羅 珊 蔣宏業(yè) 姚安林 江 文 曾躍輝

西南石油大學石油與天然氣工程學院， 四川 成都 610500

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基于Beggs & Brill模型的油田水力集輸半徑分析

羅 珊 蔣宏業(yè) 姚安林 江 文 曾躍輝

西南石油大學石油與天然氣工程學院， 四川 成都 610500

帶傾角的多相流管路工況復雜，集輸半徑不能根據(jù)經(jīng)驗直接獲取，為此需建立完整的集輸半徑計算模型?；诹鲬B(tài)劃分的油田集輸半徑確定主要包括壓降公式的選用、流態(tài)確定、摩阻系數(shù)的計算、截面持液率方案選取。常用的Beggs & Brill壓降公式?jīng)]有直接的流型計算方法，采用改進的Barnea流態(tài)公式結(jié)合修正后的Beggs & Brill持液率計算公式來彌補。以某油田集輸管網(wǎng)為例，運用此方法得出的帶傾角管路集輸半徑與約束條件下的實際集輸半徑基本相符。

集輸半徑；流態(tài)劃分；傾斜管路；組合模型

0 前言

在油田地面工程的方案設計中，集輸半徑指在滿足最低進站壓力的條件下，井口回壓可驅(qū)動管道內(nèi)原油輸送的距離，它直接影響井組劃分、站址選擇和管網(wǎng)流量分配，間接影響集輸系統(tǒng)總造價。在油田單井管線的油氣集輸工藝中，人們通過長期實踐，將2～3 km作為單井集輸?shù)募敯霃?，但這個集輸半徑有很多不合理的地方[1]：該集輸半徑主要針對地勢較平坦的區(qū)域，沒有考慮到油區(qū)內(nèi)管線有較大的爬升和下降地段的重力壓降對集輸?shù)闹匾绊?；對不同性質(zhì)的油品，用統(tǒng)一的標準會造成輸送動力的不足或過剩，從而嚴重影響油氣輸送。因此選擇合理的集輸半徑具有重要意義[2]。

GB 50350-2005《油氣集輸設計規(guī)范》中提出，油氣混輸?shù)膲航涤嬎悴捎肈uklerⅡ法[3-4]和Beggs & Brill法。DuklerⅡ法適用于水平管路，單純的Beggs & Brill法不能解決基于流態(tài)劃分的直接計算。李時宣等人[5]根據(jù)西峰油田集輸管路的特點，結(jié)合DuklerⅡ法和Beggs & Brill法，提出計算兩相水平管路水力集輸半徑的CY法；

張友波[6]研究了氣液兩相管流技術并開發(fā)了工藝計算軟件，但這些方法在計算帶傾角兩相流動管路的集輸半徑時并不準確。本文帶傾角管路的集輸半徑計算方案通過查閱大量的經(jīng)驗公式并結(jié)合實際進行模型比較得出。

1 帶傾角管路集輸半徑的界定

1.1 采用改進Beggs & Brill法的水力分析

1)根據(jù)井口回壓P0和最低進站壓力P1計算管路平均壓力以及壓降。

2)結(jié)合壓降公式，選用適當?shù)姆椒▌澐至鲬B(tài)，計算沿程摩阻系數(shù)和截面含液率。

3)根據(jù)現(xiàn)場情況確定相應的參數(shù)，包括不同流態(tài)下氣液相折算速度，體積含液率，管路傾角和表面張力等。

1.2 帶傾角管路集輸半徑計算模型

表1列出了6種常用的考慮傾角的氣液兩相流動管路集輸半徑計算模型。

表1 氣液兩相流動管路集輸半徑計算模型

組合模型代碼流態(tài)劃分截面含液率選用壓降公式選用BB*-BAR*-MBBAR*BB*MBBB-BAR-XBBARBBXBBB*-BB-MBBBBB*MBBB-XB-BBBBBB-XBBBBB*-BAR*-BBBAR*BB*BBBB-XBBBBB-XBXB 注:BB*為在計算傾斜管的持液率時用修正的Beggs&Brill公式;BAR*為用修正的Barnea公式來確定流態(tài)的劃分;BAR為Barnea流態(tài)劃分公式;XB為Xiao-Brill壓降公式;MB為Mukherjee&Brill壓降公式;XB-BB為Xiao-Brill和Beggs&Brill截面持液率的組合表達式;BB為Beggs&Brill相關式。

2 確定組合模型

2.1 壓降公式的選用

常見的氣液兩相流動壓降公式包括DuklerⅡ公式、Eaton公式、Flanigan公式、Beggs & Brill公式、Mukherjee & Brill公式、Xiao-Brill公式等[7-8]。其中只有Flanigan公式、Beggs & Brill公式、Mukherjee & Brill公式和Xiao-Brill公式考慮了管路傾角。公式的選用需要結(jié)合現(xiàn)場實際情況，但在實驗數(shù)據(jù)缺乏時只能借助對比分析來選取。對于氣液兩相帶傾角管路，根據(jù)經(jīng)驗方法和設計規(guī)范相關內(nèi)容，選用Beggs & Brill公式[9]：

(1)

式中：ρi為液相密度，kg/m3;ρg為氣相密度，kg/m3；θ為管路傾角，度或弧度；G為氣液混合物質(zhì)量流量，kg/s;Hi為截面含液率，無因次量；dP為管道壓降，Pa；dx為管路壓降驅(qū)動氣液混合物流動的距離，m；P為管道內(nèi)介質(zhì)的平均絕對壓力，Pa；wsg為氣相折算流速,m/s；d為管道內(nèi)徑，m；wm為氣液混合物速度，m/s；i為常數(shù)，代表井號；針對Beggs & Brill公式?jīng)]有考慮流態(tài)劃分問題，混合摩阻系數(shù)λm按照不同流態(tài)下的公式計算得出并帶入式(1)求解。

2.2 水力摩阻系數(shù)的計算

多數(shù)多相流研究者認為[7]，在多相管流中，氣體或液體與管壁之間摩阻系數(shù)的計算可以采用單相流中沿程摩阻系數(shù)的計算方法。而氣液界面之間的沿程摩阻系數(shù)只能采用多相管流中的經(jīng)驗或半經(jīng)驗公式，喻西崇等人[10-13]進行了大量的研究。本文選用Xiao J J等人[14]提出的計算氣液界面間摩阻系數(shù)的方法。該方法在劃分流態(tài)的基礎上得出，滿足基于流態(tài)劃分的持液率計算公式。

2.2.1 對于分離流

(2)

式中：λg為氣體與管壁間的摩阻系數(shù)，采用單相流的方法計算；hl/D為液位高度與管徑的比值，可采用二分法迭代求解，求解時在某些情況下會出現(xiàn)多重根，通常取最小值為計算值。

2.2.2 對于間歇流

λi=λc{1+2 250(δ/D)/[ρg(ωsg-ωsl)2δ/σ]}

(3)

式中：λc為氣芯摩阻系數(shù)，無量綱；δ為液膜厚度，m；ωsg為氣相折算速度，kg/m;ωsl為液相折算速度，kg/m；σ為表面張力，N/m；D為管道外徑，m；ρg為氣相密度，kg/m3；δ/D用二分法迭代求出。

2.2.3 分散流

對于分散流λi統(tǒng)一取0。

2.3 持液率計算方法的選取

常用的截面含液率計算方法都是在實驗基礎上得出的，對于傾角管路用Beggs & Brill模型兩相流持液率公式，其上、下坡管道的持液率計算分別采用以下兩點改進[15-17]：

1)Payne G A等人[18]基于實驗數(shù)據(jù)，對上坡段傾斜管道持液率公式進行修正，見式(4)。

(4)

2)在下坡段，采用Xiao & Brill模型，見式(5)～(6)。

(5)

θ=2 cos-1(1-2hl/D)

(6)

式中：hl/D為液位高度與管徑的比值，計算方法同式(2)；Hl(θ)為截面含液率，無因次量；θ為管路傾角，度或弧度。

2.4 流態(tài)確定

目前普遍應用的流態(tài)判定方法包括查圖法和公式計算法，公式計算法較查圖法適用范圍更廣。在Beggs & Brill公式中，截面含液率計算公式建議采用Beggs & Brill流態(tài)劃分方法，但是在用此方法判斷時發(fā)現(xiàn)[7]，氣油比在0～170 m3/m3變動時，管路流型均為過渡流，在實際的低溫原油管路運行中是不可能出現(xiàn)的，因此選用適用于所有傾角管路的Barnea相關改進公式判斷流態(tài)。改進的Barnea模型計算流程圖見圖1。

圖1 改進的Barnea模型計算流程圖

圖1中式(7)表示分散流向其他流型轉(zhuǎn)變的相關公式，采用經(jīng)Barnea修正的Taitel分散流模型計算法，該計算法適用于所有傾角范圍[20]。

(7)

式中：dc為dCD和dCB的最小值；dCD為氣泡變形的臨界體積，cm3；dCB為阻止氣泡移動到管道頂端的臨界氣泡體積，cm3；其他參數(shù)含義見式(1)、(3)。

圖1中式(8)表示分層流轉(zhuǎn)變?yōu)榉欠謱恿鞯南嚓P公式，式(9)表示分離流與間歇流之間的轉(zhuǎn)變公式，其中按照相態(tài)的分布特點，分層流屬于分離流的一種，故可用公式(8)、(9)區(qū)分屬于分離流還是間歇流。

(8)

(9)

2.5 集輸半徑計算公式

根據(jù)以上分析，集輸半徑可確定為式(10)。

(10)

式中：n為常數(shù)，代表井號；xi由式(1)通過積分和變形得出，代表單井井口回壓可驅(qū)動的管道內(nèi)原油輸送的距離，m。

(11)

3 實例計算

某油田集輸管網(wǎng)的部分參數(shù)見表2。

1)根據(jù)本文模型，表3給出了部分傾角下集輸半徑的計算值。

此結(jié)果與現(xiàn)場實際集輸半徑相符，誤差范圍為±7%。

2)假設傾角不變，取不同的井口回壓和氣油比，分別計算得出集輸半徑。圖2為井口回壓分別為1.7 MPa和2.5 MPa的集輸半徑曲線圖。

表2 某油田的部分參數(shù)

項目數(shù)值混輸管線經(jīng)濟流速/(m·s-1)0.8～2最低進站壓力/MPa0.8井口回壓/MPa2.5氣油比/(m3·m-3)50～150管內(nèi)徑/mm89原油密度(20℃)/(kg·m-3)848液相流量/(t·d-1)120氣液相表面張力/(N·m-1)0.034管路傾角范圍/(°)-3～3

表3 部分傾角計算出的集輸半徑

氣油比/(m3·m-3)管路傾角/(°)集輸半徑/m50水平712050161531002374210033190

a)井口回壓1.7 MPa

b)井口回壓2.5 MPa圖2 不同井口回壓的集輸半徑曲線圖

根據(jù)以上分析可知，帶傾角管路的集輸半徑與相同條件下的無傾角管路集輸半徑相差較大，與集輸半徑經(jīng)驗數(shù)據(jù)2～3 km不符，可參照本文重新計算。

4 結(jié)論

1)在確定帶傾角管路的集輸半徑時，只用Beggs & Brill法不能解決問題?；贐eggs & Brill模型的集輸半徑改進算法，可以有效地解決帶傾角管路的流型劃分、截面含液率和集輸半徑計算等問題，計算的集輸半徑符合油田的實際情況。

2)按照本文的方法得出的數(shù)據(jù)在油田井場劃分過程中可作為基礎數(shù)據(jù)應用。集輸半徑的精確值需要在管網(wǎng)劃分之后，結(jié)合實際進行回壓校驗，考慮是否需要設熱泵站之后再計算得到。

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2015-10-11

國家“十二五”科技支撐計劃項目(2011 BAK 06 B 01-11-01)

羅 珊(1991-)，女，河南南陽人，碩士研究生，主要從事油氣儲運專業(yè)方向的研究工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.01.006