高含水油氣水三相流混輸管道壓降計(jì)算研究

王興旺，孫 晁，程國(guó)鋒，劉 鵬

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高含水油氣水三相流混輸管道壓降計(jì)算研究

王興旺1，孫 晁2，程國(guó)鋒3，劉 鵬1

（1. 東北石油大學(xué) 提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318; 2. 中石油山東輸油有限公司，山東 日照 276800; 3. 川慶鉆探公司長(zhǎng)慶石油工程監(jiān)督公司，陜西 西安 710021）

油氣水三相混輸管道的壓降計(jì)算是油氣管道設(shè)計(jì)和生產(chǎn)運(yùn)行方案制定的基礎(chǔ)。為了評(píng)價(jià)并提高不同壓降模型的計(jì)算精度，設(shè)計(jì)了一套能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)某油田油氣水混輸管道運(yùn)行參數(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)常用的Beggs-Brill模型進(jìn)行了壓降計(jì)算，但存在較大誤差。采用最小二乘法對(duì)模型進(jìn)行修正，Beggs-Brill修正模型將誤差由32.79%降低到9.54%，Beggs-Brill修正模型有效提高了計(jì)算精度。

油氣水三相流； 水平管； 壓降計(jì)算； 最小二乘法

油氣水三相混輸管道的壓降計(jì)算是油氣管道設(shè)計(jì)和生產(chǎn)運(yùn)行方案制定的基礎(chǔ)[1]。為了提高其計(jì)算精度，許多學(xué)者開展了相關(guān)方面的理論研究，這些研究主要包括以下兩方面[2-6]：一是假設(shè)油水兩相為均勻混合的單一液相，采用氣液兩相流方式進(jìn)行研究；二是假設(shè)油水分離流動(dòng)，建立雙流體或三流體模型進(jìn)行研究。

實(shí)際應(yīng)用表明，無(wú)論采用哪種壓降計(jì)算方法，油氣水混輸管道壓降計(jì)算值與實(shí)際值均存在較大偏差，對(duì)管道設(shè)計(jì)和生產(chǎn)運(yùn)行方案制定造成了不利影響。針對(duì)該問(wèn)題，本文依托現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)，對(duì)常用氣液兩相流壓降模型Beggs-Brill模型進(jìn)行修正，有效提高了其計(jì)算精度。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

為了有效獲取管道實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工藝流程，設(shè)計(jì)了一套操作簡(jiǎn)單、測(cè)量準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括三部分：（1）井口溫度和壓力數(shù)據(jù)采集部分；（2）計(jì)量間溫度和壓力數(shù)據(jù)采集部分；（3）產(chǎn)液量、產(chǎn)氣量和摻水量數(shù)據(jù)采集部分。其工藝流程如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程圖

以W1井為例，闡述系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集過(guò)程：（1）正常運(yùn)行時(shí)，閥門2、4打開，中轉(zhuǎn)站來(lái)的熱水流至井口，與油井產(chǎn)出液混合經(jīng)三通1流入?yún)R管；此時(shí)閥門7關(guān)閉，防止油氣水混合物進(jìn)入計(jì)量裝置；閥門3、5、6均關(guān)閉，防止熱水進(jìn)入摻水測(cè)試系統(tǒng)；（2）測(cè)量產(chǎn)液量及產(chǎn)氣量時(shí)，將三通1向上打開，W1井產(chǎn)出液流至氣液分離器進(jìn)行氣液分離，分別測(cè)量液體流量和氣體流量；（3）測(cè)量單井摻水量時(shí)，關(guān)閉閥門4，打開閥門3、5、6，通過(guò)流量計(jì)Q測(cè)量W1井的摻水量，其它閥門在正常運(yùn)行時(shí)的位置。為了保證每口試驗(yàn)井?dāng)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)期間對(duì)每口試驗(yàn)井進(jìn)行多次間隔量油、量氣和取樣測(cè)試含水率。

1.2 油田某區(qū)塊管道運(yùn)行數(shù)據(jù)采集

采用油氣水三相流管道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)油田某區(qū)塊6個(gè)典型計(jì)量間所轄60條管道的生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)時(shí)間從2015年1月到2015年12月，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為1 h。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析60條管道的溫降和壓降數(shù)據(jù)可以看出，管道的溫降和壓降均在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，溫降的波動(dòng)范圍為2.2~4.5 ℃，壓降的波動(dòng)范圍為0.2~0.4 MPa。管道冬季的溫降大于夏季的溫降，因?yàn)槎镜沫h(huán)境溫度低于夏季；管道冬季的壓降也大于夏季的壓降，因?yàn)槎经h(huán)境溫度偏低，為了保證油井產(chǎn)出液安全輸送，需要增加摻水量，從而導(dǎo)致管道壓降增大。

圖2和圖3分別為井2G173-164到計(jì)量間B21503、井2G174-63到計(jì)量間B21504兩條管道的溫降和壓降統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖2 溫降曲線

圖3 壓降曲線

2 常用壓降計(jì)算模型

油氣水多相流混輸管道流型變化多、相態(tài)間能量損失大、流動(dòng)不穩(wěn)定，工程上一般選取Beggs-Brill模型[10]計(jì)算混輸管道的壓降。

2.1 Beggs-Brill模型

Beggs-Brill模型計(jì)算式

其中流型的判斷，截面含液率和水力摩阻系數(shù)的理論計(jì)算詳見文獻(xiàn)[10]。

2.2 實(shí)例計(jì)算

在集輸管道運(yùn)行管理過(guò)程中，掌握井口壓力狀況十分重要，因?yàn)榫趬毫^(guò)高，容易導(dǎo)致抽油機(jī)光桿盤根漏失、光桿脫卡、電機(jī)過(guò)載。但因?yàn)榫诜稚?，測(cè)量?jī)x表不完善，測(cè)試很不方便，因此需要根據(jù)計(jì)量間壓力計(jì)算井口壓力。采用Beggs-Brill模型計(jì)算油田某區(qū)塊60口井的井口壓力結(jié)果如圖4所示。Beggs-Brill模型計(jì)算結(jié)果的相對(duì)誤差，如圖5所示。

圖1 Beggs-Brill模型計(jì)算井口壓力結(jié)果

圖2 Beggs-Brill模型井口壓力相對(duì)誤差

通過(guò)分析比較油田某區(qū)塊60口井的井口壓力結(jié)果及相對(duì)誤差可以發(fā)現(xiàn)，Beggs-Brill模型計(jì)算的平均相對(duì)誤差為32.79%，計(jì)算誤差較大。

3 壓降計(jì)算模型修正

根據(jù)圖5可知，采用Beggs-Brill模型計(jì)算該區(qū)塊的井口壓力值與實(shí)測(cè)值相差較大，平均相對(duì)誤差大于15%，無(wú)法滿足工程實(shí)際的需要，因此有必要對(duì)Beggs-Brill模型進(jìn)行修正。

3.1 Beggs-Brill模型修正

Find、

借助Lingo軟件求得Beggs-Brill模型的修正結(jié)果為：

3.2 壓降修正結(jié)果及分析

運(yùn)用修正后的Beggs-Brill模型，分別對(duì)油田某區(qū)塊內(nèi)60口井的井口壓力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果及誤差分析如圖6-圖8所示。

圖3 Beggs-Brill模型修正后井口壓力計(jì)算值

圖4 井口壓力相對(duì)誤差

通過(guò)修正前后的Beggs-Brill模型對(duì)油田某區(qū)塊油氣水三相混輸管網(wǎng)井口壓力進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果可以看出，Beggs-Brill模型修正前的平均相對(duì)誤差為32.79%，修正后的平均相對(duì)誤差為9.54%，修正效果較顯著。

圖5 井口壓力誤差分布

另外，由修正前后的起點(diǎn)壓力相對(duì)誤差圖及誤差分布圖可以看出，采用Beggs-Brill模型計(jì)算，修正前有23條管道相對(duì)誤差在15%以內(nèi)，修正后有48條，所占樣本管道總數(shù)比例由38.33%提高到80%，修正后的Beggs-Brill模型有效提高了模型的計(jì)算精度。

4 結(jié) 論

（1）設(shè)計(jì)了一套能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)該油田混輸管道的壓力、溫度、產(chǎn)液量、產(chǎn)氣量和摻水量的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

（2）采用Beggs-Brill模型對(duì)該油田混輸管道進(jìn)行了壓降計(jì)算，其平均相對(duì)誤差為32.79%，誤差較大。

（3）運(yùn)用最小二乘法將Beggs-Brill模型進(jìn)行了修正，壓降模型修正后的計(jì)算精度明顯高于未修正的計(jì)算精度。

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Study on the Calculation of Pressure Drop in Oil-Gas-Water Three-phase Flow Pipeline With High Water Content

1,2,3,1

（1. Key Laboratory for Enhanced Oil & Gas Recovery of the Ministry of Education, Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China；2. CNPC Shandong Oil Transportation Company, Shandong Rizhao 276800, China； 3. CNPC Chuanqing Drilling Engineering Changqing Petroleum Engineering Supervision Company, Shaanxi Xi'an 710021, China）

In order to evaluate and improve the accuracy of different pressure drop models, a set of accurate data acquisition system was designed to monitor the operation parameters of oil-gas-water multiphase pipelines in the oil field. On the basic of collected data, the pressure drop was calculated by Beggs-Brill model, but the deviation of calculated results was large. So the model was modified with the least square method. By using modified Beggs-Brill model,the pressure drop calculation deviation was reduced from 33.26% to 9.54%. The modified Beggs-Brill model improved the calculation accuracy effectively.

oil-gas-water three-phase flow; horizontal pipeline; pressure drop calculation; least square method

TE 832

A

1004-0935（2017）04-0363-04

東北石油大學(xué)研究生創(chuàng)新科研項(xiàng)目資助（YJSCX2016-009NEPU）

2017-03-31

王興旺（1990-），男，黑龍江省大慶市人，東北石油大學(xué)石油與天然氣工程專業(yè)，研究方向：油田污水處理技術(shù)。