高氣液比大直徑海底管道運(yùn)行參數(shù)的快速計(jì)算

趙喜峰，王彥瑞，高秀敏

海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

高氣液比大直徑海底管道運(yùn)行參數(shù)的快速計(jì)算

趙喜峰，王彥瑞，高秀敏

海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

為保證平臺油氣的持續(xù)平穩(wěn)生產(chǎn)，生產(chǎn)工藝可能會增加如壓縮機(jī)等一些設(shè)備進(jìn)行增壓，這就需要設(shè)計(jì)人員搜集、輸入大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，運(yùn)用商業(yè)軟件進(jìn)行計(jì)算，故會耗費(fèi)大量時間。若能采用單氣相計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，則可大大減少數(shù)據(jù)輸入量和計(jì)算量。在給出了必要的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，探討了兩相公式/單氣相公式選取的判別準(zhǔn)則，計(jì)算了現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)與單氣相公式計(jì)算數(shù)據(jù)的誤差；而后根據(jù)配產(chǎn)數(shù)據(jù)，采用單氣相計(jì)算公式、OLGA軟件對生產(chǎn)工藝進(jìn)行模擬計(jì)算，并對比了計(jì)算結(jié)果；最后指出，單氣相公式計(jì)算結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)、OLGA模擬結(jié)果的誤差都比較小，工程應(yīng)用上可以接受，采用單氣相公式進(jìn)行快速計(jì)算，可以大大節(jié)約計(jì)算的時間。

海底管道；快速計(jì)算；單氣相公式；OLGA；誤差

某平臺根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，對未來的生產(chǎn)情況及產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測，發(fā)現(xiàn)未來井口油壓會下降到流程壓力以下，這種情況不能滿足正常生產(chǎn)要求。為了保障氣田正常生產(chǎn)，持續(xù)給下游用戶提供原料氣及產(chǎn)品，需新增濕氣壓縮機(jī)等設(shè)備，以保障當(dāng)井口壓力降低時，仍能正常進(jìn)行生產(chǎn)。

該平臺所在的油氣田的井流是以氣為主兼有少量的凝析油和水，氣和水經(jīng)脫水塔處理后干氣外輸，凝析油經(jīng)凝析油處理系統(tǒng)處理合格后與干氣一起輸送至終端。

在上述生產(chǎn)過程中，通常情況需要專業(yè)人員進(jìn)行模擬計(jì)算來確定平臺至陸地終端的海底管道是否能滿足本次開發(fā)要求。海底管道工藝專業(yè)人員通常采用靜態(tài)軟件PIPEFLO、流動保障軟件OLGA或是其他軟件作設(shè)計(jì)，需要搜集大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如環(huán)境數(shù)據(jù)、管輸介質(zhì)物性數(shù)據(jù)等用于輸入，然后建立模型，這會花費(fèi)大量時間。在開發(fā)前期決策階段，時間非常寶貴，能不能找到一種方法，既能滿足這個階段的需要，又能節(jié)省大量的時間，需要進(jìn)行研究。

該油氣田主要開發(fā)設(shè)施包括平臺、海底管道和陸地終端，本文以海上平臺到陸地終端的干氣/凝析油混輸海底管道為對象，研究、探討和驗(yàn)證快速計(jì)算該海底管道運(yùn)行參數(shù)的可行性，為工程的迅速決策提供支持。

1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

若采用單氣相計(jì)算公式（API RP 14E，下文將詳細(xì)描述）進(jìn)行計(jì)算，則只需輸入管道物理參數(shù)（管長、管徑、壁厚）、進(jìn)出口位差、輸送介質(zhì)物性（摩爾質(zhì)量、壓縮因子）、輸量、入口介質(zhì)溫度、管道出口壓力即可。若是采用PIPEFLO、OLGA等商業(yè)軟件，輸入的數(shù)據(jù)則要多得多。因此若能采用單氣相計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，則可節(jié)省大量時間，這是本研究的目的。

本文因需要使用OLGA計(jì)算做數(shù)據(jù)對比，因而列出一些必要數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可由HYSYS軟件計(jì)算得到。而諸如環(huán)境參數(shù)等，為節(jié)省篇幅未列出。

（1）HYSYS輸入的天然氣/凝析油海底管道輸量和入口全組分?jǐn)?shù)據(jù)見表1。

表1 HY SY S軟件輸入的天然氣/凝析油海底管道輸量和入口全組分?jǐn)?shù)據(jù)

（2）HYSYS輸入的外輸流體假組分?jǐn)?shù)據(jù)見表2。

表2 外輸流體的假組分?jǐn)?shù)據(jù)

（3）HYSYS輸入的管輸凝析油性質(zhì)見表3。

表3 管輸凝析油性質(zhì)

（4）輸入的外輸天然氣/凝析油海底管道實(shí)際運(yùn)行參數(shù)見表4。

（5）API RP 14E公式輸入的預(yù)測配產(chǎn)及氣/液物性數(shù)據(jù)見表5。

（6）輸入的海底管道規(guī)格參數(shù)。1區(qū)管道外徑323.9 mm，壁厚12.7 mm；2區(qū)管道外徑323.9 mm，壁厚14.3 mm。海上平臺、海底管道與終端處理廠示意見圖1。

圖1 海底管道示意

2 水力熱力計(jì)算模型確定

對海底管道而言，壓力系統(tǒng)由背壓建立，管道的起點(diǎn)輸入溫度T1的值，然后再輸入管道的終點(diǎn)壓力P2（邊界條件）的值，運(yùn)行程序得到起點(diǎn)壓力P1的值（有些時候也可以輸入P1，計(jì)算得到P2） 和終點(diǎn)溫度T2的值，如圖2所示。

表4 外輸天然氣/凝析油海底管道實(shí)際運(yùn)行參數(shù)

表5 預(yù)測配產(chǎn)及氣/液物性數(shù)據(jù)

圖2 管道計(jì)算原理示意[1]

OLGA便是基于此建立模型，但是單氣相計(jì)算公式（下文將詳細(xì)描述）不計(jì)算管道出口的溫度值，對于壓力也是調(diào)整入口壓力值使之滿足管道出口壓力邊界條件。對于不保溫長輸管道而言，由于焦耳-湯姆遜效應(yīng)，海底管道出口的溫度要比環(huán)境溫度略低，可根據(jù)環(huán)境溫度大致判斷，本文不再論述。

2.1 公式選取判別準(zhǔn)則

該管道是氣和凝析油混輸?shù)墓艿?，采用氣液兩相公式（API RP 14E）試算，發(fā)現(xiàn)與公式的適用條件存在差異，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，混合相密度是一個比較關(guān)鍵的參數(shù)，因此對其進(jìn)行專項(xiàng)研究，改變氣液比考察其混合密度的變化規(guī)律，進(jìn)行氣液混合相密度敏感性分析，結(jié)果見表6。將氣液比和混合相密度的關(guān)系繪制成圖，見圖3。

從圖3可以看出，當(dāng)氣液比大于2 000 m3/m3時，氣液混合相密度變化很小，這使氣液比大的管輸介質(zhì)作為單氣相近似計(jì)算成為可能。

表6 氣液比與混合相密度

圖3 氣液比和混合相密度的關(guān)系

2.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)的單氣相計(jì)算公式擬合

輸送介質(zhì)的氣油比很高，混合相密度變化很小，所以考慮用單氣相計(jì)算模型，應(yīng)用現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。

在選擇計(jì)算公式時，為了避免求解莫氏摩擦系數(shù)，進(jìn)一步簡化計(jì)算步驟，選擇Weymouth經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算[2]，見式（1），該公式以壓縮空氣的測量為基礎(chǔ)，測量管徑范圍0.8～11.8in（1in=25.4mm），本文的目標(biāo)海底管道直徑為12 in。

式中：Qg為 14.7 psi（1 psi=6.89 kPa） 和60塒（塒=℃×1.8+32）時氣體的流量，mmscfd（1 mmscfd=2.83萬m3/d）；d為管道內(nèi)徑，in；p1、p2分別為點(diǎn)1、點(diǎn)2的壓力，psi；L為管道的長度，ft（1 ft=0.305 m）；S為氣體在標(biāo)準(zhǔn)條件下的相對密度，無量綱；T1為氣體的入口溫度，°R（°R=℃×1.8+491.67）；Z為氣體的壓縮系數(shù)，無量綱。

應(yīng)用式（1）進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果見表7。

表7 單氣相Weymouth經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果

把表7壓降計(jì)算結(jié)果與表4實(shí)際運(yùn)行壓降數(shù)據(jù)相減，結(jié)果見表8。從表8中可以看出，絕對誤差在235～353 kPa之間，均為正誤差，說明單氣相公式計(jì)算結(jié)果偏保守，對項(xiàng)目前期開發(fā)活動的影響偏向正面，誤差百分比在3.582%～5.324%之間，精度可以滿足工程的要求。

表8 誤差分析

3 配產(chǎn)數(shù)據(jù)模擬計(jì)算

3.1 單氣相計(jì)算公式模擬

應(yīng)用單氣相公式對預(yù)測配產(chǎn)進(jìn)行靜態(tài)水力計(jì)算，結(jié)果見表9。由表9的計(jì)算結(jié)果可以看出，按照校核工況計(jì)算的外輸天然氣/凝析油海底管道操作壓力范圍為5 726～7 228 kPa。

表9 配產(chǎn)量的單氣相計(jì)算公式水力計(jì)算結(jié)果

3.2 OLGA模擬

采用OLGA建立模型，對該管道進(jìn)行靜態(tài)的水力和熱力計(jì)算，結(jié)果見表10～11。

由表10及11的計(jì)算結(jié)果可以看出，按照校核工況計(jì)算的外輸天然氣/凝析油海底管道操作壓力范圍為5 820～7 160 kPa。

3.3 單氣相公式與OLGA軟件計(jì)算結(jié)果對比

將表9入口壓力計(jì)算結(jié)果與表10（夏季）及11（冬季）入口壓力計(jì)算結(jié)果相減，得到誤差（見圖4），并除以O(shè)LGA計(jì)算結(jié)果得出誤差百分?jǐn)?shù)（見圖5）。從圖4～5可以看出，單氣相公式計(jì)算結(jié)果與OLGA計(jì)算結(jié)果的誤差為-124～128 kPa，誤差百分比為-2.12%～1.8%。因此，無論是夏季工況還是冬季工況，兩者數(shù)值非常接近，單氣相計(jì)算公式計(jì)算結(jié)果可用性較強(qiáng)。

表10 外輸天然氣/凝析油海底管道水力和熱力計(jì)算結(jié)果（夏季工況）

表11 外輸天然氣/凝析油海底管道水力和熱力計(jì)算結(jié)果（冬季工況）

圖4 單氣相公式計(jì)算結(jié)果與OL GA計(jì)算結(jié)果誤差

圖5 單氣相公式結(jié)果與OL GA計(jì)算結(jié)果誤差百分比

4 結(jié)論

（1）首次提出兩相公式/單氣相公式選取判別準(zhǔn)則。在該海底管道現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)條件下，通過對氣液兩相計(jì)算公式（API RP14E）中密度的分析，棄用了兩相公式，選擇單氣相公式（API RP14E）進(jìn)行擬合，得出單氣相公式的模擬精度滿足開發(fā)項(xiàng)目前期決策需要的結(jié)論。

（2）單氣相公式相對于實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，無論絕對誤差（235～ 353 kPa） 還是誤差百分比（3.582%～5.324%）都比較小，工程上可以接受。

（3）單氣相公式計(jì)算結(jié)果與OLGA模擬結(jié)果十分接近（誤差百分比-2.12%～1.8%），結(jié)果可用性強(qiáng)。

（4）通過快速核算不僅可以減少前期費(fèi)用，而且還大大簡化項(xiàng)目管理程序，節(jié)約時間，為管理層快速決策提供支持[3-5]。

（5）計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn)摩爾質(zhì)量、壓縮因子的敏感性較強(qiáng)，對壓降的計(jì)算結(jié)果影響較大。

[1]余智，王彥瑞，高秀敏，等.BZ19-4海底混輸管網(wǎng)優(yōu)化算法探討[J].海洋石油，2009，29（3）：96-102.

[2]API RP 14E-1991，Recommended practice design and installation of offshore production platform piping systems[S].

[3]王文光，萬宇飛，曲兆光，等.海底混輸管道清管段塞影響因素分析及控制[J].石油工程建設(shè)，2017，43（4）：44-46.

[4]戴磊，劉培林，余智，等.海上井口平臺超壓保護(hù)動態(tài)模擬研究[J].石油工程建設(shè)，2017，43（3）：35-39.

[5]盧學(xué)飛，董鳳娟，陳小寧.基于AHM法的海底輸油管道運(yùn)行風(fēng)險定量分析[J].石油工程建設(shè)，2017，43（2）：50-53.

Rapid calculation of operating parameters of subsea pipeline with high gas/ liquid ratio and large diameter

ZHAO Xifeng，WANG Yanrui，GAO Xiumin
China Offshore OilEngineering Co.，Ltd.，Tianjin 300451，China

In order to ensure smooth production of oil and gas fields，some equipment such as compressor may be added for supercharging.Thus，the designers must collect and input large number of basic data and perform calculations with business software，which will spend large amount of time.If the single gas phase calculation formula can be used to perform the calculation，the amount of data input and calculation will decrease greatly.In this paper，based on necessary data，the assessing criterion for selecting the two-phase formula or the single-phase formula is discussed.The errors between the field operation data and the calculated data by the single-phase calculation formula are compared.Then，the simulative calculation of production process is performed by using the single-phase formula and OLGAsoftware respectively and the results are compared.It is concluded that the result errors got from the single-phase formula，the practical operation data and the OLGA software are small and acceptable in engineering application；The rapid calculation can be realized by using the single-phase formula and can greatly save calculation time.

subsea pipeline；rapid calculation；single-phase formula；OLGA；error

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.06.010

趙喜峰（1982-），男，山東日照人，工程師，2007年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）油氣儲運(yùn)工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事海洋石油平臺工藝設(shè)計(jì)工作。Email：zhaoxf@mail.cooec.com.cn

2017-10-09