天然氣-凝析液長輸海底管道水力計算模型研究與評價

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(海油工程設計公司， 天津300452)

天然氣-凝析液長輸海底管道水力計算模型研究與評價

李偉，張淑艷，劉培林，楊宇航，顧琳婕

(海油工程設計公司，天津300452)

依據(jù)典型水力計算模型的特點及適用范圍進行研究和評價，對影響多相流壓降的影響因素進行敏感性分析，對現(xiàn)場實測壓降值與不同水力計算模型壓降預測值進行對比分析。在此基礎上，篩選出可以適用于天然氣-凝析液長輸海底管道水力計算的Eaton & Olieman和Oliemans Mechanistic模型。

長輸海底管道；水力計算；模型評價

0 引 言

海上油氣田一般處于依托資源比較匱乏的偏遠海域，采用多相流輸送技術是一種比較具有優(yōu)勢的選擇。海上油氣田從區(qū)域開發(fā)角度考慮實行區(qū)域內油氣統(tǒng)一處理、統(tǒng)一輸送，從而使工程設施得到合理利用[1]。長輸海底管道作為區(qū)域開發(fā)工程的重要設施，通常起著區(qū)域中心的作用。

天然氣-凝析液混輸海底管道作為多相流海底管道輸送的一種特殊類型，歷來受到科研工作者和工程設計人員的關注[2-3]，對于多相流管道壓降預測問題提出很多具有參考價值的建議。海底管道壓降預測會影響海底管道尺寸確定、工藝設備壓力等級、壓縮機和凝析液外輸泵設計能力等重要工藝參數(shù)，而這些工藝參數(shù)的確定對工程投資會產(chǎn)生重大影響。對離岸距離在100 km以上的長距離天然氣-凝析液管道的壓降進行準確預測可以創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟效益。

所以，進行天然氣-凝析液長輸海底管道水力計算模型的研究與評價，結合輸送體系的特點選取合適的水力計算模型用于工程設計成為一項重要的工作。

1 典型水力計算模型及特點

多相流管道水力計算模型基本都是通過大量的流道試驗數(shù)據(jù)，并通過數(shù)學處理方法擬合成的半經(jīng)驗、半理論公式?？蒲泄ぷ髡咄ㄟ^試驗與研究，逐漸衍生出眾多的改進型和修正公式。FUFFP(Tulsa大學流體流動項目)自1973年開展以來，集合世界多相流研究領域的資源，開展眾多多相流課題的研究，TUFFP也一直致力于模型的標準化工作，一些新模型已成功用于商業(yè)的軟件包，例如，Xiao et al Film Modified模型。

表1為目前多相流研究及應用領域使用的典型水平/傾斜方向多相流水力計算模型的特點及適用范圍[4]。

從表1可以看出：Darcy模型主要適用于單相流管路，對于距離較短、壓降較小的兩相流管路壓力降可以進行估算。Eaton & Oliemans和Oliemans Mechanistic是以氣/凝析油低液體負荷的管道作為系統(tǒng)分析對象而提出的水力模型，這2組計算模型都適用于氣油比較高的場合。Hughmark & Dukler適用于氣油比較低的管道。Beggs and Brill Revised(B-B-R)模型是基于氣/水介質的管流系統(tǒng)。Hughmark & Dukler計算的壓降與粗糙度沒有關系，B-B-R模型使用基于流體平均流速的單相流摩阻系數(shù)，而Eaton Olimans模型對管道粗糙度變化比較敏感。Beggs and Brill (Rough Pipe)模型的流型和持液率計算Taitel and Dukler和Eaton公式，但摩阻計算使用基于粗糙管模型的壓降計算公式。Xiao et al Film Modified模型對流速更敏感。

總的來說，多相流模型的發(fā)展有：基于混合雷諾數(shù)的單相均質流模型，如Darcy公式；考慮流型和滑脫的經(jīng)驗模型，如Dukler，Beggs and Brill模型；當前基于機械能原理的機理模型，如Oliemans和OLGAS等。TRICK[5]比較后認為OLGAS模型對于氣、凝析油系統(tǒng)的壓降預測具有較高的精度。該模型需要獨立授權后才能使用，所以限制了該模型的廣泛應用。

上述模型大多數(shù)都經(jīng)過現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)的復核，但由于特定試驗條件的限制以及各個油氣田油氣物性(如氣油比、伴生氣組成)的差異，需要依據(jù)特定模型的適用范圍和特點結合實際應用情況選擇合適的水力計算模型。因此，進行水力計算模型評價就成為多相流海底管道水力分析的一項標準程序。

2 天然氣-凝析液混輸管道水力計算影響因素

一個完整的水力學模型包括流型判斷、持液率和壓降計算。對于混輸管道而言，管輸流體的氣、液相流速和持液率均可反映管內流動狀態(tài)。管道壓降受多種因素(如氣液比、管徑、流速、各相物性、溫度及管道傾角等)的共同影響給多相流混輸管道壓降計算帶來很大的困難[6]。輸送用鋼管的選材、制造工藝以及輸送介質的腐蝕性差異都會對鋼管的內壁光滑程度產(chǎn)生影響，所以鋼管內壁粗糙度的差異對壓降的影響不容忽視。

對于天然氣-凝析油混輸管道水力計算的影響因素如圖1所示。

圖1 管道壓降隨流量變化關系

由圖1可以看出，多相流管道壓降隨輸量變化呈反拋物線特征，在拋物線拐點處存在最小壓降并對應最低轉變流量：當管輸量大于最低轉變流量時，管道壓降隨輸量增加單調遞增；管輸量小于最低轉變流量時，管道壓降隨輸量減小單調遞增。所以，多相流管道存在一個理想的操作區(qū)間。流量過大會導致壓降過大并發(fā)生沖蝕問題；流量過小會引起液體累積、增加壓降損失，甚至發(fā)生段塞流等不穩(wěn)定流[7]。產(chǎn)生這種變化規(guī)律的原因為：重力主導的管道壓降和由摩阻損失主導的管道壓降的作用機理不同，需要予以區(qū)分。對于天然氣-凝析液長輸海底管道，由于管道持液量變化，降壓會隨管長的增加變得更加明顯。天然氣-凝析液長輸海底管道的主要壓降主要產(chǎn)生于水平方向，本文只對該部分的壓降進行具體的研究與分析。

3 水力計算模型評價

本文使用PIPEFLO商業(yè)化軟件包提供的不同水力計算模型，對假設的一條長約180 km，直徑24 英寸(1英寸=0.025 4 m)的天然氣-凝析液鋼制海底管道的壓降參數(shù)進行研究與分析。該海底管道路由地勢平坦。輸送的介質為含有飽和水的天然氣，烷烴摩爾含量為76.46%，CO2摩爾含量為6.74%，N2摩爾含量為16.8%；凝析液主要為凝析油，凝析油的性質為：密度730 kg/m3，分子量105。管道內壁粗糙度取0.05 mm。

對于低黏原油混輸管道，液體黏度造成的壓降損失不是造成管道壓降的主要原因[8-9]?？紤]到凝析油的比重較輕、黏度較小，其物性改變對于本研究評價影響不大?；诓煌τ嬎隳Ｐ偷慕M合，對影響天然氣-凝析液長輸海底管道壓降的氣體流量、出口背壓、氣油比和粗糙度等4個因素進行敏感性分析。

圖2 管道壓降隨流量的變化關系

采用不同水力計算模型預測的管道壓降隨流量的變化關系如圖2所示，可以看出：當氣量依次遞增時，各水力模型預測的壓降遞增。氣量越大，使用各模型計算的壓降值的相對偏差越大。在氣量為500×104Sm3/d，1 000×104Sm3/d和1 500×104Sm3/d時，Beggs and Brill(Rough Pipe)和Xiao et al Film Modified模型計算的壓降最大，B-B-R模型計算的壓降最小。在100×104Sm3/d時，各模型計算的壓降相差不大。其中，B-B-R模型計算的壓降最大，Xiao et al Film Modified模型計算的壓降最小。

綜合各水力計算模型的特點，Xiao et al Film Modified模型對流速更敏感，可能是導致其在大氣量條件下預測壓降最大，而在小氣量條件下預測的壓降最小的原因。Beggs and Brill(Rough Pipe)由于放大了粗糙度的影響，使其預測的壓降值比其他模型高。

由表2可以看出，采用二氯甲烷1∶1萃取得到小米酒中可揮發(fā)性風味成分，香氣成分物質總共有10種；其中，醇類4種，占總含量的88.028%；酯類6種，占總含量的10.673%；酚類1種，占總含量的1.299%；醇類是小米酒香氣的主要成分，占總含量的88.028%，含量最高的是異戊醇，占總量的63.581%，無色液體，雜醇油氣味，香蕉味；其次是2，3-丁二醇，其占總量的11.827%,其可起緩沖作用，給酒增加綿甜、回味和醇厚感[9]。酯類是黑米酒香氣的重要成分，占總含量的10.673%。黑米酒香氣成分中還含有一定量的酚類物質，占總量的1.299%，酚類物質具有抗氧化等作用。

采用不同水力計算模型預測的管道壓降隨出口力的變化關系如圖3所示，可以看出：當出口壓力依次增加時，各水力模型預測的壓降隨之降低。在出口壓力2 000～4 000 kPaA時，Beggs and Brill(Rough Pipe)模型計算的壓降最大；在出口壓力為3 000～5 000 kPaA時，B-B-R模型計算的壓降最小。此外，當出口壓力增加時，各模型計算的最大壓降值與最小壓降值之差有增大的趨勢。

圖3 管道壓降隨出口壓力變化關系

采用不同水力計算模型預測的管道壓降隨氣油比的變化關系如圖4所示，可以看出：在相同氣量條件下，使用各水力模型預測的壓降隨著氣油比的增大而降低。氣油比越大，各模型預測的壓降越小，反之越大，其中，在相同的氣油比條件下，Oliemans Mechanistic模型預測的壓降最小，Hughmark & Dukler模型預測的壓降最大。隨著氣油比的降低，Hughmark & Dulker模型預測的壓降值較其他模型的增量更加明顯。

圖4 管道壓降隨氣油比的變化關系

綜合各水力模型的特點可知：Hughmark & Dukler模型適用于氣油比較低的條件，在該條件下，液體重力起主導作用并決定了壓降的大小。

采用不同水力計算模型觀測管道壓降粗糙度的變化如圖5所示，可以看出：當粗糙度依次增加時，除Hughmark & Dukler模型和B-B-R模型外，其他模型預測的壓降值依次增加，其中，Beggs and Brill(Rough Pipe)模型預測的壓降值最大，Eaton & Oliemans模型預測的壓降值最小。Hughmark & Dukler和B-B-R模型預測的壓降值與內壁粗糙度變化沒有關系，但Hughmark & Dulker模型預測的壓降值大于B-B-R模型預測的壓降值。

圖5 管道壓降隨內壁粗糙度的變化關系

綜上所述，Eaton & Oliemans模型、Oliemans Mechanistic模型和Xiao et al Film Modified模型可以用于天然氣-凝析液長輸海底管道壓降的預測。

4 工程實例分析

為了評價各水力計算模型在工程項目應用中的適應性，對海上某凝析氣田的一條126 km的12英寸天然氣-凝析液鋼制海底管道的現(xiàn)場實測壓降與第3節(jié)中使用不同水力計算模型預測的壓降值進行對比分析。該海底管道路由地勢比較平坦，管內壁粗糙度按0.05 mm考慮，輸送的介質為脫水后的天然氣和凝析油，凝析油密度為775～800 kg/m3，分子量140～145。輸送介質組分見表2。

表2 天然氣組分 %

表3為從現(xiàn)場采集的某天然氣-凝析液長輸海底管道實際運行參數(shù)。

表3 某天然氣-凝析液長輸海底管道實際運行參數(shù)

由表3可知：該天然氣-凝析液海底管道正常運行時的氣油比范圍是15 000～16 000 m3/m3，屬于高氣油比類型。海底管道入口操作壓力范圍為6 497～6 827 kPaA，入口操作溫度范圍為27.4 ℃～29.3 ℃；出口操作壓力范圍為3 871～4 337 kPaA，出口操作溫度范圍在15.4 ℃～19.4 ℃。

根據(jù)現(xiàn)場采集的該海底管道實際運行輸量、入口操作溫度和出口壓力參數(shù)，使用不同水力模型預測的管道壓降值見表4。

表4 使用不同水力計算模型預測的管道壓降值 kPa

圖6為不同水力計算模型預測壓降值與現(xiàn)場實際運行數(shù)據(jù)的比較，可以看出：各水力計算模型預測的壓降趨勢與實測數(shù)據(jù)的變化趨勢相同。Eaton & Oliemans模型、Oliemans Mechanistic模型、Xiao et al Film Modified模型和B-B-R模型預測的壓降與實測壓降接近，Hughmark & Dukler和Beggs and Brill(Rough Pipe)模型預測的壓降比實測壓降偏差較大，B-B-R模型預測的壓降比實測壓降小，其余模型預測值均大于實測值。

圖6 不同水力計算模型預測壓降值與現(xiàn)場實際運行數(shù)據(jù)比較

將預測值與實際值的誤差百分比進行匯總，如圖7所示，可以看出：Eaton & Oliemans模型、Oliemans Mechanistic模型和Xiao et al Film Modified模型預測的壓降與實測壓降的相對誤差約為4%～15%。Xiao et al Film Modified模型預測的壓降相比Eaton & Oliemans和Oliemans Mechanistic模型預測的壓降值偏大。Eaton & Oliemans和Oliemans Mechanistic模型預測的壓降與實測壓降偏差在10%左右。

圖7 不同水力計算模型預測壓降與實測壓降相對百分誤差比較

當管道中液體負荷較低時，對壓降起主要作用的是摩擦阻力，這時氣體與管壁、液體與管壁和氣、液相間的摩擦因素影響海底管道的壓降。B-B-R和Hughmark & Dukler模型與管內壁粗糙度無關，不符合天然氣-凝析液管道壓降預測的影響因素。

Hughmark & Dukler模型不適用于本文所述的天然氣-凝析液的高氣油比系統(tǒng)，其預測的壓降值與實際壓降偏差達55%。B-B-R模型基于氣、水介質的小管徑試驗環(huán)境，該模型預測的壓降與實測壓降偏差雖然不大，但為負偏差。引入與粗糙度關系的Beggs and Brill(Rough Pipe)模型預測的壓降與實際壓降偏差為35%左右，難以滿足工程設計需求。

5 結 論

本文歸納總結典型多相流水力計算模型的適用范圍和特點，結合天然氣-凝析液海底管道壓降預測的影響因素，采用敏感性分析法對不同水力計算模型進行評價，得到以下主要結論：

(1) Eaton & Olieman和Oliemans Mechanistic模型可以用于天然氣-凝析液長輸海底管道壓降預測。

(2) B-B-R與Hughmark & Dukler模型預測的壓降與管內壁粗糙度無關，不適用于天然氣-凝析液這種低液體負荷的系統(tǒng)。

(3) 考慮到不同水力計算模型預測壓降的差異性，建議在實際應用中進行水力計算模型的研究與評價，并將模型比選作為一項標準程序。

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StudyandEvaluationonHydraulicCalculationModelsforGas-CondensateLongDistanceSubseaPipeline

LI Wei， ZHANG Shuyan， LIU Peilin， YANG Yuhang， GU Linjie

(COOEC， Tianjin 300452，China)

According to the characteristics and applicable scope of typical hydraulic calculation model, the sensitivity analysis is performed on the influence factors which affect the pressure drop of multiphase flow, and the measured pressure drop from working site is compared with predicting pressure drop through the different hydraulic calculation models. On the basis of this, Eaton & Oliemans and Oliemans Mechanistic models are selected for the hydraulic calculation which can be applied to gas-condensate long distance subsea pipeline.

long distance subsea pipeline；hydraulic calculation；model evaluation

1001-4500(2017)06-0066-08

2017-06-15

李 偉(1986-)，男，工程師

TE832

A