天然气-凝析液长输海底管道水力计算模型研究与评价

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(海油工程设计公司， 天津300452)

天然气-凝析液长输海底管道水力计算模型研究与评价

李伟，张淑艳，刘培林，杨宇航，顾琳婕

(海油工程设计公司，天津300452)

依据典型水力计算模型的特点及适用范围进行研究和评价，对影响多相流压降的影响因素进行敏感性分析，对现场实测压降值与不同水力计算模型压降预测值进行对比分析。在此基础上，筛选出可以适用于天然气-凝析液长输海底管道水力计算的Eaton & Olieman和Oliemans Mechanistic模型。

长输海底管道；水力计算；模型评价

0 引 言

海上油气田一般处于依托资源比较匮乏的偏远海域，采用多相流输送技术是一种比较具有优势的选择。海上油气田从区域开发角度考虑实行区域内油气统一处理、统一输送，从而使工程设施得到合理利用[1]。长输海底管道作为区域开发工程的重要设施，通常起着区域中心的作用。

天然气-凝析液混输海底管道作为多相流海底管道输送的一种特殊类型，历来受到科研工作者和工程设计人员的关注[2-3]，对于多相流管道压降预测问题提出很多具有参考价值的建议。海底管道压降预测会影响海底管道尺寸确定、工艺设备压力等级、压缩机和凝析液外输泵设计能力等重要工艺参数，而这些工艺参数的确定对工程投资会产生重大影响。对离岸距离在100 km以上的长距离天然气-凝析液管道的压降进行准确预测可以创造可观的经济效益。

所以，进行天然气-凝析液长输海底管道水力计算模型的研究与评价，结合输送体系的特点选取合适的水力计算模型用于工程设计成为一项重要的工作。

1 典型水力计算模型及特点

多相流管道水力计算模型基本都是通过大量的流道试验数据，并通过数学处理方法拟合成的半经验、半理论公式。科研工作者通过试验与研究，逐渐衍生出众多的改进型和修正公式。FUFFP(Tulsa大学流体流动项目)自1973年开展以来，集合世界多相流研究领域的资源，开展众多多相流课题的研究，TUFFP也一直致力于模型的标准化工作，一些新模型已成功用于商业的软件包，例如，Xiao et al Film Modified模型。

表1为目前多相流研究及应用领域使用的典型水平/倾斜方向多相流水力计算模型的特点及适用范围[4]。

从表1可以看出：Darcy模型主要适用于单相流管路，对于距离较短、压降较小的两相流管路压力降可以进行估算。Eaton & Oliemans和Oliemans Mechanistic是以气/凝析油低液体负荷的管道作为系统分析对象而提出的水力模型，这2组计算模型都适用于气油比较高的场合。Hughmark & Dukler适用于气油比较低的管道。Beggs and Brill Revised(B-B-R)模型是基于气/水介质的管流系统。Hughmark & Dukler计算的压降与粗糙度没有关系，B-B-R模型使用基于流体平均流速的单相流摩阻系数，而Eaton Olimans模型对管道粗糙度变化比较敏感。Beggs and Brill (Rough Pipe)模型的流型和持液率计算Taitel and Dukler和Eaton公式，但摩阻计算使用基于粗糙管模型的压降计算公式。Xiao et al Film Modified模型对流速更敏感。

总的来说，多相流模型的发展有：基于混合雷诺数的单相均质流模型，如Darcy公式；考虑流型和滑脱的经验模型，如Dukler，Beggs and Brill模型；当前基于机械能原理的机理模型，如Oliemans和OLGAS等。TRICK[5]比较后认为OLGAS模型对于气、凝析油系统的压降预测具有较高的精度。该模型需要独立授权后才能使用，所以限制了该模型的广泛应用。

上述模型大多数都经过现场生产数据的复核，但由于特定试验条件的限制以及各个油气田油气物性(如气油比、伴生气组成)的差异，需要依据特定模型的适用范围和特点结合实际应用情况选择合适的水力计算模型。因此，进行水力计算模型评价就成为多相流海底管道水力分析的一项标准程序。

2 天然气-凝析液混输管道水力计算影响因素

一个完整的水力学模型包括流型判断、持液率和压降计算。对于混输管道而言，管输流体的气、液相流速和持液率均可反映管内流动状态。管道压降受多种因素(如气液比、管径、流速、各相物性、温度及管道倾角等)的共同影响给多相流混输管道压降计算带来很大的困难[6]。输送用钢管的选材、制造工艺以及输送介质的腐蚀性差异都会对钢管的内壁光滑程度产生影响，所以钢管内壁粗糙度的差异对压降的影响不容忽视。

对于天然气-凝析油混输管道水力计算的影响因素如图1所示。

图1 管道压降随流量变化关系

由图1可以看出，多相流管道压降随输量变化呈反抛物线特征，在抛物线拐点处存在最小压降并对应最低转变流量：当管输量大于最低转变流量时，管道压降随输量增加单调递增；管输量小于最低转变流量时，管道压降随输量减小单调递增。所以，多相流管道存在一个理想的操作区间。流量过大会导致压降过大并发生冲蚀问题；流量过小会引起液体累积、增加压降损失，甚至发生段塞流等不稳定流[7]。产生这种变化规律的原因为：重力主导的管道压降和由摩阻损失主导的管道压降的作用机理不同，需要予以区分。对于天然气-凝析液长输海底管道，由于管道持液量变化，降压会随管长的增加变得更加明显。天然气-凝析液长输海底管道的主要压降主要产生于水平方向，本文只对该部分的压降进行具体的研究与分析。

3 水力计算模型评价

本文使用PIPEFLO商业化软件包提供的不同水力计算模型，对假设的一条长约180 km，直径24 英寸(1英寸=0.025 4 m)的天然气-凝析液钢制海底管道的压降参数进行研究与分析。该海底管道路由地势平坦。输送的介质为含有饱和水的天然气，烷烃摩尔含量为76.46%，CO2摩尔含量为6.74%，N2摩尔含量为16.8%；凝析液主要为凝析油，凝析油的性质为：密度730 kg/m3，分子量105。管道内壁粗糙度取0.05 mm。

对于低黏原油混输管道，液体黏度造成的压降损失不是造成管道压降的主要原因[8-9]。考虑到凝析油的比重较轻、黏度较小，其物性改变对于本研究评价影响不大。基于不同水力计算模型的组合，对影响天然气-凝析液长输海底管道压降的气体流量、出口背压、气油比和粗糙度等4个因素进行敏感性分析。

图2 管道压降随流量的变化关系

采用不同水力计算模型预测的管道压降随流量的变化关系如图2所示，可以看出：当气量依次递增时，各水力模型预测的压降递增。气量越大，使用各模型计算的压降值的相对偏差越大。在气量为500×104Sm3/d，1 000×104Sm3/d和1 500×104Sm3/d时，Beggs and Brill(Rough Pipe)和Xiao et al Film Modified模型计算的压降最大，B-B-R模型计算的压降最小。在100×104Sm3/d时，各模型计算的压降相差不大。其中，B-B-R模型计算的压降最大，Xiao et al Film Modified模型计算的压降最小。

综合各水力计算模型的特点，Xiao et al Film Modified模型对流速更敏感，可能是导致其在大气量条件下预测压降最大，而在小气量条件下预测的压降最小的原因。Beggs and Brill(Rough Pipe)由于放大了粗糙度的影响，使其预测的压降值比其他模型高。

由表2可以看出，采用二氯甲烷1∶1萃取得到小米酒中可挥发性风味成分，香气成分物质总共有10种；其中，醇类4种，占总含量的88.028%；酯类6种，占总含量的10.673%；酚类1种，占总含量的1.299%；醇类是小米酒香气的主要成分，占总含量的88.028%，含量最高的是异戊醇，占总量的63.581%，无色液体，杂醇油气味，香蕉味；其次是2，3-丁二醇，其占总量的11.827%,其可起缓冲作用，给酒增加绵甜、回味和醇厚感[9]。酯类是黑米酒香气的重要成分，占总含量的10.673%。黑米酒香气成分中还含有一定量的酚类物质，占总量的1.299%，酚类物质具有抗氧化等作用。

采用不同水力计算模型预测的管道压降随出口力的变化关系如图3所示，可以看出：当出口压力依次增加时，各水力模型预测的压降随之降低。在出口压力2 000～4 000 kPaA时，Beggs and Brill(Rough Pipe)模型计算的压降最大；在出口压力为3 000～5 000 kPaA时，B-B-R模型计算的压降最小。此外，当出口压力增加时，各模型计算的最大压降值与最小压降值之差有增大的趋势。

图3 管道压降随出口压力变化关系

采用不同水力计算模型预测的管道压降随气油比的变化关系如图4所示，可以看出：在相同气量条件下，使用各水力模型预测的压降随着气油比的增大而降低。气油比越大，各模型预测的压降越小，反之越大，其中，在相同的气油比条件下，Oliemans Mechanistic模型预测的压降最小，Hughmark & Dukler模型预测的压降最大。随着气油比的降低，Hughmark & Dulker模型预测的压降值较其他模型的增量更加明显。

图4 管道压降随气油比的变化关系

综合各水力模型的特点可知：Hughmark & Dukler模型适用于气油比较低的条件，在该条件下，液体重力起主导作用并决定了压降的大小。

采用不同水力计算模型观测管道压降粗糙度的变化如图5所示，可以看出：当粗糙度依次增加时，除Hughmark & Dukler模型和B-B-R模型外，其他模型预测的压降值依次增加，其中，Beggs and Brill(Rough Pipe)模型预测的压降值最大，Eaton & Oliemans模型预测的压降值最小。Hughmark & Dukler和B-B-R模型预测的压降值与内壁粗糙度变化没有关系，但Hughmark & Dulker模型预测的压降值大于B-B-R模型预测的压降值。

图5 管道压降随内壁粗糙度的变化关系

综上所述，Eaton & Oliemans模型、Oliemans Mechanistic模型和Xiao et al Film Modified模型可以用于天然气-凝析液长输海底管道压降的预测。

4 工程实例分析

为了评价各水力计算模型在工程项目应用中的适应性，对海上某凝析气田的一条126 km的12英寸天然气-凝析液钢制海底管道的现场实测压降与第3节中使用不同水力计算模型预测的压降值进行对比分析。该海底管道路由地势比较平坦，管内壁粗糙度按0.05 mm考虑，输送的介质为脱水后的天然气和凝析油，凝析油密度为775～800 kg/m3，分子量140～145。输送介质组分见表2。

表2 天然气组分 %

表3为从现场采集的某天然气-凝析液长输海底管道实际运行参数。

表3 某天然气-凝析液长输海底管道实际运行参数

由表3可知：该天然气-凝析液海底管道正常运行时的气油比范围是15 000～16 000 m3/m3，属于高气油比类型。海底管道入口操作压力范围为6 497～6 827 kPaA，入口操作温度范围为27.4 ℃～29.3 ℃；出口操作压力范围为3 871～4 337 kPaA，出口操作温度范围在15.4 ℃～19.4 ℃。

根据现场采集的该海底管道实际运行输量、入口操作温度和出口压力参数，使用不同水力模型预测的管道压降值见表4。

表4 使用不同水力计算模型预测的管道压降值 kPa

图6为不同水力计算模型预测压降值与现场实际运行数据的比较，可以看出：各水力计算模型预测的压降趋势与实测数据的变化趋势相同。Eaton & Oliemans模型、Oliemans Mechanistic模型、Xiao et al Film Modified模型和B-B-R模型预测的压降与实测压降接近，Hughmark & Dukler和Beggs and Brill(Rough Pipe)模型预测的压降比实测压降偏差较大，B-B-R模型预测的压降比实测压降小，其余模型预测值均大于实测值。

图6 不同水力计算模型预测压降值与现场实际运行数据比较

将预测值与实际值的误差百分比进行汇总，如图7所示，可以看出：Eaton & Oliemans模型、Oliemans Mechanistic模型和Xiao et al Film Modified模型预测的压降与实测压降的相对误差约为4%～15%。Xiao et al Film Modified模型预测的压降相比Eaton & Oliemans和Oliemans Mechanistic模型预测的压降值偏大。Eaton & Oliemans和Oliemans Mechanistic模型预测的压降与实测压降偏差在10%左右。

图7 不同水力计算模型预测压降与实测压降相对百分误差比较

当管道中液体负荷较低时，对压降起主要作用的是摩擦阻力，这时气体与管壁、液体与管壁和气、液相间的摩擦因素影响海底管道的压降。B-B-R和Hughmark & Dukler模型与管内壁粗糙度无关，不符合天然气-凝析液管道压降预测的影响因素。

Hughmark & Dukler模型不适用于本文所述的天然气-凝析液的高气油比系统，其预测的压降值与实际压降偏差达55%。B-B-R模型基于气、水介质的小管径试验环境，该模型预测的压降与实测压降偏差虽然不大，但为负偏差。引入与粗糙度关系的Beggs and Brill(Rough Pipe)模型预测的压降与实际压降偏差为35%左右，难以满足工程设计需求。

5 结 论

本文归纳总结典型多相流水力计算模型的适用范围和特点，结合天然气-凝析液海底管道压降预测的影响因素，采用敏感性分析法对不同水力计算模型进行评价，得到以下主要结论：

(1) Eaton & Olieman和Oliemans Mechanistic模型可以用于天然气-凝析液长输海底管道压降预测。

(2) B-B-R与Hughmark & Dukler模型预测的压降与管内壁粗糙度无关，不适用于天然气-凝析液这种低液体负荷的系统。

(3) 考虑到不同水力计算模型预测压降的差异性，建议在实际应用中进行水力计算模型的研究与评价，并将模型比选作为一项标准程序。

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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 伟(1986-)，男，工程师

TE832

A