基于正交試驗(yàn)的輸油管道壓降敏感性分析

劉立君 廣興野 徐穎

摘 ? ? ?要：多相混輸管道的壓降計(jì)算是油氣集輸管道設(shè)計(jì)和生產(chǎn)運(yùn)行方案制定的基礎(chǔ)。明確影響管道壓降的主要因素及其敏感性，對管道設(shè)計(jì)及運(yùn)行方案的優(yōu)化具有重要意義。根據(jù)塔河油田集輸管網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，以沿程百米壓降為目標(biāo)函數(shù)，分析了原油黏度、管道管徑、液相含水率及管道入口溫度（管道入口處油氣水混合物溫度）對混輸壓降影響程度。選擇Beggs-Brill壓降模型，并用實(shí)測數(shù)據(jù)擬合當(dāng)量表觀黏度，對模型進(jìn)行修正，利用修正后的模型進(jìn)行正交試驗(yàn)計(jì)算。通過對正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析，可知各因素的影響程度為：管道入口溫度>管道內(nèi)徑>液相含水率>原油黏度?？蔀檩斢凸芫€結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)行方案提供參考。

關(guān) ?鍵 ?詞：壓降;敏感性;正交試驗(yàn);極差分析

中圖分類號：TE832.9 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）05-0942-04

Abstract： Pressure drop calculation of multiphase pipeline is the basis of design and production operation plan formulation of oil and gas gathering and transportation pipeline. It is of great significance to determine the sensitivity of different gathering and transportation parameters to the pressure drop of mixed transportation for the optimization of pipeline design and operation scheme. Based on the actual operation of the gathering and transportation pipeline network in Tahe oilfield， the influence of crude oil viscosity， pipe diameter， liquid water content and pipeline inlet temperature （oil-gas-water mixture temperature at the pipeline inlet） on the pressure drop of mixed transportation was analyzed with the pressure drop of 100 meters as the objective function. Beggs-Brill pressure drop model was selected， and the measured data were used to fit the equivalent apparent viscosity. The model was modified， and the orthogonal test calculation was carried out by using the modified model. Through the analysis of the range of orthogonal test results， the degree of influence of each factor was determined as follows： pipe inlet temperature > pipe inner diameter > liquid phase water content > crude oil viscosity. The results of this study can provide powerful reference for the design and operation of oil pipeline structures.

Key words： Pressure drop; Sensitivity; Orthogonal test; Range analysis

在油氣集輸?shù)倪^程中，必會涉及多相混合流體在水平管道中的流動。對于多相流動，需要計(jì)算的工藝參數(shù)主要有壓降、持液率、溫度、氣液相速度以及氣液相流量等[1]。其中多相混輸管道的壓降計(jì)算是油氣集輸管道設(shè)計(jì)和生產(chǎn)運(yùn)行方案制定的基

礎(chǔ)[2]。影響多相流壓降的因素有很多，包括：管道長度、管道直徑、油水混合液流速、油水混合液密度、油水混合液黏度、氣體流速、氣體密度、氣體黏度、管壁絕對粗糙度、含水率等[3]。

王丹等[4]利用PIPEPHASE模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)徑、Source流量這兩個因素對壓降計(jì)算結(jié)果影響很大，而傳熱系數(shù)、管道粗糙度和高程變化對計(jì)算結(jié)果影響較小。甘慶明等[5]主要研究了黏度對垂直管道壓降的影響，發(fā)現(xiàn)黏度的變化對總壓降影響很明顯，而對于位差壓降，黏度的影響較小。劉曉燕等[6]分析了含水率和混合物流速對壓降的影響，發(fā)現(xiàn)含水率對壓降的影響存在一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)之前，對于同種流型，定流速時壓降隨含水率的增加而降低，轉(zhuǎn)折點(diǎn)之后壓降是流速的單值函數(shù)。劉

琪[7]通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了含水率對氣液混輸管路壓降的影響。在液速較高情況下，油水混合液反相前，壓降隨含水率的增加而增加，反相后，隨著含水率的增加，壓降反而減小。而在液速較低的情況下，含水率對壓降的影響不大。楊樹人等[8]研究分析了管輸介質(zhì)起始溫度、管道內(nèi)徑、氣液兩相流量、管線傾角對海底管道壓降的影響，發(fā)現(xiàn)起輸溫度對管道壓降的影響更為顯著。張廷廷等[9]研究了氣液比及黏度對壓降的影響，發(fā)現(xiàn)管道壓降隨著氣液比的增加而增加。而在同等條件下高黏原油管道壓降高于低黏原油管道壓降。

近年來，各位學(xué)者針對影響管道壓降的不同因素進(jìn)行了分析研究，但在工程上進(jìn)行管道設(shè)計(jì)及運(yùn)行參數(shù)制定時，需要綜合考慮各個參數(shù)對壓降的影響程度，因此確定壓降對影響因素的敏感性，對管道設(shè)計(jì)及運(yùn)行方案的優(yōu)化具有重要意義。根據(jù)塔河油田集輸管網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，以沿程百米壓降為目標(biāo)函數(shù)，利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，針對某一口生產(chǎn)井，在油品性質(zhì)及油氣產(chǎn)量固定的情況下，考慮原油黏度、管道內(nèi)徑、液相含水率、管道入口溫度4個因素，每個因素取3個水平，設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)。選擇Beggs-Brill壓降模型，并根據(jù)塔河油田的實(shí)際參數(shù)對模型黏度進(jìn)行修正，并進(jìn)行壓降計(jì)算。通過對正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析，明確不同因素對集輸管道壓降的影響大小，可為集輸管道設(shè)計(jì)和運(yùn)行方案制定提供參考。

1 ?壓降模型

在實(shí)際工程計(jì)算中，針對多相混輸管道內(nèi)流動不穩(wěn)定、流型復(fù)雜、相態(tài)間能量損失較大，通常選擇Beggs-Brill模型進(jìn)行混輸管道的壓降計(jì)算[10]。

1.1 ?Beggs-Brill壓降模型

當(dāng)截面含液率等于1時，該式為單相液體壓降梯度計(jì)算公式;當(dāng)截面含液率等于0時，該式為單相氣體的壓降梯度計(jì)算公式。該式不但可用于傾斜管道的壓降計(jì)算，還可用于水平管道的壓降計(jì)算。

1.2 ?壓降計(jì)算

本文利用中國石油天然氣集團(tuán)公司工程技術(shù)節(jié)能監(jiān)測中心的抽樣檢測數(shù)據(jù)，進(jìn)行壓降計(jì)算。

表1為兩口監(jiān)測井的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，圖1和圖2分別為兩口井原油試樣黏溫曲線。

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行壓降計(jì)算，并與實(shí)際監(jiān)測壓降對比，得到如表2所示的壓降結(jié)果對比表。

1.3 ?壓降模型修正

由表2可以看出，應(yīng)用Beggs-Brill壓降模型計(jì)算誤差大于20%，甚至部分工況下的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測的相對誤差達(dá)到90%以上。其主要原因是油氣水混合后的黏度變化較大，模型中油氣水混合黏度采用質(zhì)量占比加權(quán)算法，該方法認(rèn)為管道內(nèi)油氣水均勻混合，滿管流與管壁接觸。

而實(shí)際的流型中，油氣水并非均勻混合，當(dāng)含水率較高時，形成水包油狀態(tài)或油在上層，油與管道內(nèi)壁僅有一定面積的接觸，同時受到氣體在上層推動作用，導(dǎo)致油水混合后的整體表觀黏度明顯下降。由于不同含水率、不同流型下，油水狀態(tài)不同，導(dǎo)致實(shí)際油水混合后的當(dāng)量黏度遠(yuǎn)小于均相混合的黏度。因此本文采用最小二乘法，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)，擬合出不同含水率下的當(dāng)量黏度表達(dá)式，其形式如下：

含水率>85%時：

含水率<85%時，

μd=32.57（μ純+0.292 5）e-0.161t+0.399 6

利用修正前后的壓降模型，對1號井及2號井重新計(jì)算沿程壓降，并將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，其結(jié)果如表3所示。

由表3可知，利用擬合后的當(dāng)量黏度，計(jì)算不同工況下的壓降結(jié)果，與實(shí)測數(shù)據(jù)對比后，最大相對誤差為18%，滿足工程要求?？衫迷搲航的Ｐ陀?jì)算管道沿程壓降。

2 ?正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)與正交性原理相結(jié)合，合理安排多因素試驗(yàn)、降低試驗(yàn)次數(shù)、縮短試驗(yàn)周期、避免盲目性的一種科學(xué)方法[12]。

2.1 ?正交試驗(yàn)因素及水平選擇

以塔河油田集輸管道實(shí)際運(yùn)行參數(shù)為研究背景，考慮影響集油管道壓降的四個主要因素，即原油黏度、管道內(nèi)徑、液相含水率和管道入口溫度，并對每個因素設(shè)計(jì)三個水平，得到如表4所示的四因素三水平表。

2.2 ?正交實(shí)驗(yàn)表

選擇正交表時，應(yīng)以盡量減少試驗(yàn)次數(shù)，獲得足夠多的有效信息為準(zhǔn)則，提高實(shí)驗(yàn)效率[13]。本試驗(yàn)根據(jù)表4的因素及水平表，采用四因素三水平的正交實(shí)驗(yàn)矩陣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。采用標(biāo)準(zhǔn)正交表 L9（34），并按照表5設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行壓降計(jì)算試驗(yàn)，總共進(jìn)行9次試驗(yàn)，得到9個管道百米壓降值，如表5所示。

在進(jìn)行試驗(yàn)計(jì)算壓降時，介質(zhì)物性參數(shù)為：原油密度為950 kg/m3，水的密度為1 000 kg/m3，氣的密度為0.86 kg/m3，輸油量10 m3/d，末端壓力1 MPa，環(huán)境溫度20 ℃，汽油比1 000。

2.3 ?極差分析

本試驗(yàn)的目的是找到哪個參數(shù)對管道壓降的影響最大以及各個工藝參數(shù)對管道壓降影響的順序，而極差分析法常被用來處理和分析正交試驗(yàn)的結(jié)果，從計(jì)算結(jié)果中可以直觀地分析出各因素參數(shù)對混輸管道壓降影響的主次順序。因此，本文對表5進(jìn)行分析后得到如表6所示的管道壓降極差分析表。其中K1、K2、K3為同一因素下相同水平試驗(yàn)結(jié)果的總和;k1、k2、k3為K1、K2、K3的平均值;Rj表示不同因素的極差。

2.4 ?正交試驗(yàn)結(jié)果分析

如表6所示，管道入口溫度因素D的極差Rj為0.064 2，說明它對集輸管道百米壓降的影響最大，液相含水率因素C的極差次之，最小的為原油黏度因素A的極差，為0.007 5，各因子的極差Rj的排列順序?yàn)镽j（D）> Rj（B）> Rj（C）> Rj（A），因此，影響集輸管道壓降的各因素主次順序?yàn)椋汗艿廊肟跍囟?管道內(nèi)徑>液相含水率>原油黏度，即：管道壓降對入口介質(zhì)溫度及管道內(nèi)徑的變化更加敏感。

3 ?結(jié)論

本文首先利用塔河油田某區(qū)塊的監(jiān)測數(shù)據(jù)，擬合出不同含水率下的當(dāng)量表觀黏度，對Beggs-Brill壓降模型進(jìn)行修正，修正后的計(jì)算誤差小于20%，滿足工程要求。采用正交試驗(yàn)法，根據(jù)塔河油田集輸管網(wǎng)實(shí)際測試結(jié)果，確定影響管道壓降的主要因素，分析其敏感性，主次順序?yàn)椋汗艿廊肟跍囟?管道內(nèi)徑>液相含水率>原油黏度。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在進(jìn)行管網(wǎng)設(shè)計(jì)時需首先考慮管徑的設(shè)計(jì)，在運(yùn)行調(diào)控時首先改變管道入口介質(zhì)溫度。

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