高含水油氣水三相流混輸管道壓降計算研究

王興旺，孫 晁，程國鋒，劉 鵬

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高含水油氣水三相流混輸管道壓降計算研究

王興旺1，孫 晁2，程國鋒3，劉 鵬1

（1. 東北石油大學 提高油氣采收率教育部重點實驗室，黑龍江 大慶 163318; 2. 中石油山東輸油有限公司，山東 日照 276800; 3. 川慶鉆探公司長慶石油工程監(jiān)督公司，陜西 西安 710021）

油氣水三相混輸管道的壓降計算是油氣管道設計和生產(chǎn)運行方案制定的基礎。為了評價并提高不同壓降模型的計算精度，設計了一套能準確監(jiān)測某油田油氣水混輸管道運行參數(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在此基礎上，對常用的Beggs-Brill模型進行了壓降計算，但存在較大誤差。采用最小二乘法對模型進行修正，Beggs-Brill修正模型將誤差由32.79%降低到9.54%，Beggs-Brill修正模型有效提高了計算精度。

油氣水三相流； 水平管； 壓降計算； 最小二乘法

油氣水三相混輸管道的壓降計算是油氣管道設計和生產(chǎn)運行方案制定的基礎[1]。為了提高其計算精度，許多學者開展了相關方面的理論研究，這些研究主要包括以下兩方面[2-6]：一是假設油水兩相為均勻混合的單一液相，采用氣液兩相流方式進行研究；二是假設油水分離流動，建立雙流體或三流體模型進行研究。

實際應用表明，無論采用哪種壓降計算方法，油氣水混輸管道壓降計算值與實際值均存在較大偏差，對管道設計和生產(chǎn)運行方案制定造成了不利影響。針對該問題，本文依托現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)，對常用氣液兩相流壓降模型Beggs-Brill模型進行修正，有效提高了其計算精度。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

為了有效獲取管道實際運行參數(shù)，針對現(xiàn)場實際工藝流程，設計了一套操作簡單、測量準確的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括三部分：（1）井口溫度和壓力數(shù)據(jù)采集部分；（2）計量間溫度和壓力數(shù)據(jù)采集部分；（3）產(chǎn)液量、產(chǎn)氣量和摻水量數(shù)據(jù)采集部分。其工藝流程如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程圖

以W1井為例，闡述系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集過程：（1）正常運行時，閥門2、4打開，中轉(zhuǎn)站來的熱水流至井口，與油井產(chǎn)出液混合經(jīng)三通1流入?yún)R管；此時閥門7關閉，防止油氣水混合物進入計量裝置；閥門3、5、6均關閉，防止熱水進入摻水測試系統(tǒng)；（2）測量產(chǎn)液量及產(chǎn)氣量時，將三通1向上打開，W1井產(chǎn)出液流至氣液分離器進行氣液分離，分別測量液體流量和氣體流量；（3）測量單井摻水量時，關閉閥門4，打開閥門3、5、6，通過流量計Q測量W1井的摻水量，其它閥門在正常運行時的位置。為了保證每口試驗井數(shù)據(jù)的準確性，試驗期間對每口試驗井進行多次間隔量油、量氣和取樣測試含水率。

1.2 油田某區(qū)塊管道運行數(shù)據(jù)采集

采用油氣水三相流管道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對油田某區(qū)塊6個典型計量間所轄60條管道的生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)進行了監(jiān)測。監(jiān)測時間從2015年1月到2015年12月，數(shù)據(jù)采集時間間隔為1 h。

通過統(tǒng)計分析60條管道的溫降和壓降數(shù)據(jù)可以看出，管道的溫降和壓降均在一定范圍內(nèi)波動，溫降的波動范圍為2.2~4.5 ℃，壓降的波動范圍為0.2~0.4 MPa。管道冬季的溫降大于夏季的溫降，因為冬季的環(huán)境溫度低于夏季；管道冬季的壓降也大于夏季的壓降，因為冬季環(huán)境溫度偏低，為了保證油井產(chǎn)出液安全輸送，需要增加摻水量，從而導致管道壓降增大。

圖2和圖3分別為井2G173-164到計量間B21503、井2G174-63到計量間B21504兩條管道的溫降和壓降統(tǒng)計結(jié)果。

圖2 溫降曲線

圖3 壓降曲線

2 常用壓降計算模型

油氣水多相流混輸管道流型變化多、相態(tài)間能量損失大、流動不穩(wěn)定，工程上一般選取Beggs-Brill模型[10]計算混輸管道的壓降。

2.1 Beggs-Brill模型

Beggs-Brill模型計算式

其中流型的判斷，截面含液率和水力摩阻系數(shù)的理論計算詳見文獻[10]。

2.2 實例計算

在集輸管道運行管理過程中，掌握井口壓力狀況十分重要，因為井口壓力過高，容易導致抽油機光桿盤根漏失、光桿脫卡、電機過載。但因為井口分散，測量儀表不完善，測試很不方便，因此需要根據(jù)計量間壓力計算井口壓力。采用Beggs-Brill模型計算油田某區(qū)塊60口井的井口壓力結(jié)果如圖4所示。Beggs-Brill模型計算結(jié)果的相對誤差，如圖5所示。

圖1 Beggs-Brill模型計算井口壓力結(jié)果

圖2 Beggs-Brill模型井口壓力相對誤差

通過分析比較油田某區(qū)塊60口井的井口壓力結(jié)果及相對誤差可以發(fā)現(xiàn)，Beggs-Brill模型計算的平均相對誤差為32.79%，計算誤差較大。

3 壓降計算模型修正

根據(jù)圖5可知，采用Beggs-Brill模型計算該區(qū)塊的井口壓力值與實測值相差較大，平均相對誤差大于15%，無法滿足工程實際的需要，因此有必要對Beggs-Brill模型進行修正。

3.1 Beggs-Brill模型修正

Find、

借助Lingo軟件求得Beggs-Brill模型的修正結(jié)果為：

3.2 壓降修正結(jié)果及分析

運用修正后的Beggs-Brill模型，分別對油田某區(qū)塊內(nèi)60口井的井口壓力進行計算，計算結(jié)果及誤差分析如圖6-圖8所示。

圖3 Beggs-Brill模型修正后井口壓力計算值

圖4 井口壓力相對誤差

通過修正前后的Beggs-Brill模型對油田某區(qū)塊油氣水三相混輸管網(wǎng)井口壓力進行計算的結(jié)果可以看出，Beggs-Brill模型修正前的平均相對誤差為32.79%，修正后的平均相對誤差為9.54%，修正效果較顯著。

圖5 井口壓力誤差分布

另外，由修正前后的起點壓力相對誤差圖及誤差分布圖可以看出，采用Beggs-Brill模型計算，修正前有23條管道相對誤差在15%以內(nèi)，修正后有48條，所占樣本管道總數(shù)比例由38.33%提高到80%，修正后的Beggs-Brill模型有效提高了模型的計算精度。

4 結(jié) 論

（1）設計了一套能夠準確監(jiān)測該油田混輸管道的壓力、溫度、產(chǎn)液量、產(chǎn)氣量和摻水量的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

（2）采用Beggs-Brill模型對該油田混輸管道進行了壓降計算，其平均相對誤差為32.79%，誤差較大。

（3）運用最小二乘法將Beggs-Brill模型進行了修正，壓降模型修正后的計算精度明顯高于未修正的計算精度。

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Study on the Calculation of Pressure Drop in Oil-Gas-Water Three-phase Flow Pipeline With High Water Content

1,2,3,1

（1. Key Laboratory for Enhanced Oil & Gas Recovery of the Ministry of Education, Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China；2. CNPC Shandong Oil Transportation Company, Shandong Rizhao 276800, China； 3. CNPC Chuanqing Drilling Engineering Changqing Petroleum Engineering Supervision Company, Shaanxi Xi'an 710021, China）

In order to evaluate and improve the accuracy of different pressure drop models, a set of accurate data acquisition system was designed to monitor the operation parameters of oil-gas-water multiphase pipelines in the oil field. On the basic of collected data, the pressure drop was calculated by Beggs-Brill model, but the deviation of calculated results was large. So the model was modified with the least square method. By using modified Beggs-Brill model,the pressure drop calculation deviation was reduced from 33.26% to 9.54%. The modified Beggs-Brill model improved the calculation accuracy effectively.

oil-gas-water three-phase flow; horizontal pipeline; pressure drop calculation; least square method

TE 832

A

1004-0935（2017）04-0363-04

東北石油大學研究生創(chuàng)新科研項目資助（YJSCX2016-009NEPU）

2017-03-31

王興旺（1990-），男，黑龍江省大慶市人，東北石油大學石油與天然氣工程專業(yè)，研究方向：油田污水處理技術。