油气混输管线的优化设计

摘 要：为降低原油集输的自耗气量，合理利用油田气资源，从二十世纪70年代到80年代我国胜利、中原、辽河、大庆等油田相继开展了油气水混输不加热输送工艺的试验研究。油田工业自耗气与油田新兴的化工用气供需不平衡矛盾日趋尖锐。为了缓解此矛盾，急需研究相应的热力计算方法，开发不加热集输辅助运行管理软件，为油田实施和推广不加热集油提供技术支持，以便进一步提高油田整体经济效益和油气资源综合利用水平。

关键词：单管 环状 混输管道 流型 不加热集输

【分类号】：TE988.2

1 设计的背景、目的和意义

我国很多油田开采出来的原油粘度高，凝固点高，含蜡量高，大都属于高粘易凝原油。通常，当油温接近或低于凝固点时，高粘易凝原油都成糊状，流动性极差[1]。另外，注水开发的油田，不可避免地要采出含水原油。由于原油中存在天然的乳化剂，而油水混合物又要通过一些会造成高速剪切的设备，如泵、油嘴、阀等，这就导致在矿场集输管路中输送的多是油包水型乳状液，其粘度要比纯油高得多，且低温流动性变差。为了便于油气的收集和输送，对于这些高粘易凝原油，要采取一定的工艺措施，使它能在允许的压降条件下在管内顺畅地流动。由于我国很多油田原油物性差异很大，因而，集油工艺方式也多种多样。此次研究我们使用的是单管环状掺水集油工艺。

单管环状掺水集油工艺，油从环的一端进站，另一端由集油站掺入一定量水，掺入水是三相分离器脱除后的活性水，在适当的温度和机械剪切作用下，使油以小的滴状分散在水中，被油水界面间的薄膜所包围，形成水包油型乳化液，从而使油与管道内壁间的摩擦及油和水间的内摩擦，改变为水与管道内壁间的摩擦和水与水间的内摩擦，大大地降低了管路输送时的摩阻。并且针对单管环形掺热水集油流程，给出了系统的水力、热力参数，包括流量、含水率、压力、温度、比热等的计算方法，以系统的热耗、电耗及投资为目标，以压力、温度、管径取值范围为约束条件，建立了系统参数多目标优化数学模型，并给出了求解方法。通过温降和压降的计算可以优化集输系统，减少能量损失，节约能源，降低工程费用等。

2 不加热集输技术研究现状的概述

为降低原油集输的自耗气量，合理利用油田气资源，经过二十多年不断探索和研究，采用国内外混输不加热集油新工艺、新技术、新设备，已经逐步形成了以下几种具有不同特点的不加热集油工艺[4，5]。

（1） 常规单管自然不加热集油

单管不加热集油是将油井原有的掺水管线停掺扫线，依靠油井生产时的自身压力和温度，将液体通过集油管线输送到计量间。

（2） 双管不加热集油

双管不加热集油是把原有掺水管线改为集油管线，对井口和计量间做局部改造，实现主、副管同时出油。

（3） 常规双管掺常温水不加热集油

以中转站为单元中心，计量间所输送的液量进入“三合一”游离水脱除器进行沉降分离后，一部分水直接进掺水泵且返输到计量间。

（4） 添加原油流动改进剂掺常温水不加热集油

原油流动性能改进剂是改进原油流动性能，促进油水转相的化学药剂。在原油集输过程中应用此药剂，可起到降阻、降粘、降低井口回压的作用，从而达到掺常温水集油的目的。采用化学药剂进行集油是不加热集油技术的新尝试。

（5） 单管通球辅助不加热集油

依靠辅助通球清蜡，实现单管不加热集油。

（6） 单管环状产液不加热集油

单管环状不加热集油流程是将一座计量阀组间的几口井用一条集油管线串联成一个环状的集油方式，环的一端由计量阀组间提供掺水，另一端则把油井生产的油气水集输到计量阀组间的集油管汇中。

3 气液两相管流的处理方法

流体力学的基本方程式，即体现质量守恒的连续性方程和体现运动守恒的能量方程与能量方程式，也都适用于两相流动。对于两相流动，一般应对各相列出各自的能量守恒方程，而且还应考虑两相间的作用，故描述两相流动的方程组要比单相流复杂得多。各国学者在处理这种气液复杂共流时，常作某些假设使条件简化。采用的方法大致可归纳为三类，即均相流模型、分相流模型和流型模型。

（1） 均相流模型

均相流模型是把气液混合物看成一种均匀介质，因此可以把气液两相管路当作单相管路来处理。在均相流模型中做出了两个假设：气相和液相速度相等；气液两相介质已经达到热力学平衡状态，气、液相间无热量的传递，故流体介质的密度仅是压力的单值函数。

（2） 分相流模型

分相流模型是把管路内气液两相的流动看做是气液各自分别的流动。在把流体力学基本方程应用于分相流模型时也做出如下两条假设：气液两相有各自的按所占流通面积计算的平均流速；尽管气液两相之间可能有质量交换，但气液两相介质处于热力学平衡状态，相间无热量的传递。

显然，分层流、波浪流和环状流等流型与分相流模型的假设条件比较相符，但其他流型的偏差较大。

（3） 流型模型

首先分清两相流流型，然后根据各种流型的特点，分析其流动特性并建立关系式，这种处理方法称为流型模型。

显然，流型模型能更深入地揭示两相流各种流型的流体力学特性，故近年来这一分析方法受到理论界的重视并已取得一定的理论研究成果。但是，由于流型分界尚未完全统一，这种模型的理论研究成果还不能普遍的用于实践。

参考文献

[1] 赵洪激，刘扬等.树状双管掺热水集输系统参数优化技术， 石油学报，1997.1.

[2] 李玉星，冯叔初，范传宝.多相数混流管道温降计算[J].油气储运，2001，20（9）：32～35.

[3] 陈家琅.石油气液两相管流.石油工业出版社（北京）.1989（8）：1～136.

作者简介：曹洪亮：男，1985年11月04日出生，籍贯辽宁省丹东市，2009年毕业于大庆石油学院