陳兵，趙瓊，崔維剛

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安 710065）

采用CO2驅(qū)油，提高走向枯竭油田的采收率（CO2-EOR），既可以實(shí)現(xiàn)油田產(chǎn)量增長(zhǎng)又可以降低碳排放，可以與提高能效、采用可再生能源等相提并論的一項(xiàng)重要技術(shù)[1-2]。在CCUS過(guò)程中，CO2驅(qū)油是CCUS技術(shù)的一個(gè)中間環(huán)節(jié)，是一項(xiàng)提高油田采收率的工程技術(shù)，該項(xiàng)應(yīng)用在國(guó)外已經(jīng)十分成熟，目前我國(guó)國(guó)內(nèi)還處于初步發(fā)展階段[3-5]。CO2驅(qū)油從環(huán)境保護(hù)、提高油田采收率角度無(wú)疑是能帶來(lái)高經(jīng)濟(jì)效益的CO2利用方式[6-7]。然而在CO2驅(qū)油過(guò)程中，會(huì)有大量的CO2隨采出液進(jìn)入集輸管網(wǎng)，回注系統(tǒng)包括采出液集輸、CO2分離和CO2回注三大步驟，在此系統(tǒng)中采出液集輸是先決條件[8]。目前，國(guó)外關(guān)于CO2-EOR驅(qū)油技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)相對(duì)成熟，相關(guān)的研究及成果也十分詳盡，但國(guó)內(nèi)在此領(lǐng)域仍處在初期發(fā)展階段[9]。

該文基于國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)的CO2驅(qū)油和封存項(xiàng)目，通過(guò)對(duì)注入CO2井場(chǎng)至各區(qū)塊中心的水力計(jì)算，對(duì)比分析結(jié)果并對(duì)管道參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得出最優(yōu)管道參數(shù)。結(jié)合現(xiàn)階段油氣管輸相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程，針對(duì)我國(guó)油田的方位及地形特點(diǎn)，采用加拿大的SAGD（其集輸流程為：SAGD井口→平臺(tái)→處理站[10]）技術(shù)中的采出液集輸模塊進(jìn)行模擬計(jì)算并優(yōu)化，使得集輸管網(wǎng)壓損降低，經(jīng)濟(jì)效益提升。

1 模型的建立

1.1 采出液組分分析

以我國(guó)屬于長(zhǎng)6地層的某油田為例，根據(jù)前期取樣，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行組分?jǐn)?shù)據(jù)分析，其組分如表1所示。

表1 采出液組分及含量

該油田早期采出液組分中輕烴、烷烴含量較高，不含硫化物和氧氣等氣體，其中影響采出液流動(dòng)性的主要成分——膠質(zhì)與水含量都很低。研究表明原油中含水率小于50%時(shí)原油黏度變化不明 顯[11]，根據(jù)該文所依據(jù)的油田相關(guān)參數(shù)，不考慮采出液組分對(duì)管網(wǎng)參數(shù)的影響。

1.2 管道水力計(jì)算模型及方程

有學(xué)者針對(duì)多相流不同的壓降計(jì)算模型，采用國(guó)內(nèi)外井測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行試算，得出Beggs-Brill模型的平均相對(duì)誤差最小，為9.39%，計(jì)算精度最高[12]。故該文中的壓降計(jì)算選用Beggs-Brill模型。

Beggs-Brill模型壓力梯度計(jì)算式如下：

式中，P—管道平均壓力（絕對(duì)壓力），Pa；λm—兩相流動(dòng)的沿程阻力系數(shù)，無(wú)量綱；ρl—液相密度，kg/m3；ρg—?dú)庀嗝芏?，kg/m3；HL—持液率，無(wú)量綱；vm—流體流速，m/s；L—管道長(zhǎng)度，m。其中，

1.3 采出液管道參數(shù)

1.3.1 管徑的確定

根據(jù)井場(chǎng)流量數(shù)據(jù)，結(jié)合所輸送流體的經(jīng)濟(jì)流速，確定管道管徑：

式中：D—理論管道內(nèi)直徑，mm；Q—管道流量，m3/h；v—經(jīng)濟(jì)流速，m/s。

氣體管道經(jīng)濟(jì)流速為10~15 m/s，液體管道流速約為1 m/s左右，超臨界—密相CO2輸送管道的典型經(jīng)濟(jì)流速1~5 m/s[13]。

1.3.2 管道壁厚的確定

管道壁厚的設(shè)定參照美國(guó)的ASME《液化烴和其他液體用管道輸送系統(tǒng)》以及ASME B31.8《輸氣和配氣管道系統(tǒng)》的壁厚公式[14]：

式中：δ—計(jì)算壁厚，mm；P—設(shè)計(jì)壓力，MPa；D—外徑，mm；σs—管道最小屈服強(qiáng)度，MPa；F—強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)；φ—焊縫系數(shù)；t—溫度折減系數(shù)；C—腐蝕裕量。

2 模型驗(yàn)證

選取中間管線(xiàn)L130-L58管段，其管徑為50 mm，管長(zhǎng)為0.68 km，在地溫為20℃的工況下現(xiàn)場(chǎng)采集8組壓降變化數(shù)據(jù)，匯總見(jiàn)表2。

表2 L130-L58管段壓降現(xiàn)場(chǎng)記錄數(shù)據(jù)

根據(jù)Beggs-Brill模型計(jì)算該管段壓降，其與實(shí)際壓降之間的誤差如表3所示。

表3 模擬與實(shí)際壓降誤差

模擬與實(shí)際壓降誤差基本小于15%，僅一組數(shù)據(jù)誤差達(dá)23.24%，其流量為所測(cè)數(shù)據(jù)中的最大流量，因流量過(guò)大導(dǎo)致實(shí)際壓降增大，與模擬值相差較大。但整體壓降誤差在合理范圍內(nèi)，因此Beggs-Brill模型對(duì)采出液管網(wǎng)模擬具有較好的擬合性。

3 模擬計(jì)算

3.1 采出液數(shù)據(jù)及管道參數(shù)

3.1.1 采出液集輸現(xiàn)場(chǎng)的管線(xiàn)數(shù)據(jù)

現(xiàn)場(chǎng)勘探調(diào)研我國(guó)國(guó)內(nèi)某油田，在其井場(chǎng)至區(qū)塊中心的集輸管網(wǎng)中共有91座井場(chǎng)，涉及516口井。根據(jù)國(guó)內(nèi)某油田的地形特點(diǎn)，結(jié)合采出液集輸管網(wǎng)的選線(xiàn)原則以及井場(chǎng)的分布位置，確定以“三點(diǎn)一干”的分布模式，將井場(chǎng)分為三個(gè)小區(qū)塊，分別在每個(gè)區(qū)塊中心設(shè)置三個(gè)站場(chǎng)：A接轉(zhuǎn)站、B接轉(zhuǎn)站和C聯(lián)合站。管線(xiàn)長(zhǎng)度及流量如表4所示。

表4 干線(xiàn)管線(xiàn)長(zhǎng)度及流量

3.1.2 采出液管道參數(shù)

根據(jù)1.2中的模型可確定采出液管道參數(shù)中的管徑和管厚，結(jié)合輸油管道壓力等級(jí)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和析氫反應(yīng)對(duì)管道造成的腐蝕危害，該文中的管材選用Q345B，并在管道內(nèi)加緩蝕劑。由于采出液集輸管網(wǎng)均為埋地管道，該文所調(diào)研的油田所處區(qū)域土壤最大凍結(jié)深度為1.5 m，參考美國(guó)ASME B31.4《液化烴和其他液體用管道輸送系統(tǒng)》，管道埋深取1.6 m。

根據(jù)各井場(chǎng)的流量和表4干線(xiàn)流量數(shù)據(jù)，計(jì)算管徑及管厚，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研管道參數(shù)，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選取合適的管材，管道參數(shù)選取如表5所示。

3.1.3 集輸管網(wǎng)模型

將三個(gè)區(qū)塊內(nèi)井場(chǎng)的采出液分別集中輸送到這三個(gè)站場(chǎng)，而后將A接轉(zhuǎn)站和B接轉(zhuǎn)站的采出液經(jīng)一條集輸干線(xiàn)輸送至C聯(lián)合站，最終在聯(lián)合站對(duì)采出液進(jìn)行CO2分離，分離出的CO2最終經(jīng)由回注管線(xiàn)到達(dá)注入站。根據(jù)表4干線(xiàn)管道長(zhǎng)度及流量和表5管道參數(shù)選取表里的數(shù)據(jù)，在Pipephase軟件中，建立管網(wǎng)模型如圖1所示：

表5 集輸管網(wǎng)管道參數(shù)的選取

圖1 干線(xiàn)管網(wǎng)模型

模型中A、B、C三點(diǎn)分別為A—接轉(zhuǎn)站、B—接轉(zhuǎn)站、C—聯(lián)合站，J000為節(jié)點(diǎn)。B處到節(jié)點(diǎn)J000的管道選擇超大管徑，超短長(zhǎng)度，即可視為節(jié)點(diǎn)J000處的壓力、溫度等參數(shù)與B處一致。采出液由A接轉(zhuǎn)站流出，經(jīng)由管線(xiàn)L000輸送至節(jié)點(diǎn)J000，與B接轉(zhuǎn)站的采出液匯入L003管道，經(jīng)由管道L003輸送至C聯(lián)合站。

3.2 采出液集輸管網(wǎng)模擬計(jì)算

3.2.1 干線(xiàn)水力計(jì)算

已知現(xiàn)有設(shè)備、設(shè)計(jì)邊界條件、C聯(lián)合站最小進(jìn)站壓力0.5 MPa，依據(jù)此條件對(duì)干線(xiàn)管道進(jìn)行水力計(jì)算，反算A接轉(zhuǎn)站和B接轉(zhuǎn)站的最小出站壓力，確定管道壓力參數(shù)。對(duì)夏季（20℃）和冬季（5℃）工況模擬計(jì)算。水力計(jì)算結(jié)果如表6所示。

3.2.2 井場(chǎng)至三站水力計(jì)算

根據(jù)邊界條件，C聯(lián)合站的最小進(jìn)站壓力為 0.5 MPa，以此為其周邊井場(chǎng)的最小出站壓力。結(jié)合表6數(shù)據(jù)，匯總井場(chǎng)至A接轉(zhuǎn)站、B接轉(zhuǎn)站和C聯(lián)合站的管線(xiàn)信息，結(jié)合各井場(chǎng)的管線(xiàn)名稱(chēng)、長(zhǎng)度、流量及管徑，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘探到的井場(chǎng)的串接方案，反向計(jì)算到達(dá)A接轉(zhuǎn)站、B轉(zhuǎn)接站和C聯(lián)合站的各井場(chǎng)出口壓力。以干線(xiàn)水力計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，模擬各井場(chǎng)管線(xiàn)的進(jìn)出口壓力，計(jì)算所有管線(xiàn)的壓降，發(fā)現(xiàn)井場(chǎng)至A、B接轉(zhuǎn)站和井場(chǎng)至C聯(lián)合站的部分管道壓降值較高，見(jiàn)表7。

表6 干線(xiàn)水力計(jì)算結(jié)果

表7 壓降值較高管線(xiàn)

在井場(chǎng)至A接轉(zhuǎn)站的管網(wǎng)中，對(duì)于L55-L4管道，將其與長(zhǎng)度相同、管道落差相當(dāng)?shù)珘航递^小的管道進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，因L55-L4為一條支線(xiàn)的最后一段，其流量差距較大，但管徑相同；L289-L4管道與L55-L4，均處于同條支線(xiàn)管道的末端，且流量較大。

在井場(chǎng)至B接轉(zhuǎn)站的管網(wǎng)中，對(duì)于L73-L16管道，將其與L289-L4管道進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，其落差相同，流量相差不大，可以分析出其管道壓降差值主要是由于管線(xiàn)長(zhǎng)度引起的；對(duì)于管線(xiàn)L47-B接轉(zhuǎn)站管道，其流量較大且落差為負(fù)值，即管道在“上坡”，其與L73-L16管道相比，僅在管道落差上不同，確定其壓降受管道落差影響。

在井場(chǎng)至C聯(lián)合站的管網(wǎng)中，對(duì)L145-L119管道，其落差在125米左右，管道長(zhǎng)度是支線(xiàn)管網(wǎng)里最長(zhǎng)的一段。在與L289-L4管段比較發(fā)現(xiàn)，其壓降數(shù)值相對(duì)小一些，其原因可能是由于管道落差引起的，管道呈“下坡”趨勢(shì)，管道壓力會(huì)增加，會(huì)緩解壓降的增大；對(duì)于L120-L224管道，將其與L289-L4管道進(jìn)行對(duì)比，其管道流量、管線(xiàn)長(zhǎng)度差距不大；在落差方面差距較大。C聯(lián)合站處于一大片塬上，地勢(shì)較高，L120-C聯(lián)合站落差為-103 m， 管道處于“上坡”階段，可以確定其壓降高是因?yàn)楣艿缆洳睢?/p>

由分析可以看出，壓降的變化受多個(gè)因素影響，而壓力損失會(huì)影響項(xiàng)目的運(yùn)行成本，因此在進(jìn)行管道設(shè)計(jì)方案確定時(shí)，要根據(jù)模擬結(jié)果調(diào)整方案，對(duì)集輸管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化。

4 采出液集輸管網(wǎng)優(yōu)化

通過(guò)上述幾條管線(xiàn)的結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)在支線(xiàn)管網(wǎng)的末端管道壓降比較大。通過(guò)觀(guān)察其他支線(xiàn)管網(wǎng)末端管道的壓降數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)普遍存在壓降大，導(dǎo)致井場(chǎng)出站壓力變大，運(yùn)行費(fèi)用增加的情況。因此以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，以管道直徑、井場(chǎng)最小出站壓力為變量，在滿(mǎn)足輸送量要求下，對(duì)采出液管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化。

以L(fǎng)289-L4的冬季和夏季工況為例。將流量為45.75 m3/d，管線(xiàn)長(zhǎng)度為1.72 km的L289-L4管段的管徑從50 mm增加到150 mm，然后以同樣的初始條件及計(jì)算模型，進(jìn)行模擬計(jì)算，比較其壓力損失，計(jì)算對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同管徑壓降

由圖2可知，管道壓降會(huì)隨管徑增加而迅速減小。因此對(duì)于此類(lèi)管道，可以通過(guò)增大其管徑進(jìn)行優(yōu)化。DN100和DN150均能迅速降低壓降，考慮管道建設(shè)成本，優(yōu)化后的管徑選擇DN100。并將所有處于支線(xiàn)管網(wǎng)末端的管道直徑，均設(shè)為DN100。

提出了公式（7）對(duì)管線(xiàn)成本進(jìn)行求解：

式中：F為管線(xiàn)成本；n為閥組個(gè)數(shù)；c為閥組單價(jià)；ci為第i條管線(xiàn)的單位長(zhǎng)度成本；li為第i條管線(xiàn)的長(zhǎng)度。綜合考慮進(jìn)站壓力，管線(xiàn)承壓，閥組等約束條件，可計(jì)算得到管線(xiàn)成本取最小值時(shí)各管線(xiàn)的配置。

通過(guò)優(yōu)化，對(duì)支線(xiàn)管道和干線(xiàn)管道的設(shè)計(jì)壓力按照1.1倍進(jìn)行計(jì)算，取最低壓力標(biāo)準(zhǔn)后，采出液集輸管網(wǎng)管線(xiàn)數(shù)據(jù)匯總見(jiàn)表8。

表8 管線(xiàn)數(shù)據(jù)匯總

在保證成本最低的情況下，根據(jù)不同位置的不同管徑確定其設(shè)計(jì)壓力、壁厚，以減小壓降，降低運(yùn)行費(fèi)用。支線(xiàn)末端的管道由DN50增大到DN100，管線(xiàn)成本提高了19.86%，但運(yùn)行費(fèi)用降低了26.34%；管道由DN50增大到DN150，管線(xiàn)成本提高了25.36%，運(yùn)行費(fèi)用降低了27.98%。所以管道由DN50增大到DN100符合管線(xiàn)成本最小原則，并滿(mǎn)足管道輸送效率。對(duì)高程差、流量較小的管道，可適當(dāng)降低其管徑，節(jié)約管道成本的同時(shí)保證輸送效率。

5 結(jié)論

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，確定采出液管網(wǎng)走向，對(duì)采出液集輸管網(wǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算，并完成對(duì)管線(xiàn)的相關(guān)計(jì)算，確定了相關(guān)參數(shù)：

1）根據(jù)井場(chǎng)的流量數(shù)據(jù)，建立管道模型。依照C聯(lián)合站最小進(jìn)站壓力0.5 MPa，反算出A接轉(zhuǎn)站和B接轉(zhuǎn)站最小出站壓力分別為0.94 MPa和 0.86 MPa。

2）根據(jù)井場(chǎng)位置建立管網(wǎng)模型，分別以A接轉(zhuǎn)站、B接轉(zhuǎn)站和C聯(lián)合站為終點(diǎn)，反算各井場(chǎng)的最小出站壓力；對(duì)于處于支線(xiàn)末端的管道進(jìn)行優(yōu)化，將其管徑由DN50增大到DN100；優(yōu)化后在管線(xiàn)成本提高了19.86%的前提下，降低了26.34%的運(yùn)行費(fèi)用。

3）根據(jù)管線(xiàn)成本計(jì)算模型，綜合考慮各類(lèi)約束條件，在保證安全的前提下，以管線(xiàn)成本最小為目的，確定所有輸送管道的設(shè)計(jì)壓力，確定DN50的設(shè)計(jì)壓力為2.5 MPa，DN100和DN150的設(shè)計(jì)壓力為 1.6 MPa；對(duì)管壁厚度進(jìn)行計(jì)算，DN50和DN100管道壁厚取3.5 mm，DN100管道壁厚取4.0 mm，材質(zhì)均選用Q345B。