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油气水的多相混输技术


油气水的多相混输技术
油气水在同一管道内流动的现象在油气田上是经常遇到的, 因为在采油的过 程中多少都会还有一些水分和一些蒸气,所以我们必须研究油气水混输的技术, 这样主要为了节约油气田的地面工程投资以及运行费用, 充分利用伴生气并减少 环境的污染。 随着油气田的勘探开发逐渐转移到海洋、 沙漠、 极地等自然环境恶劣的地区, 多相流技术得到了越来越广泛的应用。 多相混输工

艺也逐步成为了油气储运学科 中的研究热点。 由于多相混输具有许多与单相输送不同的特性,因此必须首先从 理论上充分科学地认识多相流动的特殊规律,才能更好的设计、管理多相混输管 线。 目前, 在多相混输工艺计算与仿真方法研究方面仍有许多值得探索和改进的 地方。 所有世界各国对多相混输工艺计算与仿真中常用的流体热物性模型、流型 划分与判别方法、流动模型、本构方程等方面进行了研究。并对多相流在线仿真 系统作了探索性设计,同时开发了离线多相流工艺计算软件。具体来讲,有以下 几方面的工作:第一部分,通过目前常用烃类流体热物性的研究,得出了求解烃 类流体物性参数的热物性模型。 其中着重讨论了湿天然气、油气两相和油气水三 相混输管路中适用的热物性计算模型。第二部分,从已发表的实验结果和流动机 理出发,总结了目前国内外常见的分析方法,给出了判断油气两相水平、垂直、 倾斜管线流型的具体方法。对于油水两相、气液液三相流管线则给出了水平、垂 直管线的流型判别方法。第三部分,从多相流动基本微分方程出发,通过引入不 同的假设条件,得出了各种计算模型,并给出了相应算法,为多相混输管线的工 艺计算提供了依据,是开发多相混输工艺计算软件的理论基础。第四部分,根据 多相管流的外观特征, 建立了多相流具体流型分析的几何模型。从各流型参数间 的相互关系出发, 总结了求解多相流管路中各流型具体结构参数的方法,并对段 塞流这一特殊流型作了更详细的分析。第五部分,通过对单相在线仿真系统的研 究, 提出了实施多相流在线仿真系统的思路,并对本学科涉及较少的数字信号处 理方面作了详细阐述, 对已开发的离线仿真系统作了软件说明。这些软件开发以 后,有助于工人们更高效率的工作,也为以后的开发做了很好铺垫。 目前我国在油气混输技术也有较大的发展, 特别是我国在长庆油田研究与应 用的同步回转油气混输泵的研究成功,代表了我国油气混输方面的先进技术。长 庆油田使用的同步回转油气混输泵, 采用了独创的气缸与转子之间机械同步运动 的机理, 具有泵和压缩机的双重功能,大幅度降低了由于运动副之间相对运动造 成的机械磨损,实现了连续进、排油气,且泵的进排气压力与系统压力自平衡。 具有结构简单、惯性力小、可靠性高、适应性强、工作范围宽、抗泥沙能力强等 特点。同步回转混输泵在长庆油田投入运行以来,经历了夏天和冬天,特别是在 气温已经下降到-17℃以下,井下的油气比和压力也在不断发生变化,但同步回 转混输泵仍能正常工作。 长庆油田各井场伴生气和原油的压力不同,油气比也不 相同,各井场到联合站的距离不同,造成了混输泵的排出压力也不相同,但是各 井场的同步回转混输泵运转均很平稳。 “同步回转油气混输泵”的开发得到了中 石油、中石化相关部门的大力支持,是真正意义上的“产、学、研、用”成果, 完全由国内自主开发,具有自主知识产权,填补了国内空白,其技术达到油气混 输领域的国际先进水平。 70 年代随着近海石油的大规模开发,油气的需求量也再不断的增长,到了 90 年代,随着海洋沙漠极地油田的开发多相混输技术已成为世界各国研究的热

点。 随着中重质油开采的比例的增大,以及进入中后期开采的油气井的含水量的 递增, 油气的混输技术的难度也在不断的增大,油气水三相流动已经成为各国多 相研究的重点。我国虽然从 60 年代就开始研究气液两相管流,但是研究工作时 断时续,到现在研究基础仍然比较薄弱。现在我国的原油大都易凝高粘,在低温 含水的条件下多为非牛顿流体, 这个问题是一直困扰我国石油运输的问题,因此 我国的多相流研究特别重视油水混合物的流变特性以及油气水的多想流动。 油气混输技术存在的问题及研究方向,第一混输管道流动规律究:1.天然气 凝析液流动研究。20 世纪 80 年代末期,将相态模型引入天然气/凝析液混输管 路的工艺计算中,从此相态模型成为气体/凝析液混输管路稳态、瞬态模拟的必 备模型。在 90 年代瞬态模拟计算取得重大进展,但模型和算法仍有很大的改进 空间。2.油水两相流动研究稠油是世界主要能源之一,世界上估算的资源量为 9000 亿吨,相当于稀油资源的 2.5 倍。我国也有丰富的稠油资源,约居世界第 四位。对于和水两相流的研究,国内外的学者们一直在不间断地进行。然而,由 于涉及的问题多, 目前主要是围绕流型检测、流型及其转换机理和压降预测等方 面开展研究。3.油气水多相流动研究,20 世纪 70 年代已开始了对油气水多相流 的研究,90 年代以来研究更加深入,试验研究已经取得了相当的进展,但仅在 水平管道流型及压降计算研究方面取得了初步的成果。 由于油气水三相流的流型 比两相流复杂得多, 出现了不少新的流型。学者们对流型的研究结果存在一定的 分歧。对于压降计算,目前尚未建立出公认的三相流压降的计算方法。 第二多相计量技术 80 年代末,随着北海、墨西哥湾大型油田的发现和相继 开发, 多相计量装置的开发研制取得了较大的进展。多相流计量基本上可以分为 混合均质多相计量和直接在线计量。Mobil、Atlantic、Texaco、英国BP等公 司的多相流量计, 以及挪威和美国合作开发的LP多相流量计、 挪威公司的 MPFM 和 MPFM-1900 多相流量计、KOS 公司的 MCF 多相流量计、AEA 公司的非插入式多 相流量计等都已在各国海上和陆上油气田得到应用。 第三多相混输泵研究,在油气水多相混输泵方面,国外已研制出了近 10 种 不同类型的多相泵。按照使用场合的不同,分为陆上多相泵和水下多相泵;按照 工作原理的不同, 又可以分为旋转动力式多相泵和容积式多相泵。由于多相流动 的复杂性, 以及泵对流态和含气率的强依赖性,使泵的使用范围受到了很大地限 制。 第四稠油长距离管道输送技术,随着对稠油开采的日趋重视,长距离管道输 送的技术需求更为迫切。尤其是超稠油粘度高,有的加热到 90℃,粘度仍有 104mPa.s 以上,根本无法管道输送。加热输送不可行(加热站大多) ,掺轻质油 很不经济。目前在较短距离(几十公里 km) 、粘度不太高的稠油用掺活性水降粘 可实现管输, 但存在污水处理问题。 因此需要寻求更经济有效的技术途径, 例如, 应用集肤效应管输、加入高效降粘剂、以某种形态的天然气掺加降粘管输,或在 油田就地进行改质达到管输条件等新型工艺技术 现在世界经济发展越来越来迅速,各国需要的石油以及天燃气也越来越多, 导致国际石油公司之间的市场竞争越来越激烈,海洋油田、沙漠油田以及已建油 田的外围边远区块已成为今后石油勘探开发的重点地区,多相混输技术仍将被视 为降低这类油田油气生产成本极具吸引力的一项技术。可以预见,多相混输技术 的应用前景广阔,相关技术的研究也仍将持续下去。 (1)在经济效益最大化原则下, 多相混输系统应包含若干单项技术,其中最核心的技术是多相混输管道的压降计 算和多相增压设备的研发。 多相混输工艺技术通常应用在海洋、沙漠等自然条件

相对恶劣的油田,生产管理难度大,需要采用无人值守的操作管理方式,因而要求 混输泵能够长期无故障运行。目前,欧美发达国家研发的多相增压设备虽然已经 达到相当高的水平,但仍无法满足寿命长和故障率低的实际生产需求;我国尚无 多相混输泵等设备,应通过引进、 消化和自主研发,制造出与国际先进水平接近的 国产化多相混输泵系列产品,以取代昂贵的进口产品。 (2)温降规律是研究多相流 流动规律的基础。由于海底混输管道所处的散热环境比较复杂,因此管输介质的 温度值很难确定,现场技术人员往往忽视温度值的获取或单凭经验判断温度值。 到目前为止,尚无系统研究海底混输管道稳态抑或瞬态温降规律的报道。要获得 准确的热物性参数,就需要准确的温度值和传热规律,为此,开展海底混输管道介 质温降规律研究十分必要。特别是建立较准确的物理模型,以期利用数值方法求 得数值解,是一个重要的研究方向。 (3)多相混输管道的压降计算属于国际性难题, 特别是油气水三相流动和长距离起伏管道的多相流动,预测其管流压降尤其困 难。尽管国内外已经推出若干种计算方法,并有几个商品化计算软件应用于工程 实际,但这些软件大都只在一定条件下适用,不具有普遍适用性。(4)在海底混输 管道的工程实际中,经常会遇到类似段塞流、水合物〔6,14〕等技术难题,且迄今 没有较好的解决办法。应继续以扎实的理论研究为基础,深入剖析海底混输管道 的工艺特性和输送介质的流动特点,力争取得实质性破。(5)与单相流动相比,气 液多相流的流动特性要复杂得多,至今还不能从根本上对其准确预测。陆地油田 中已建的短距离多相混输管道,已经使设计者获得了丰富的多相混输管道的实践 经验,凭借这些经验可以设计出较符合生产实际的短距离混输管道。 但是,多相混 输技术领域面临的真正挑战来自于长距离输送,因为多相管流特性难以准确预测 等若干复杂的技术问题与高昂的投资风险交织在一起,且没有经验可循。 多相混输技术在我国具有广阔的市场应用前景,制约多相混输技术应用的主 要因素体现在技术本身的不完善和适用程度。 我国石油工业迫切需要一整套完善 的、适用性强的长距离多相混输技术,以提高海洋油田、滩海油田、沙漠油田和 边远外围油田开发的经济效益,从而为石油工业实施低成本战略提供技术支持。 本文就目前国内外油气混输技术的发展作了简单的综述, 油气混输在以后的生产 中必将更为广泛的应用, 虽然我国在这方面的研究起步较晚,但我国已经掌握了 部分的国际先进技术, 希望我国能在以后能拥有更多的具有自主知识产权的技术 引领行业的发展。

参考文献
(1)史宝成 (2)付在国 (3)喻西崇 (4)周晓红 (5)杨筱蘅 海底管道多相混输技术研究 2009 海底管道多相混输技术研究现状与发展,油气储运 2002 赵金洲 邬亚玲 国内外油气水多相管流技术的研究 2002 海底多相流混输管道压降计算主要影响因素分析,中国海上油气 2007

输油管道设计与管理

2006


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