都是計(jì)量站現(xiàn)有設(shè)施。在油水混合物從集油管線到計(jì)量站，再?gòu)挠?jì)量站進(jìn)入試驗(yàn)裝置的過(guò)程中，分別測(cè)試出產(chǎn)液量、壓力、溫度和流態(tài)，并拍攝典型的流態(tài)圖。具體工作流程為：①正常運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)出液經(jīng)三通1流入?yún)R管，此時(shí)閥門5和三通2關(guān)閉，防止油水混合物進(jìn)入計(jì)量裝置及流態(tài)試驗(yàn)裝置；②測(cè)量液量時(shí)，打開三通1，產(chǎn)出液至分離器進(jìn)行油氣分離，測(cè)量液體流量；③測(cè)試集油管道內(nèi)油水流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，將三通1、2和3打開，閥門5關(guān)閉，油水混合物進(jìn)入流態(tài)測(cè)試裝置，進(jìn)入透明管道，然后從閥門3流入?yún)R管。

該套裝置可以通過(guò)流程切換，觀察到計(jì)量站所轄任何一口井的實(shí)際流動(dòng)狀態(tài)。利用攝像機(jī)可以拍攝到不同單井集油管線的流態(tài)圖，例如，陵76－6－1井O（O／W）＆W分層混合流流態(tài)（圖2），陵76－7－2井O／W分散流流態(tài)（圖3）。

圖2 陵76－6－1井O（O／W）＆W分層混合流流態(tài)

圖3 陵76－7－2井O／W分散流流態(tài)

在陵76井區(qū)，類似陵76－6－1流態(tài)的有陵76－6－4、陵76－6－5、陵76、陵76－5－8、陵76－7－2、陵76－斜－2，類似陵76－7－2流態(tài)的有陵76－6－2。

觀察可知，陵76井區(qū)所轄9口井集輸管線油流的流態(tài)多為分層混合流，當(dāng)油井產(chǎn)液量足夠大，含水率在95%以上時(shí)會(huì)出現(xiàn)分散流。雖然是在陵76區(qū)塊針對(duì)高含水單井集油管線開展的研究，但對(duì)性質(zhì)相似的輸送介質(zhì)，或具有相近的流動(dòng)參數(shù)的集油管道，該結(jié)論也具有較好的適應(yīng)性。

3 單井集油管線流態(tài)的判斷

根據(jù)流態(tài)轉(zhuǎn)化理論，流態(tài)發(fā)展一般由低速下的油水分層流開始，當(dāng)兩相的折算流速繼續(xù)增加時(shí)，在較低含水率下流態(tài)轉(zhuǎn)化為W／O＆W混合流態(tài)，在較高含水率下轉(zhuǎn)化為O＆O／W＆W流態(tài)。繼續(xù)增加混合物流速，會(huì)形成O／W＆W混合流態(tài)，最后還可能發(fā)展到O／W分散流態(tài)。

利用油相和水相的折算速度以及單井的含水率判別高含水單井集油管線的流態(tài)，可以得到如下結(jié)論：①當(dāng)油水混合物的速度Um＜0.15m／s（對(duì)應(yīng)單井產(chǎn)液量約為25t／d），體積含水率在40%～98%時(shí)，多形成O（O／W）＆W分層混合流流態(tài)；②若混合物流速增大，即當(dāng)單井產(chǎn)液量繼續(xù)增大，含水超過(guò)98%時(shí)，易形成O／W分散流態(tài)。

4 單井集油管線壓降模型研究

4.1 單井集油管線壓降模型的建立

4.1.1 分層混合流壓降模型

根據(jù)高含水時(shí)的油水兩相流動(dòng)對(duì)管路壓降的影響程度比低含水時(shí)要小的特點(diǎn)，建立無(wú)相間滑差的分層流模型。將油、水兩相分層流動(dòng)假設(shè)為一維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，水平管內(nèi)流體所受合力為零，油水兩相的壓力梯度可視為油水混合的壓力梯度。由單位壓降計(jì)算方程：

式1中：

τo－油相與壁面剪切應(yīng)力，Pa；

So－油壁接觸長(zhǎng)度，m；

τw－水相與壁面剪切應(yīng)力，Pa；

Sw－水壁接觸長(zhǎng)度，m；

A－管道截面積，m2；

Dp／dx－單位長(zhǎng)度壓降，Pa／m。

油水各相與壁面間的剪切應(yīng)力關(guān)系式為：

式2中：

fo／w－范寧摩阻因數(shù)；

ρo／w－油相和水相密度，kg／m3；

Uo／w－油相和水相的速度，m／s；

τo／w－油水各相與壁面間的剪切應(yīng)力，Pa。

根據(jù)式1、2，可求得截面形狀參數(shù)，即可得到分層流的壓力梯度，進(jìn)而求得管路壓降。

4.1.2 分散流壓降模型

根據(jù)高含水期油水兩相流可視為單相牛頓流體或非牛頓流體來(lái)求取壓降值的理論，建立均質(zhì)模型，其水平管內(nèi)沿管路的壓降為：

式3中：f－范寧摩阻因數(shù)，f＝cRen（層流n＝1，c＝16；紊流n＝0.2，c＝1.6）；ρm －混合密度，kg／m3；L－管長(zhǎng)，m；D－管徑，m；Um－混合流速，m／s；Δp－沿管路的壓降，Pa。

4.2 單井集油管線壓降模型的驗(yàn)證

運(yùn)用VB語(yǔ)言分別編寫與分層混合流壓降模型和分散流壓降模型相對(duì)應(yīng)的計(jì)算程序（該程序可直接輸入?yún)?shù)進(jìn)行計(jì)算）。從自編計(jì)算軟件的界面可以看出，分層混合流壓降預(yù)測(cè)計(jì)算程序界面與分散流壓降預(yù)測(cè)計(jì)算程序界面是不同的（圖4）。

圖4 單井集輸混輸管道壓降預(yù)測(cè)計(jì)算軟件界面

將實(shí)測(cè)流態(tài)及參數(shù)進(jìn)行處理后，代入相應(yīng)的壓降模型進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算的結(jié)果與實(shí)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比（表1）。

預(yù)測(cè)集輸管線壓降時(shí)，先根據(jù)產(chǎn)液量估算出采出液混合流速，再結(jié)合含水率數(shù)據(jù)，由前面給出的流態(tài)識(shí)別方法判斷單井集油管線流態(tài)，然后選用相應(yīng)的壓降模型進(jìn)行計(jì)算。從表1中可以看出，建立的壓降模型能夠較好地應(yīng)用在高含水單井集油管線上，壓降平均誤差為9.7%。

表1 壓降計(jì)算分析

4.3 單井集油管線壓降模型的敏感參數(shù)分析

從建立的單井集油管線壓降模型中可以看出，單井集油管線壓降主要受單井產(chǎn)液量、采出液含水率、油相粘度等因素的影響。參考陵76－6－1參數(shù)，分析模型對(duì)各參數(shù)的敏感性。

1）產(chǎn)液量的影響。油井產(chǎn)液量一般在10～25t／d，每間隔2t／d計(jì)算一次，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)液量的變化對(duì)單位壓降的影響較大，隨產(chǎn)量的遞增，單位管長(zhǎng)的壓降明顯變大。

2）含水率的影響。油井采出液含水率一般為70%～100%，每間隔5%計(jì)算一次，發(fā)現(xiàn)含水率的變化對(duì)壓降的影響較大，含水率越大，單位管長(zhǎng)的壓降變小。

3）油相粘度的影響。江漢油區(qū)采出液動(dòng)力粘度在30℃左右時(shí)一般為10～90mPa·s，每間隔10mPa·s計(jì)算一次，可以看出，雖然單位管長(zhǎng)壓降發(fā)生較大的變化，但是其影響要小于前兩個(gè)因素對(duì)壓降的影響。

從以上分析可知，單井產(chǎn)液量、采出液含水率對(duì)單位管長(zhǎng)壓降的影響較大，油相粘度次之。

5 結(jié)論

陵76井區(qū)所轄9口井集輸管線油流的流態(tài)多為分層混合流，通過(guò)對(duì)高含水單井集油管線流態(tài)的判斷，建立分層混合流和分散流二種壓降模型。驗(yàn)證結(jié)果表明，研究建立的壓降模型能夠較好地應(yīng)用在高含水單井集油管線上，同時(shí)，利用該壓降模型也可進(jìn)行相關(guān)敏感性參數(shù)的研究分析。

［1］章龍江.國(guó)外油氣水三相流流動(dòng)形態(tài)研究的新進(jìn)展［J］.油氣田地面工程，1998，17（04）：06－08.