基于OLGA的起伏湿气集输管道水力特性研究

潘峰，陈双庆

（东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆163318）

基于OLGA的起伏湿气集输管道水力特性研究

潘峰，陈双庆

（东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆163318）

由于多相流动的经济性，气田大部分集输管道都采用气液混输技术。集输管线在通过地形起伏的地区时,气体的压力、温度及流速将随之变化，地形起伏不均是造成气田气液混输管道生产不稳定的一个重要因素。采用多相流模拟软件OLGA建立了湿气集输管道水力计算模型，模拟分析了地形起伏程度、管道输气量、管径、含水率对管道压降的影响。并对不同影响因素下的模拟结果进行分析，该分析结果为地形起伏地区气田集输管道的运行管理和设计提供了理论基础。

湿气集输管道；起伏地形；水力特性；OLGA；数值模拟

气液混输工艺可简化流程，降低投资，在油气田开发中已经逐渐成为主流的集输工艺，并在我国西部地区的的高酸性气田成功应用[1]。然而受客观地理条件的影响，湿气从气井采出到进站通常会经过地形起伏段[2]。受地形起伏影响，天然气管道的建设和生产运行与平坦地区的管道多有不同，天然气管道的高程差会引起管道生产运行参数的变化。然而目前，国内外关于复杂地表条件下的湿气集输管道水力特性数值模拟方面的研究很少。

OLGA软件是目前在石油行业广泛使用的多相流模拟软件之一，它以双流体模型为基础，综合计算两相流参数，同时可以判断流型，然后由流型计算出各参数值。本文利用OLGA软件建立了龙岗气田某湿气输送管道[3]水力计算模型，模拟分析了地形起伏程度、管道气体流量、管径、含水率等因素对管道水力特性的影响，并对结果进行了理论分析，为地形起伏地区气田集输管道的运行管理和设计提供了理论基础。

1 计算模型

1.1 流体物性

流体物性计算利用PVTsim软件完成，状态方程使用PR状态方程，粘度模型选取CSP粘度模型，流体组份见表1。

表1 流体组份Table1 Fluid composition

1.2 管道走向

集输管道沿程走向如图1所示。

图1 管道走向示意图Fig.1 The diagram of pipeline trend

1.3 边界条件及管道参数

边界条件定义了所模拟系统与其环境间的联系。考虑到OLGA软件“温降正算，压降反算”的特性，给定管道起点温度为35℃，管道出口压力为5 MPa。设置管道埋深为0.9 m，埋地管道中心土壤环境温度15℃，总传热系数6.52W/(m K)⋅。

1.4 OLGA计算模型

OLGA计算模型如图2所示。

图2 OLGA计算模型Fig.2 OLGA calculation model

2 计算结果分析

2.1 地形起伏程度对管道压降的影响

设置井口至集气站湿气集输管线管径为0.2 m,输气量为0.1 kg/s，管线长4 km,管道出口压力为5 MPa，设置小起伏地形管道沿线最大高程差为100 m,大起伏地形管道沿线最大高程为200 m,管道走向如图1所示。

为了更好的对比突出地形起伏对管道压降的影响，设置平坦地形下的输气管道作为对照。OLGA软件模拟结果三维示意图如图3所示，OLGA数值模拟结果如图4所示。

图3 OLGA模拟三维示意图Fig.3 OLGA simulation results of 3D diagram

图4 不同地形起伏程度管道压降变化Fig.4 Pipeline pressure drop under different terrain

由图4可以看出，平坦地形下管道压降波动很小，而起伏地形下的压降曲线则出现了不同幅度的上下波动，起伏程度不同，管道总压降的大小也有明显的差别，随着地形起伏程度的增大，管道的总压降也越大，但三种条件下管道沿程压力的总体变化趋势仍是保持降低的。因此起伏地形下的管道水力特性与平坦地形有着极大的不同。

单独分析每一种情况下的压降曲线，地形平缓段的压降很小，这与单相流动压降规律相类似。管道上坡段压降下降幅度较大，而在管段下坡段压降有微微上升的趋势。这是因为在管道上坡段举升流体使消耗的能量增加,管段内的压力下降速度加快。而在管道下坡段由于重力作用，产生能量回收[4,5]。由图3可以看出，平坦地形下的管道流态基本维持层流不变，并且含液率低。而地形起伏条件下管道在上坡段和下坡段呈现出不同的流态。在上坡段很明显的看到管道持液率大幅增加，大量液体聚集，从而阻碍气体运动，形成段塞流。而在下坡段，管道持液率大幅降低，持液率降低，流动以层流为主。由此可以对比出，地形起伏条件下管道的水力特性与管道内流体的流态有着紧密的联系[6]。

2.2 井口产量对管道压降的影响

图5 不同输气量条件下管道压降变化Fig.5 Pipeline pressure drop under different terrian

气田生产中，单井的产量会有持续的波动，因此管道内的输量也会产生波动。为研究输气管道的极限工况，分别研究管道在低输量和高输量下的压降情况。模拟井口产气量分别为0.～7 kg/s范围的七组数据，管道走向为最大高程差为200 m的大起伏湿气管道，设置集输管线管径0.2 m，管道出口压力5 MPa。模拟结果如图5所示。

从图5可以看出，在低输量的工况内,起点压力随输量的增加而减小，当流量为0.1 kg/s时，管道总压降为17.07 bar，流量为0.2 kg/s时，管道总压降为15.86 bar。这与平坦地形下的压降规律明显不同。在输量较高的工况范围内,起点压力随输量的增大而增大，这与平坦地形湿气集输管道水力特性相似，当流量为6 kg/s时，管道总压降为4.04 bar，流量为7 kg/s时，管道总压降为4.24 bar，说明在输量较高的条件下，管道的压降随着输量的增高影响较小。

2.3 管径对管道压降的影响

从图6可以看出，在相同输气量工况下，管道压降随着管径的增大而下降，当管径增大到一定程度时，增大管径对降低管道压降作用不大。这与平坦地形湿气输送管道水力特性相类似。

图6 不同管径条件下管道压降变化Fig.6 Pipeline pressure drop under different pipe diameters

2.4 含水率对管道压降的影响

含水率是气田生产中的重要生产参数，利用PVTsim软件分别设置含水率0.5%～5%范围的四组数据进行模拟。模拟结果如图7所示。

从图7中可以看出，4种不同含水率工况下的管道压降变化曲线基本重合，即湿气内的含水率的变化对管道压降变化的影响不明显。当含水率为0.50%时，管道压降为17.04 bar；当含水率增大为5.00%时，管道压降为17.10 bar，相差不大。

图7 不同含水率条件下管道压降变化Fig.7 Pipeline pressure drop under different pipe diameters

3 结论

（1）地形起伏程度对湿气管道压降的影响显著，地形起伏程度越大，管道沿线压力的波动程度越大，管道总的压降也越大。

（2）管道输量，管径，含水率的变化对管道水力特性都有一定程度的影响，管道输量和管径对水力特性影响程度较大，并且影响规律与平坦地形下的管道不同，含水率对水力特性的影响较小。

（3）气液混输管道压降的正确预测非常重要，而起伏湿气管道的水力特性变化较为复杂，因此有效建立含高程变化稳定工况下的管流水力-热力耦合计算方程和求解算法，从而确定管道不同位置的水力参数，是今后研究的重点，对于起伏管道的运行管理有着极为重要的意义。

［1］张鹏,王大庆,田军.地形起伏对凝析气集输管道工况的影响[J].天然气工业,2013,28(2):41-46.

［2］刘甜甜.普光气田大湾区块湿气集输管线积液分布规律及对策研究[D].重庆：重庆科技学院,2016.

［3］蔡忠明.龙岗气田集输管混输工艺适应性研究[D].成都：西南石油大学,2013.

［4］谷琼.复杂地形条件下湿气集输管路积液规律的研究[D].青岛：中国石油大学,2011.

［5］张廷廷,雷燃,戴慧芳,等.两相管流压降计算及影响因素[J].油气储运,2013,32(7):709-713.

［6］韩方勇,周晶,班兴安.多起伏地形下油气混输管道的水力特性[J].油气储运,2007,26(11):23-25.

Research on Hydraulic Characteristics of Undulating Terrian Wet Gas Gathering and Transportation Pipeline Based on OLGA

PAN Feng,CHEN Shuang-qing
（College of Petroleum Engineering,Northeast Petroleum University,Heilongjiang Daqing 163318，China）

Because of the economy of the multiphase flow,most gas gathering and transportation pipelines use gas-liquid conveying technology.In gathering pipelines through the region with undulating terrian,the gas pressure, temperature and flow rate change.Uneven terrain is an important factor in the instability of gas-liquid pipelines.In this paper,the hydraulic calculation model of moisture gathering and transportation pipeline was established by using multi -phase flow simulation software OLGA,and effect of terrain fluctuation,pipe gas flow rate,pipeline diameter and moisture content on pipeline pressure drop was simulated and analyzed.And the simulation results were analyzed and discussed.The results can provide theoretical basis for operation management and design of gas field gathering and transportation pipelines in undulating terrain.

Wet gas gathering pipeline;Undulating terrain;Hydraulic characteristics;OLGA;Numerical simulation

TE 832

A

1671-0460（2017）03-0511-03

国家自然科学基金资助项目“受约束三维地形条件下油气集输系统模糊布局优化研究”,51674086。

2016-10-22

潘峰（1993-），男，辽宁抚顺人，东北石油大学油气储运工程专业在读研究生，2015年毕业于辽宁石油化工大学油气储运工程专业，研究方向：主要从事多相管流及油气集输技术研究。E-mail：panfengnepu@sina.com。