HYSYS黑油模型在油田流動(dòng)保障中的運(yùn)用

鞠朋朋，陳文峰，張 歡，周曉艷，彭 宇

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

隨著世界經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，石油、天然氣的用量持續(xù)攀升，陸上約70%石油和99%天然氣依靠管道輸送。保證管道運(yùn)輸安全，特別是原油管道的順利輸送，前期設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的可靠性非常重要；但在某些項(xiàng)目中由于種種原因，并不能取得原油詳細(xì)組分?jǐn)?shù)據(jù)，只能獲得有限的性質(zhì)參數(shù)。為了順利開(kāi)展油田前期的方案設(shè)計(jì)，評(píng)估其技術(shù)可行性，需要使用黑油模型。黑油模型在計(jì)算中的優(yōu)點(diǎn)：計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單, 不涉及繁瑣的狀態(tài)方程和相態(tài)平衡計(jì)算；計(jì)算速度較快；計(jì)算過(guò)程絕對(duì)收斂。其缺點(diǎn)：沒(méi)有考慮物質(zhì)組分隨著壓力和溫度變化的因素；沒(méi)有考慮管道壓力低于凝油氣的露點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)的反凝析現(xiàn)象。黑油只是為了闡述油、氣、水三相流體的滲流規(guī)律而假設(shè)的一系列情況下的模型。

壓力梯度：Beggs & Brill 方法的基本方程，計(jì)算黑油模型管流壓降。

式中：λ為摩阻系數(shù)；HL為持液率；p為管線的平均壓力；θ為傾角；ν為流體折算速度。

文章以某原油輸送管道為例介紹黑油模型在管道計(jì)算中的應(yīng)用。

1 黑油模型的建立

某油田通過(guò)單層保溫管外輸，保溫層厚度25.4 mm，熱傳導(dǎo)率為0.051 W/m·K;管道埋地深度1 m，泥土熱傳導(dǎo)率為0.865 W/m·K;冬天泥土平均溫度為2 ℃；外輸管道分為兩段，第一段管道原油利用泵加壓外輸，增壓泵功率為150 kW,效率75%，原油進(jìn)入外輸海管的起輸壓力和溫度為275 kPa、43 ℃，標(biāo)注為原油-1;第一段管道直徑為8″，壁厚8.18 mm，管道長(zhǎng)度36.74 km，標(biāo)高不變；原油-2在第一段管道出口混入第二段管道，混入前溫度為33 ℃；第二段管道直徑為10″，壁厚9.27 mm，長(zhǎng)度23.11 km，標(biāo)高不變。

原油-1性質(zhì)：標(biāo)態(tài)下密度33.5 API，分子量260，43 ℃時(shí)粘度4.296 cP，99 ℃時(shí)粘度1.407 cP，流量71 m3/h。

原油-2性質(zhì)：標(biāo)態(tài)下密度43.8 API，分子量161，33 ℃時(shí)粘度1.447 cP，99 ℃時(shí)粘度0.596 3 cP，流量28 m3/h。

文章利用PIPESYS建立黑油模型，PIPESYS是由Hyprotech Ltd.開(kāi)發(fā)的內(nèi)嵌于HYSYS的海管模擬軟件。利用HYSYS流體包，選取原油組分和狀態(tài)方程PR，建立如圖1模型。

圖1 原油管道PIPESYS模型Fig.1 PIPESYS model of crude oil pipeline

在HYSYS內(nèi)利用油管理器輸入原油性質(zhì)，進(jìn)行虛擬組分切割，切割數(shù)量為5個(gè)；然后建立第一段PIPESYS模型pipe-1，輸入起始點(diǎn)的溫度、壓力和外輸管道的路由、環(huán)境溫度、埋深等參數(shù)；增壓泵模型在pipe-1里面建立；接著建立第二段PIPESYS模型pipe-2，輸入管道和末端的路由、溫度等環(huán)境參數(shù)。至此模型建立完畢，可以進(jìn)行計(jì)算，得到末端的壓力和溫度為4 896 kPa、10 ℃。

2 模型計(jì)算結(jié)果

模型收斂計(jì)算完畢后，就可以查看各種結(jié)果參數(shù)；可以以數(shù)據(jù)表或者圖標(biāo)的形式查看計(jì)算結(jié)果，也可以直接打印或者外傳計(jì)算報(bào)告。

對(duì)于pipe-1常見(jiàn)的計(jì)算結(jié)果如圖2～圖5。

從圖2、圖3可以看出，沿著管道長(zhǎng)度方向壓力和溫度都是降低的，且溫度和壓力降低的趨勢(shì)一致。

從圖4可以看出，流體速度變化幅度很小，在2.03ft/s～1.99ft/s之間變化；這是由于液體體積基本上不可壓縮，溫度的變化對(duì)體積熱脹冷縮量影響也比較小，所以對(duì)應(yīng)的液體速度基本上沒(méi)有變化。

從圖5可以看出，隨著管道長(zhǎng)度的增加，其引起的摩阻損失也相應(yīng)變大；壓降主要是管線摩擦損失和重力差兩者相互作用的結(jié)果，管道由于高程沒(méi)有變化，所以重力差引起的摩阻變化為零，總的壓降主要是由管線的摩擦損失。

圖3 pipe-1沿程溫降Fig.3 Temperature drop along pipe-1

圖4 pipe-1沿程流體速度變化Fig.4 The velocity variation of pipe-1

圖5 pipe-1壓降的變化Fig.5 The change of pipe-1 pressure drop

Pipe-2的計(jì)算結(jié)果趨勢(shì)圖與pipe-1類似，在此不再贅述。

3 結(jié)語(yǔ)

原油基礎(chǔ)性質(zhì)數(shù)據(jù)不全是項(xiàng)目前期運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常遇到的問(wèn)題，為了推進(jìn)項(xiàng)目的進(jìn)度，進(jìn)行前期的技術(shù)方案規(guī)劃，以及為整個(gè)油田的開(kāi)發(fā)提供前期的經(jīng)濟(jì)技術(shù)評(píng)價(jià)，采用黑油模型進(jìn)行管道直徑等參數(shù)的確定有著重要的意義。