陵76區塊單井集油管線壓降模型研究

劉 影

（中國石化江漢油田分公司江漢采油廠，湖北 潛江433123）

1 概 述

陵76區塊現有生產油井9口，平均日產液225t，平均日產油15t，綜合含水93.3%。為了改善中高含水區塊的經濟開發效果，亟需在油氣集輸系統中開展管網布局優化調整工作。抽油井單井回壓的合理控制是集輸系統優化調整的前提和基礎，所以，有必要開展單井集油管線壓降模型的研究工作，為管網布局優化和集輸模式的調整提供科學的依據和方向。

2 單井集油管線流態的識別

為了研究高含水期油氣水在管內的流動特性，設計出適合現場實際的試驗裝置流程，并在陵76區塊的集輸現場進行了安裝調試（圖1）。

圖1 現場試驗裝置工藝流程圖

現場試驗所用介質均為實際油氣水，所用管道為現有埋地井口到計量站間的集油管道，所用設備，除流態測試外，一般都是計量站現有設施。在油水混合物從集油管線到計量站，再從計量站進入試驗裝置的過程中，分別測試出產液量、壓力、溫度和流態，并拍攝典型的流態圖。具體工作流程為：①正常運行時，產出液經三通1流入匯管，此時閥門5和三通2關閉，防止油水混合物進入計量裝置及流態試驗裝置；②測量液量時，打開三通1，產出液至分離器進行油氣分離，測量液體流量；③測試集油管道內油水流動狀態時，將三通1、2和3打開，閥門5關閉，油水混合物進入流態測試裝置，進入透明管道，然后從閥門3流入匯管。

該套裝置可以通過流程切換，觀察到計量站所轄任何一口井的實際流動狀態。利用攝像機可以拍攝到不同單井集油管線的流態圖，例如，陵76－6－1井O（O／W）＆W分層混合流流態（圖2），陵76－7－2井O／W分散流流態（圖3）。

圖2 陵76－6－1井O（O／W）＆W分層混合流流態

圖3 陵76－7－2井O／W分散流流態

在陵76井區，類似陵76－6－1流態的有陵76－6－4、陵76－6－5、陵76、陵76－5－8、陵76－7－2、陵76－斜－2，類似陵76－7－2流態的有陵76－6－2。

觀察可知，陵76井區所轄9口井集輸管線油流的流態多為分層混合流，當油井產液量足夠大，含水率在95%以上時會出現分散流。雖然是在陵76區塊針對高含水單井集油管線開展的研究，但對性質相似的輸送介質，或具有相近的流動參數的集油管道，該結論也具有較好的適應性。

3 單井集油管線流態的判斷

根據流態轉化理論，流態發展一般由低速下的油水分層流開始，當兩相的折算流速繼續增加時，在較低含水率下流態轉化為W／O＆W混合流態，在較高含水率下轉化為O＆O／W＆W流態。繼續增加混合物流速，會形成O／W＆W混合流態，最后還可能發展到O／W分散流態。

利用油相和水相的折算速度以及單井的含水率判別高含水單井集油管線的流態，可以得到如下結論：①當油水混合物的速度Um＜0.15m／s（對應單井產液量約為25t／d），體積含水率在40%～98%時，多形成O（O／W）＆W分層混合流流態；②若混合物流速增大，即當單井產液量繼續增大，含水超過98%時，易形成O／W分散流態。

4 單井集油管線壓降模型研究

4.1 單井集油管線壓降模型的建立

4.1.1 分層混合流壓降模型

根據高含水時的油水兩相流動對管路壓降的影響程度比低含水時要小的特點，建立無相間滑差的分層流模型。將油、水兩相分層流動假設為一維穩態流動，水平管內流體所受合力為零，油水兩相的壓力梯度可視為油水混合的壓力梯度。由單位壓降計算方程：

式1中：

τo－油相與壁面剪切應力，Pa；

So－油壁接觸長度，m；

τw－水相與壁面剪切應力，Pa；

Sw－水壁接觸長度，m；

A－管道截面積，m2；

Dp／dx－單位長度壓降，Pa／m。

油水各相與壁面間的剪切應力關系式為：

式2中：

fo／w－范寧摩阻因數；

ρo／w－油相和水相密度，kg／m3；

Uo／w－油相和水相的速度，m／s；

τo／w－油水各相與壁面間的剪切應力，Pa。

根據式1、2，可求得截面形狀參數，即可得到分層流的壓力梯度，進而求得管路壓降。

4.1.2 分散流壓降模型

根據高含水期油水兩相流可視為單相牛頓流體或非牛頓流體來求取壓降值的理論，建立均質模型，其水平管內沿管路的壓降為：

式3中：f－范寧摩阻因數，f＝cRen（層流n＝1，c＝16；紊流n＝0.2，c＝1.6）；ρm －混合密度，kg／m3；L－管長，m；D－管徑，m；Um－混合流速，m／s；Δp－沿管路的壓降，Pa。

4.2 單井集油管線壓降模型的驗證

運用VB語言分別編寫與分層混合流壓降模型和分散流壓降模型相對應的計算程序（該程序可直接輸入參數進行計算）。從自編計算軟件的界面可以看出，分層混合流壓降預測計算程序界面與分散流壓降預測計算程序界面是不同的（圖4）。

圖4 單井集輸混輸管道壓降預測計算軟件界面

將實測流態及參數進行處理后，代入相應的壓降模型進行計算，并將計算的結果與實測的結果進行對比（表1）。

預測集輸管線壓降時，先根據產液量估算出采出液混合流速，再結合含水率數據，由前面給出的流態識別方法判斷單井集油管線流態，然后選用相應的壓降模型進行計算。從表1中可以看出，建立的壓降模型能夠較好地應用在高含水單井集油管線上，壓降平均誤差為9.7%。

表1 壓降計算分析

4.3 單井集油管線壓降模型的敏感參數分析

從建立的單井集油管線壓降模型中可以看出，單井集油管線壓降主要受單井產液量、采出液含水率、油相粘度等因素的影響。參考陵76－6－1參數，分析模型對各參數的敏感性。

1）產液量的影響。油井產液量一般在10～25t／d，每間隔2t／d計算一次，發現產液量的變化對單位壓降的影響較大，隨產量的遞增，單位管長的壓降明顯變大。

2）含水率的影響。油井采出液含水率一般為70%～100%，每間隔5%計算一次，發現含水率的變化對壓降的影響較大，含水率越大，單位管長的壓降變小。

3）油相粘度的影響。江漢油區采出液動力粘度在30℃左右時一般為10～90mPa·s，每間隔10mPa·s計算一次，可以看出，雖然單位管長壓降發生較大的變化，但是其影響要小于前兩個因素對壓降的影響。

從以上分析可知，單井產液量、采出液含水率對單位管長壓降的影響較大，油相粘度次之。

5 結論

陵76井區所轄9口井集輸管線油流的流態多為分層混合流，通過對高含水單井集油管線流態的判斷，建立分層混合流和分散流二種壓降模型。驗證結果表明，研究建立的壓降模型能夠較好地應用在高含水單井集油管線上，同時，利用該壓降模型也可進行相關敏感性參數的研究分析。

［1］章龍江.國外油氣水三相流流動形態研究的新進展［J］.油氣田地面工程，1998，17（04）：06－08.