矿场油气集输管道

第八章矿场油气集输管道引言：矿场油气集输管道主要是指油田矿场内部用来输送原油和天然气的管道。与长输管道相比，其输距短、管径小、输量低。油田矿场集输管道按输送介质相数的不同，可分油气混输管道、原有集输管道和天然气输送管道三类。单相管路多相管路具体来说，在油田矿场上，所有的管路网络，不外乎以下几种管路：①混输管路（新工艺）：井口至油气分离器之间的管路。②集油管路：计量站至联合站之间的输油管路。③集气管路：计量站至联合站之间的输气管路。④输油管路：联合站至油库或者首站之间的管路。⑤输气管路：气体处理站至压气站之间的管路。什么是混输管路（油气混输管路）？用一条管路输送油井所生产的原油和天然气的管路，称为油气混输管路。在某些特定的环境下，油气混输管路有着单相管路不可比拟的优点。例如城市社区、沙漠、湖泊、生态保护区、沼泽地等等以及海上采油等，不便于安装大量的油气处理设备；但混输管路的流态非常复杂，人们还尚未完全掌握其流动规律。§8-1油气混输管道的特点一、混输管路的特点⒈原油的聚积原油的聚积是指油气在管路中流动时，油气各占的空间和在相同条件下处于静止平衡状态时，油气各占据的空间相比，原油所占的体积要大些。即有原油聚集在管路中。原因：由于气体的密度、粘度都比液体小得多，相差很大，气体流动就比液体流动快得多，引起了液相的聚积现象。⒉流动不稳定由于油井的间歇生产和油井生产的不均匀性，以及其他的采油工艺措施，使混输管路的流量时常发生变化。流量的变化自然引起压力的变化，而压力的变化又导致了液体聚积量的变化。这一系列的变化使气相和液相的流动极不稳定。⒊能量损失大，存在相间能量消耗混输管路的能量损失，比其中任何一相单独在同样管径的管路中流动时都大得多，有时高出10倍以上。分析其原因：①液体在管路中起伏，液体本身的升降运动以及液体与管壁间的环向摩擦，都消耗了能量；②液体的起伏，使气液两相间形成了粗糙的界面，增加了气体的摩阻损失。剧烈的起伏，使气体的通道断面忽大忽小，摩阻损失更大，另外，气体的忽而膨胀，忽而压缩，都增加了气液两相间的能量损失。③流速较高的气体，常常把一部分液体拖带到气体中去一起流动，这些被携带的液体，在脱离液体主体时要消耗能量，被气流吹成液滴或颗粒更小的雾滴要消耗能量，由流速较慢的液流主体进入流速较快的气流中，液滴获得加速度要消耗能量；④当地形不平有起伏时，原油大量聚集在低洼段，使气体通过界面面积减小，增加了气体的摩阻损失。4、相间存在质量交换两相流动，由于压力、温度变化，使气液相间存在不平衡，相间存在质量交换。也即造成管路流动参数（气液流量、密度、组成、粘度等）的变化。5.流态多变混输管路的水力现象非常复杂，流体的流态受到每一相流体流态的影响，流态的结构形式有若干种。二、混输管路中多相流的流态根据气液两相在管内的分布情况和结构特征，把混输管路分成若干流动型态。

⒈气泡流（Bubble）在气量很小时，由于气液密度差，气体一气泡的形式浓聚管子的上部，气液间的表面张力力图使气泡呈球形。气泡以与液体相等的速度被液体夹带着一起流动，气泡流的特点是：液相为连续相，气相为分散相，液体携带气泡流动，流动能量损失主要消耗在液体内部，气液两相间的作用力很小。

⒉气团流（Plug）

随着气体量的增多，气泡越来越大，逐渐合并成一个个的气团？在管路上部，气团和液体交替地向前流动，这种流态称为气团流。气团流的特点是：液相为连续相，气相为分散相，气液两相间的作用力增加，但主要能量损失仍在液相内部。⒊分层流（Stratified）（层状流或成层流）随着气量的继续增加，气团逐渐连成一片，气相与液相分成了具有较光滑的界面的气体层和液体层，这种流态称为分层流，其特点：气液两相均为连续相，相速度具有较大的差别，两相之间的作用力增大，主要能量损失包括气相内部、液相内部和两相界面之间三个部分。⒋波浪流（Wavy）（波状流）随着气量的进一步增大，气液之间的流速差增大，在气液交界处，气体传递给液体的能量增多，使界面上的液体被加速，产生了沿运动方向的波浪，这种流态称为波浪流。其特点是：两相速度差越大，波浪的波峰越高，管路有轻微的压力波动，波动频率较高，两相仍为连续相，在主要能量损失中，两相间的能量损失影响最大。⒌冲击流(Slug)(段塞流)当气体量再增大时，气体流速更大，波浪进一步加剧，波峰不时高达管路顶部，低速的波浪阻挡了高速气体的通道，而高速气流又将这部分液体吹散成泡沫或雾状液滴，一部分液滴被气体夹带着流动，另一部分液滴顺着管子的内壁面往下流回液相。由于波浪式交替前进的，故而，气体对液体的冲击也是交替发生的，在管子外壁可以听到有节奏的流体拍击管壁的响声。这种流态称为冲击流。其特点是：管路的振动和水击现象最为明显，管路压力波动大，虽然气液两相仍为连续相，但是有部分液体分散成雾滴夹带在气流中，在能量损失中，两相间的作用力大于同相内部的作用力，占据能量损失的主导地位。根据现场观察和生产实践表明，油田矿场上的油气混输管线，存在最多的流态是冲击流。⒍不完全环状流（Semi-Annular）气体量继续提高，要求管路有更大的面积供气体通过，被气流吹散成雾滴而被夹带在气流中的液体量也越来越多，开始，气流将液体的断面压迫成月牙形，随着气体流速、流量的进一步增大，管子下部液体的断面进一步变薄，并且沿管壁搭接成上薄下厚的环形断面，中间是带有雾滴的气流，形成不同心的环状流，这种流态称为不完全环状流。⒎环状流（Annular）随着气流速度的进一步提高，不同心的环状液层变薄，形成同心的环状流，气体携带液滴以较高的速度在环状液层的中心通过。不完全环状流和环状流具有相同的特点：气体为连续相，液体部分为连续相，部分为分散相，在总的能量损失中，气相对液相做功所消耗的能量占主导地位。⒏弥散流（Spray）（雾状流）当气流速度很大，而液体量又相对较小时，环状液层被气体吹散，液体以液雾的形式随高速气流向前流动，这种流态称为雾状流。特点：气体为连续相，液体以液雾的形式随高速气流向前流动。三、流态的转化过程⒈两相相对地位的转化液相连续相，气相分散相→两相均为连续相→气相为连续相，液相部分为连续相，部分为分散相→气相为连续相，液相为分散相。⒉两相速度差及能量传递的转化①液流速度大于气流速度→气流速度大于液流速度；②液体对气体做功→气相对液相做功。⒊能量损失的转化同相间的能量损失占主导地位→异相间的能量损失占主导地位。为此，混输管路的压降采用以下方法处理：一、均相流模型把被输送的气液混合物当作一种均匀介质对待，把气液混输管道当作单相输送管道处理。二、分相流模型法把混输管道内气液两相介质流动当作气相和液相各自的分别流动来处理，因而可把两相化成单相管路处理。第二节油气混输管道的工艺参数一、流量油气混输管道的流量是指气相与液相的流量之和。质量流量：单位时间内流过管路横断面的流体质量。体积流量：单位时间内流过管路横截面的流体体积。二、流速⑴气相和液相流速如右图所示：A=Ag+AL气体实际流速：

液体实际流速：AgAl--气相所占的流通面积---液相所占的流通面积⑵气相和液相的折算速度所谓折算速度，就是假定管子全部断面只被两相混合物中的任一相占据时的流速。即有：气相折算流速：液相折算流速：显然，气相和液相的折算流速小于相应的气液相的实际速度。⑶气液两相混合物的流速气液两相混合物的流速，它表示了气液两相混合物总体积流量与流通面积之比。即：三、滑差和滑动比一般情况下，混输管路的气液两相流速是不相等的，两者的差值称为滑差或滑脱速度，即：滑动比是指混输管道中气相流速与液相流速的比值；即：四、含气率和含液率⑴质量含气率与质量含液率质量含气率表示流过管路流通截面上的气相质量流量与气液混合物总质量流量的比,即：质量含液率：⑵体积含气率和体积含液率体积含气率表示流过管路流通截面上的气相体积流量与气液混合物总体积流量的比,即：体积含液率：⑶截面含气率和截面含液率截面含气率表示管路流通截面上，气相流通面积与管路总流通面积之比。即：

截面含液率：⑷三种含气率之间的关系①质量含气率与体积含气率之间的关系：联解上面两个方程，得：联解上面两个方程，得出两者的关系式，进而求得：②体积含气率与截面含气率之间的关系：对上述两式进行比较分析，得一结论：结论：在混输管路中，气体流速越高，它在管路中占得流通面积越小，液相所占流动面积增多，这种现象称为持液现象。比较上述φβ两式得：五、混合物的密度1、流动密度流动密度常用来计算混输管道的沿程摩阻损失。流动密度（ρf）表示单位时间内流过管道截面的两相混合物的质量流量（G）与体积流量（Q）之比，即：由于：故：2、真实密度真实密度常用来计算由于沿线高程变化引起的混输管道附加压力损失。真实密度ρ，是指Δl长度的混输管道内，所含混合物介质的质量与体积之比，即：六、混合物的粘度常用气液混合物介质的粘度计算公式有：七、压降折算系数1、全液相折算系数：是指某气液混输管道（质量流量为M）的压降梯度与同质量流量下（质量流量为M）纯液相管道的压降梯度之比值称为，即：2、分液相折算系数是指某气液混输管道的压降梯度与该管道内只有液相（此时液相的质量流量为）流动时的压降梯度之比，即：3、分气相折算系数将某气液混输管道的压降梯度与该管道内只有气相（此时气相的质量流量为）流动时的压降梯度之比，即：第三节水平油气混输管道的压降计算一、均相流模型计算混输管道压降气液两相混合均匀，具有相同的流动参数，可以把被输送的气液混合物当作一种均匀介质对待，把气液混输管道当作单相输送管道处理。均相流模型法计算混输管道不同流态的压降公式为：（第一种方法）1.大气油田常用混输公式这是大庆石油学院推荐、大庆油田科学研究院，乃至我国常用的两相管路压降计算公式。几点假设：⑴气体和液体均匀混掺；⑵气液两相没有相对运动，即Vg=Vl；⑶流动过程是一等温流动。由达西公式，积分简化求得大庆油田常用混输管路压降公式，公式中K，将不同流态下的C和n值代入上式，即可得出不同流态下的计算公式：层流：紊流光滑区：混合摩擦区：粗糙区：其中：计算步骤：①计算雷诺数，②根据表8-1判断流态③选用公式计算压降2.杜克勒Ⅰ压降计算法杜克勒（美国休斯敦大学，1960年开始研究，1964年开始发表论文，1969年出研究报告）。杜克勒Ⅰ法，是假设气液两相在管路内混合的非常均匀，符合均相流的假设条件，可以把气液两相管路当作单相管路来进行水力计算，只是水力计算时，用气液混合物的各项参数取代单相流体的参数。按单相液体管路的压降梯度计算公式计算混输管路压降梯度，即：式中均按混合物取值。3.杜克勒Ⅱ压降计算法在实际管路中，气液两相间存在速度滑差，杜克勒Ⅰ压降计算法有较大误差。Ⅱ法是对Ⅰ法的修正。其计算方法同Ⅰ法。但参数发生变化：习题一：已知某混输管道的长度L＝1000m，管内径d＝0.25m，在平均输送温度和平均压力下，原油流量Ql=0.4×10-2m3／s、密度ρl＝830kg／m3、粘度ul＝5×10-3Pa·s，天然气流量Qg＝6.4×10-2m3／s、密度ρg=6.2kg／m3、粘度ug＝1.2×10-5Pa·s。试用均相流型法计算该混输管道的压降。二、分相流模型计算混输管道压降把混输管道内气液两相介质流动当作气相和液相各自的分别流动来处理，即分相流模型。1.洛—马法①求折算速度②判断流态③计算当量压降④计算X；⑤查图求φlφg查⑥求压降备注：曲线1，表示液相层流—气相层流曲线2，表示液相紊流—气相层流曲线3，表示液相层流—气相紊流曲线4，表示液相紊流—气相紊流三、流型模型法计算混输管道压降流型模型计算管道压降的方法是，首先确定混输管路的流型，再根据不同流型的不同特征，采用不同的压降计算方法。

1、混管管道流型的划分方法确定混输管道流型的常用方法是依据实验数据，将影响混输管道流型的诸多因素之间的关系分析，综合制作成流型图，根据流型图查得不同流动参数时的混输管道流型。图8－3所示的贝克流型图和图8－4所示的曼德汉流型图，就是目前较常用的混输管道流型图。

贝克流型图的纵坐标为，横坐标为其中参数θ和ψ的计算式分别为：曼德汉流型图的纵、横坐标分别为液、气相的折算速度，应用时的计算量较小，未考虑流体性质对流型的影响。2、混输管道压降的计算式贝克流型法在计算混输管道的压降时，除波浪流以外，均按混输管道的分气相压降折算系数φg与管道内只有气体单独流动时的压降梯度的乘积计算混输管道的压降梯度，即：不同流型区的分气相折算系数分别按以下经验公式计算：气泡流：气团流：分层流：冲击流：环状流：

波浪流的压降按下式计算：习题2：已知某混输管道，管长L=1500m,管内径d＝0.253m，在平均输送温度和压力下，原油流量Ql＝0.8×10-2m3／s、密度ρl＝860kg／m3、粘度ul＝9.8×10ˉ3Pa·