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OLGA全动态多相流模拟软件


全动态多相流模拟系统
The Transient Multiphase Flow Simulator

OLGA是当今世界领先的全动态多相流模拟计算软件,可以模拟在油井、 输油管线和油气处理设备中的油、气和水的运动状态

复杂的海上油田开发 使用贯穿整个项目周期:

海底混输管线

陆上油

田开发 及油气集输

概念设计-> 可行性研究-> 详细设计-> 运行管理

Pr drainage boundary Pwf
well head

Pressure losses
separator

riser Facilities base
flow line

Pwh

Production

OLGA

P riser base

P sep

well bore Reservoir

? OLGA的开发背景
1980: IFE开始程序的开发

1983: SINTEF启用长距离高压试验环路
1989: SCANDPOWER公司获得OLGA软件商业化的专有权

OLGA——石油界非稳态多相流模拟计算的标准化程序

?实验 —— 模型准确性的可靠保证
?

环道几何尺寸
– 直径:1in到8in,一部分达到30in
– 管道长径比可以达到5000 – 管道倾角从-15到90

?

压力从1到100bar
实验介质可以包括各种流体

?

? OVIP
OLGA Verification and Improvement Project
?

最大的多相流数据库
– 来自实验室的10000数据点
– 30个气相/凝析液管道数据

– 15条较低气油比管道数据
– 来自不同源的油井数据
?

参加者
– 8-15 石油公司
Statoil, Total, Agip, ExxonMobil – IFE和Scandpower

? 非稳态多相流模拟面临的主要挑战
? 多相混输的动静态水力计算 – 管道尺寸和路径 – 液相处理设备的容量 – 液体产量的控制 ? 正常操作 ? 增产和减产 ? 清管器的操作 ? 关井和停产再启动过程 ? 管线增压和卸压过程 – 沿管道的压力降 ? 水合物, 结蜡 ? 管道腐蚀

? 多相混输中常见的问题 – 水
液体容易聚集在管道较低的位置, 水会和油分离并滞留在管道的底部
PIPELINE WATER HOLDUP PROFILE
Elevation (m) 20 1600
Elevation

Water Holdup (%)

15 10
Water Holdup

1200 800 400 0 80000

5 0 0 20000 40000 60000

Pipeline Distance

? 多相混输中常见的问题–段塞流
液体在管道出口的流量
Trend data
TOTAL LIQUID MASS FLOW OUTLET [kg/s]

400

350

300

250

200

kg/s

150

100

50

0

-50

-100 0 500 1000 1500 Time [s] 2000 2500 3000 3200

C:\OLGA-2000\Testcases\hy dr-slug-3phase.inp

? 多相混输中常见的问题–产量变化
– 产量增加,管线中的滞液率减少 – 产量变化会引发段塞流

Initial am ount

Liquid Inventory

A ount m rem oved

F inal am ount

G P as roduction R te a

? 多相混输中常见的问题–关井和重新开井
关井和重新开井的过渡过程
– 关井后液体在重力的影响下重新分布 – 停产再启动后不断增加的流量可能会引起段塞流

A-Liquid Distribution After Shutdown shutdown
gas liquid

Flowrate

B-Gas and Liquid Outlet Flow

? 多相混输中常见的问题–地形引起段塞
? 地形引起的段塞流
– A: 液体聚集在地势低的地方, 堵 塞了流动, 液体逐渐增加 – B: 在堵塞点的上游压力增加 – C&D: 当压力高到一定程度, 气体 将低处的液体推出去,形成了一个 液体段塞 ? 地形引起的段塞流可能会在管道出口 处引起相当严重的压力及液体流量波 动 地形引起的段塞流是非稳态的, 必须 用动态模拟软件来预测其流动过程
A. Slug formation C. Gas penetration

B.Slug production

D. Gas blow-down

?

? 多相混输中常见的问题–清管器模拟
清管器模拟
– 随着清管器在管线中推进, 将会有大量液体聚集在清管器前部.清管器 将会带出大量液体 – 优化清管器操作

A: Slug build-up

gas
B. front arrival
Flowrate

A

B

liquid C

D

C. slug surface

D. Pig arrival

Tim e

? 多相混输中常见的问题–流量和流动稳定性
流动稳定性取决于管道进口流量
25
10 kg/s mixture 15 kg/s mixture

20 Liquid flow rate at riser top (kg/s)

Flowline profile

15

10

5

0 0 20 40 60 Time (min) 80 100 120

? 多相混输中常见的问题–控制水合物
? 对管道做绝热保护
– 通常用于比较短的和中等长度的管线

– 较长的凝析油一般不用这种方法

? 管束
– 复杂的管束可用于深水管线系统 – 通常用于立管以及比较短的和中等长度的管线

? 注入化学剂阻止水合物的生成
– 一般用于凝析油系统 – 用于输油管线的关键部位和操作的关键阶段 例如井口 关井 - 冷却 - 开井

? OLGA? – 工艺处理设备
?

OLGA? 可以模拟的工艺处理设备
?

?
? ? ? ? ? ?

段塞捕集器 多相流分离器 气体压缩机 多相流泵 控制器 阀门 清管器 换热器
?

和其他设备模拟软件连接
? ? ? ? ?

HYSYS Dynamics (Aspentech) UniSim (Honeywell) D-SPICE (Kongsberg) INDISS (RSI)SET (Kongsberg) Dynsim (Invensys)

? OLGA? – 安全分析
? ? ? ? ?

跟踪危险气体 过压保护 管道断裂或泄漏 阀门误动作 控制最低温度

? ? ?

压力波动 水锤 计算泄压过程中释放的流量

?

换热器内漏

? OLGA? –多相流动态模拟和分析模块
三相流基 本平台 段塞跟 踪模块 组分跟踪 模块 三维热 传导模 块 蜡沉积 模块 复杂流 体模块 水合物 动力学 模块

MEG 跟 踪模块

腐蚀模块

多相泵

高级井 模块

MATLAB Toolbox

PVTsim

稳态模块

? 三相流基本平台(Basic Module)
该模块提供含水三相管流计算的功能是OLGA运行的基本平台,OLGA运行的 基础,OLGA的其他的模块需要插入到该平台中运行。
Batch Module 是整个软件的核心和灵魂,其中包装了OLGA计算模型,而 且该模型是在长期的大量的实验和现场数据校验的情况下封装的,正因为O LGA模型的实验环境和研发过程的先进性决定了该模型为当前管道工业界最 先进的模型,并且成为业界的多相流管道模拟计算的标准。 Server Module 为OLGA软件运行于网络中提供了数据管理,资源调度,多 用户系统环境。 GUI Module 是一个OLGA系统的图形用户界面,提供了人机交互建模,动态 曲线分析,参数敏感性研究,报告结果打印输出等各种基础功能,同时还 提供了大量的关键字,可以让用户将各种工艺控制设备定义到系统当中。 Geometry Module 交互定义管道高程走向,快速粗化地形测量数据,形成 管道地形分布走向模型。

? 段塞跟踪模块(Slugtracking Module)
?

跟踪每个段塞 ? 从生成到从管线流出或在管线里消失 的独特功能 ? 考虑段塞形成、合并、增长和缩短的 各种机理 产生段塞流的不同机理 ? 水力段塞流态 ? 地形起伏 ? 停输再启动 ? 产量变化 ? 清管 计算段塞长度

?

?

? 组份跟踪模块(Compositional Tracking)
能确定流体组分的动态变化及每个组分沿管线的分布(时间和空间)

沿管线的流体组分由于如下原因可 能会发生变化 ? 滑脱影响(相间速度差) ? 界面质量传输传递 ? 不同流体汇合入管网 ? 入口处流体组分的改变
组分模型通过求解每一成分分布在 气相、油层、水层、油珠、水珠 里的物质守恒方程,跟踪组分随 时间和位置的变化。 组分相关的典型情况 ? 管网输送不同流体 ? 停产再启动过程 ? 注气/气举/气体质量跟踪 ? 入口和源的组分变化 ? 卸压过程 ? 地形段塞/安全分析

? 蜡沉积模块(Wax Module)
动态预测管线及油井里蜡沉积的独特工具
?

OLGA的蜡沉积模块具有计算蜡质成分沿管线 传输和沉积过程的功能。当内管壁温度低于 结蜡点时,蜡质通过分子扩散沉积到管壁上。 当油温低于结蜡点时,蜡质从油中析出。
影响
? ? ?

?

增加管壁粗糙度

管径减小
由于固体蜡颗粒的沉积油相表观粘度增加 隔热/加热

?

预测是否需要
? ? ?

注化学剂
清管器清蜡

? 腐蚀模块(Corrosion Module)
计算油气管内二氧化碳腐蚀速度 一个重要用处是能预测哪些位置的腐蚀问题比较严重
?

?

应用腐蚀模块,可预测由于压 力、温度、流速及流态变化而 引起的腐蚀速度变化。 OLGA算出的流态被用来计算管 壁中的油水接触面。用流动模 型计算出来的压力,温度, 液 体流速,管壁剪切力来计算腐 蚀速度。 计算下列pH值: ? 不含腐蚀产物的凝析水 ? 被炭酸铁饱和的凝析水 ? 给定炭酸氢盐浓度的地层水

下列三种常用的二氧化碳腐蚀模型 可供选择:

–de Waard 1993 –de Waard 1995 –Norsok M-506

?

? 水合物动力学模块(Hydrate Kinetics Module)
SEP GAS PT1 SEP GAS Hydrate PT Curv e BOTTLE A#16000 EOS = SRK Peneloux

水合物动力学模块可以预测 ? 水合物平衡曲线 ? 水合物形成速率 ? 运移方程 -水合物流变性
-水合物流动模型

200

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0 0 5 10 癈 15 20 25

生成水滴 Gas Oil Water

水合物增长

水合物结块

堵塞管道

时间, 距离

水合物颗粒

? 化学剂追踪模块(MEG Tracking)
?

跟踪MEG沿管道的聚集和分布
确定管道中MEG的总量


?

MEG随产量变化


– –

管道中需要的MEG量
到达处理设备时的MEG量 装置在此流量下能否运 行?

?

确定是否有足够的MEG存在来 防止水合物形成

? 三维热传导模块(FEMtherm Module)
采用有限元法模拟管束,埋地管,复杂立管中的流体和传热介质之间的瞬变传热
?

应用 ? 计算管束横切面温度分布,分析隔热 介质的作用 ? 研究同一管束里各个管之间的热交换, 例如分析关井期间和启动时加热 ? 研究埋地管外部土壤里的温度场 计算下列过程的瞬变温度分布 ? 正常生产 ? 关井 ? 驱替 ? 投产

?

? 高级井模块(Advanced Well Module)
该模块模拟井筒内瞬态多相流
?

高级井模块是专门为油气井流动分析而开发的。该模 块特别适用于模拟油藏参数和流动关系密切的系统。 油藏流动关系由渗透率、液体物性、油藏大小来确定; 也可以从对油井实施压降/压力恢复试井得到。 该模块含有模拟钻井的选项。可用该选项进行钻井过 程中传热和流动计算。钻井选项能计算同心管或附管 内的流动(如气举)。采用移动网格法计算钻井过程 中在钻杆中的流动。 典型场合
? ? ? ? ? ?

?

?

钻井过程的传热和流动计算

环形空间流动,气举
生产和测试井的停产启动过程 注入井(水、气交替注入) 钻井过程中压力控制(如欠平衡钻井) 井喷模拟

?多相泵模块(Multiphase Pump Module)
?

优化多相增压,设计和操作分析

?

模块使我们能详细地模拟离心泵或体

积泵。泵的特性以表格的方式给定。
用户可以输入泵特性表。如果缺少所 要泵的特性,可以用程序内含的典型 泵特性。

?

可以用控制器调节泵速和回流流量, 用户可以选择的回流为气、液体、水

或所有多相混合液

? 复杂流体模型模块(Complex Fluid Module)
非稳态多相流中的独特工具,能判断非 牛顿流是否会给稳定性、持液率及压降 造成严重影响
?

象剪切稀释及屈服应力这样的非牛顿现象可能会 对多相流产生很大的影响, 改变生产系统的流动 稳定性, 引发非稳定多相流。

?

就是水平流动, 在一定的条件下,压降会随产量的 增加而下降。这种现象, 再加上实际管线起伏变 化由于重力引起的不稳定性, 可能产生非稳定流, 扩大出现流动振荡的范围。

?

取决于流变性, 粘度的增加使流动向层流靠拢, 从而增加气液之间的滑脱, 最终导致倾斜管中的

持液量更多, 压降更大。

在下列情况下, 流体可能会出现非牛顿现象 ?重油 ?含蜡油 ?乳状液 ?水合物混合物

? PVT sim
? ?

应用于OLGA的PVT软件包 由于产液的特性化和物性计算是流体计算的基础,故而SCANDPOWER公司和著名的 CALSEP公司流体物性和相平衡专家有着紧密的合作。OLGA程序包里采用CALSEP公 司的物性分析计算程序PVTSIM。 可实现以下计算过程:
? ?

?

PVT 模拟 水合物相平衡计算

?
? ? ? ? ? ?

结蜡预测
沥青质沉淀计算 结垢计算 多相闪蒸计算

先进的拟合计算
单元过程 PVTsim Wax

? OLGA用户列表


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