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20151018油气田地面工程新技术培训班-史博会-油气集输管网仿线选编pptx

2019-08-10 19:04:28 投稿人 : 丢狼战士 围观 : 21 次 0 评论

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  油气集输管网仿真技术 油气储运工程系 史博会 1 内容提纲 2 油气集输概要 油气储运系统 3 油气田集输—矿场油气生产系统的主要组成部分; 长距离管道输送—与铁路、公路、水路及航空并列的五大运输方式之一,是国民经济的大动脉;在战争和严重自然灾害情况下有其独特优势; 油气储存—油气能源生产与供应网络的枢纽或连接点; 城市输配系统—为最终用户提供直接的供应保障。 油气集输分布形式 油气集输概要 4 分散与集中 油气集输流程 油气集输概要 5 压力罐密闭流程 油气集输流程 油气集输概要 6 单 管 流 程 油气集输流程 油气集输概要 7 双 管 流 程 油气集输流程 油气集输概要 8 三 管 流 程 油气集输流程 油气集输概要 9 三 级 布 站 射 状 管 网 油气集输流程 油气集输概要 10 二 级 布 站 射 状 管 网 油气集输流程 油气集输概要 11 二 级 布 站 枝 状 管 网 油气集输流程 油气集输概要 12 一级半流程 油气集输系统 优化问题 规模优化 布局优化 运行优化 沙漠油田 油气集输流程 油气集输概要 13 单管流程:加热,不加热,掺稀油 双管流程:掺活性水,掺热油(液) 三管流程:蒸汽伴随 管网:射状管网,支状管网,环状管网 管理模式:二级管理(大二级,小二级),三级管理,一级半管理 管网优化:管网的形式与布局 高效油气集输技术 油气集输概要 单管,井口加药降粘 管线保温、投球清蜡 双管掺活性水 简化流程,二级、一级半流程 提高回压 14 油气集输管道多相流动分类 油气集输概要 15 气液两相流(天然气/凝析液); 液液两相流(油/水); 气固两相流(含砂、流化床、气动输送); 液固两相流(浆体); 气液多相流(油、气、水); 气液固多相流(油、气、水、砂)。 国内外多相流管道建设情况 油气集输概要 16 已建的大口径、长距离混输管道多为凝析气/液管道,大油气比、高压力,小油气比的原油/气/水管线较少 对于油田内部的集输管道,目前的问题是多相计量和增压问题。 天然气凝析液管道 17 80年代末期于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。 实验技术的进步使人们得到了大量的高质量的数据,为改进理论模型和进行广泛的计算机模拟奠定了基础。 挪威、英国、法国、美国等均在天然气/凝析液混输管路的稳态、瞬态模拟方面作了系列的理论和实验研究。根据水动力学的基本原理及各种流型的特点,提出了基本方程和封闭方程,编制了计算程序和软件,一些软件已商品化,为混输管道的设计提供了依据和运行管理。 油气集输概要 油水两相流管道 18 油-水两相流属液-液两相流范畴,它的研究进展远远落后于气-液两相流、气-固两相流及液-固两相流。油-水两相流规律的研究工作起源于二十世纪初石油工业中稠油的减阻输送研究。在对油气水多相流动研究一段时间后,发现要想清楚地认识油气水多相流,必须掌握油水两相流的流动规律。 九十年代后期,许多国家都开展了油-水两相流的研究工作,主要围绕流型检测、流型及其转换机理和压降预测模型研究三个方面掀起了油-水两相流研究的第二次高潮。 目前对油水两相流的流型种类划分、转换规律还未取得共识。对油水分层流动已提出了简化模型,计算其压降。对更为复杂的油水两相流,求解更加困难。 油气集输概要 油气水三相流管道 19 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,实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方面的研究取得了初步的成果。 有些人认为三相流的流型同气液两相流基本相同;但另一部分人则认为三相流的流型种类多,而且过渡变化复杂,两相流的流型划分方式不能用于三相流流型的预测。 对于压降计算,不少学者认为,在油水混合均匀的情况下,只要能准确地计算出油水混合物的粘度,有些两相流压降公式是可以用于预测三相流压降的。目前工艺计算中还只是借用两相流的关系式,没有建立公认的三相流压降的计算方法。对油水分离的情况还无能为力。另外,尽管有人用漂移流动模型处理了油气水三相流的持液率,但大多数学者均认为,暂没有一种方法可以准确地预测这一重要的流动参数。 油气集输概要 模拟软件应用于混输管道的设计与管理 20 九十年代以来,曾广泛应用以相关式为基础稳态计算软件,如PIPEPHASE、PIPESIM、PIPEFLO迅速让位于瞬态模拟软件。 80年代,挪威将核工业最先使用的双流体模型引入石油两相流问题,开发了OLGA瞬态模拟软件,该软件仍在发展和完善中。目前被斯伦贝谢收购。 90年代,英国、法国也分别先后开发商用瞬态模拟软件PLAC和TACITE;Shell石油公司开发了内部使用瞬态模拟软件Traflow。这些软件的水力学基本方程可归为双流体和漂移流模型两大类,而相应的封闭方程大多是从实验中总结出来的。 目前,我国各设计院都有稳态计算软件PIPEPHASE、PIPESIM等。大庆设计院和海洋研究中心还有OLGA。 油气集输概要 海上钻采平台的结构形式 油气集输概要 21 重力腿式 导管架式固定平台 顺应式平台(塔式) 简易张力腿 浮式生产 张力腿 水下系统 SPAR 深水开发技术 油气集输概要 22 深水油田开发中的海底管道 油气集输概要 23 深水油田开发中的海底管道 油气集输概要 24 油气集输技术难题:立管 油气集输概要 25 a 油气集输面临的问题:乳状液 油气集输概要 26 油气集输面临的问题:固态生成问题 油气集输概要 27 海洋油气开发逐步走向深海。深海油气田的海水温度低、管中静水压力很高,如果天然气凝析液中含有高C分子,管壁将会出现结蜡现象。过冷度大、更高的压力对水合物和蜡沉积的控制提出了更高的要求。 关于天然气水合物生成和原油管道结蜡问题,国内外均进行了大量的研究,取得了一些较为实用的研究成果。为了满足海上油气田开发的要求,还需要进行更深入的研究。 油气集输面临的问题:水合物 油气集输概要 28 油气集输面临的问题:水合物 油气集输概要 29 如何抑制或防止气体水合物生成一直是油气生产和运输部门关注的问题。 对于海底混输管线,这一问题更加突出。目前普遍采用的抑制方法是注入热力学抑制剂,如甲醇、乙二醇等。 近年来水合物动力学抑制剂的开发及应用发展很快,它具有注入浓度低、用量少、节约投资及运行费用等优点。 油气集输面临的问题:结蜡 油气集输概要 30 油气集输面临的问题:结蜡 油气集输概要 31 因管内压力高、管外环境温度低、油壁温度梯度大,深海中的管道结蜡问题将更为严重,对结蜡的预防和控制提出了更高的要求。 结蜡可能造成管线部分堵塞、停输再启动困难等,将严重威胁到管道系统的正常运行,由此引起的险情常有发生。 以管线部分堵塞为例,目前技术水平难以精确定位阻塞点,而且即使找到阻塞点,解堵也很困难,其处理费用也是相当惊人的。 油气集输面临的问题:沥青质 油气集输概要 32 油气集输面临的问题:内腐蚀 油气集输概要 33 油气集输面临的问题:内腐蚀 油气集输概要 34 油气混输管道中输送的多为未经净化处理的油气井产物,天然气中常含有CO2和H2S、H2O,油中含有S和 游离水、砂子等杂质,加上多相流动的影响,其管道内腐蚀经常比单相流动管道要严重。 油气管道内防腐方法可分为三种:界面防护、缓蚀剂保护及选用耐腐蚀管材。近年来,为了满足安全生产和环境保护的要求,除了防腐技术不断改进以外,计算机用于腐蚀控制的领域不断扩大。 管材选择是内腐蚀控制的重点之一。已有研究单位建立了用于酸性环境的干线钢管及焊缝的全环测试,用以检查管材和环焊缝的品质,可以监测HIC、SSC等导致的裂纹及开裂现象。 油气集输面临的问题:结垢 油气集输概要 35 油气集输面临的问题:富气输送技术 油气集输概要 36 油气集输面临的问题:流动安全 油气集输概要 37 油气集输面临的问题:多相计量 油气集输概要 38 80年代末,多相计量装置的开发研制取得较大进展。多相流计量基本上可分为混合均质多相计量和直接在线计量。 Euromatic、BakerCAC、Mobil、Texaco、Atlantic、英国BP等公司的多相流量属于混合均质多相计流量计。挪威和美国合作开发的LP多相流量计、挪威Framo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是直接在线多相流量计,已在各国海上及陆上油气田得到应用。 90年代初,国内各研院所开始着手进行多相计量方面的初步研究工作,目前已有多相计量装置已经进入现场试验验证阶段。 油气集输面临的问题:多相计量 油气集输概要 39 许多石油公司确定了流量计单相份额的范围和精度要求,希望能达到含气率范围为0—99%,含水率范围为0—90%,含液量和含气量的相对误差小于土5%~土l0%。 由于多相流自身的复杂性,多相流量计作为一种高科技含量较高的新技术产品,目前还存在一些问题亟待解决。现在还没有通用性较好的多相流量计,其计量精度普遍在±10%左右。多相流量计的发展趋势是小型化、智能化、高精度、适应性广、安全性高和结构紧凑。 油气集输面临的问题:多相增压 油气集输概要 40 在油气水多相混输泵方面国外已研制出近10种不同类型的多相泵。 按照使用场合不同,分为陆上多相泵和水下多相泵; 按照工作原理的不同,又可分为旋转动力式多相泵和容积式多相泵,前者包括螺旋轴流式多相泵、离心泵等,后者包括双螺杆泵、隔膜泵、线性活塞泵、对转式湿式压缩机等。 油气集输面临的问题:多相增压 油气集输概要 41 最具代表性的是海神计划的研究成果螺旋轴流式多相泵和德国Bornemann泵业公司等生产的双螺杆式多相混输泵,目前这两种泵已有部分工业化产品。 在北海以及巴西海域水下增压泵输系统也已进入检验和考核阶段;但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很大限制,我国引进国外多相泵在现场使用后都遇到了这样或那样的问题。 内容提纲 42 油气物性计算: 黑油模型 组分模型 单管多相流动计算: 流动特点 计算模型 管网结构与模型: 拓扑结构 管网模型 油气集输管网仿线 油气物性计算-黑油模型 黑油模型是描述含有非挥发组分的黑油和挥发性组分的原油溶解气两个系统在油气体系中运动规律的数学模型。也称低挥发油双组分模型。 黑油模型需要提供流体的基本物性,如气、液(包括水)相的体积比(摩尔比)、粘度、密度、溶解油气比、体积系数等。并根据一些关系式计算不同压力、温度下的各项参数。 油气集输管网仿线 油气物性计算-黑油模型 计算过程简单,不涉及复杂的状态和相平衡计算 计算速度快 计算过程绝对收敛 没有考虑物质组分随温度和压力的变化 未考虑反凝析现象等 油气集输管网仿线 油气物性计算: 黑油模型 组分模型 单管多相流动计算: 流动特点 计算模型 管网结构与模型: 拓扑结构 管网模型 油气集输管网仿线 油气物性计算-组分模型 油气集输管网仿线 组分模型是描述含有挥发组分的烃类和气体的数学模型。 组分模型需要提供流体中各种组分的摩尔分数以及它们的基本物性参数(分子量、临界压力、临界温度、偏心因子等)并根据状态方程进行闪蒸计算得到不同状态下油气体系的各种基本物性。 由于流体的组成比较复杂,部分组成含量极低,实际应用中会使用拟组分来代替一些含量较少的组分。 油气物性计算-组分模型 油气集输管网仿线 考虑了物质组分随温度和压力的变化 考虑了反凝析现象 能够准确计算平均温度、压力下各相的质量流量和摩尔分数,并判断段塞流出现的位置和积液量 需要确切知道物质的准确组分 计算精度受状态方程和相平衡模型的影响 涉及非线性方程组的求解,可能不收敛 迭代次数多,计算速度慢,累计误差大 油气物性计算-组分模型 油气集输管网仿线 油气物性计算-组分模型 油气集输管网仿线 立方形状态方程 油气物性计算-组分模型 油气集输管网仿线 SRK-EOS在预测非极性组分体系特性时,具有与PR-EOS相当的预测精度。但是,SRK-EOS仅能描述含水分子的极性体系,不能用于含醇体系。 PR-EOS不仅能较为准确地描述非极性组分体系的相特性,同时能处理含有极性分子(甲醇、乙二醇、水)的体系。其计算临界压缩因子的可靠性优于SRK-EOS,摩尔体积的预测精度更可靠。 PT-EOS引入了临界压缩因子参数ζc,当该参数在0.333至0.307之间时,其计算结果优于PR-EOS和SRK-EOS。对非极性和极性分子的饱和性质,其同样具有较好的预测结果。但是,由于PT-EOS三参数计算的复杂性,限制了其应用。 油气物性计算-组分模型 油气集输管网仿线 改进立方型状态方程对液相体积性质的计算精度,应用较为广泛的改进方法主要包括修正α(T)或者α(T)函数中的参数κ,或者直接修正状态方程。 推荐: 如果选择SRK-EOS和PR-EOS进行相平衡闪蒸计算时,需根据SRK-EOS和PR-EOS参数κ的修正式计算α(T)函数,同时采用Peneloux和Jhaveri-Youngren提出的体积平移法(将气液相体积同时减去一个体积修正常数; 如果选择PT-EOS进行相平衡闪蒸计算时,在没有电解质存在时应用Valderrama(VPT-EOS)提出的经验方程预测相关参数改进该状态方程,如果电解质存在建议应用ZPT-EOS提出的PT-EOS修正方法。 油气物性计算-组分模型 油气集输管网仿线 混合规则-经典随机混合规则 油气物性计算-组分模型 油气集输管网仿线 混合规则-非随机混合规则 Huron-Vidal混合规则 Kabadi-Danner混合规则 不对称NDD混合规则(Asymmetric Non-Density-Dependent Mixing Rulers) 油气输送体系常伴有极性分子(水、醇等)存在。应用经典随机混合规则预测此类体系,需调整非极性-极性分子之间的BIP,但计算精度不高。 因此,非随机混合规则被研究人员提出以适应此类体系,主要是修正和改进混合物状态方程参数。 油气物性计算-组分模型 油气集输管网仿线 混合物逸度计算 油气物性计算-组分模型 油气集输管网仿线 根据油气体系中是否含有水、醇等极性分子,需选择适当的混合规则和状态方程才能保证精度 推荐: 针对不含极性分子的油气体系,选择经典随机混合规则与PR-EOS进行相平衡与烃泡露点计算; 针对仅含水极性分子的油气体系,选择Kabadi-Danner混合规则与SRK-EOS进行相平衡计算; 针对同时含水和醇等极性分子或同时含水合物的油气体系,选择不对称NDD混合规则与VPT-EOS进行相平衡计算; 选择经典随机混合规则与PT-EOS进行水合物生成平衡条件计算; 选择Huron-Vidal混合规则与SRK-EOS进行天然气水露点/含水量计算; 油气物性计算-组分模型 油气集输管网仿真基础理论 烃泡露点计算 57 油气物性计算-组分模型 油气集输管网仿真基础理论 水露点计算 58 油气物性计算-组分模型 油气集输管网仿线 水合物计算 油气物性计算-组分模型 油气集输管网仿真基础理论 蜡平衡预测 60 Won于1986年,提出了用以预测固相相态变化问题的热力学模型,该模型为气-液-固三相模型,采用Soave-Redlich-Kwong状态方程(SRK-EOS)计算体系的气-液平衡问题,利用正规溶液模型计算体系的液-固平衡,最后将两个独立的平衡问题耦合,形成气-液-固三相模型。该模型不适用于原油体系在高压环境中的相态变化。 Hansen在1988年提出了与Won类似的热力学模型,区别仅仅在于液-固平衡的模拟,Hansen采用了聚合物溶液模型来取代Won模型中的正规溶液模型,该模型使用了北海原油实验结果进行了模型调整,因此其对于同一种原油预测的准确性是可以预期的。 油气物性计算-组分模型 油气集输管网仿真基础理论 蜡平衡预测 61 1991年,Pedersen在Won[63]的模型基础上提出了他自己的改良模型,提出了一套对熔化焓和熔化潜热的计算方法,并将相态间的比热容差考虑进了模型之中。但是,当温度低于固相析出点之后,模型会出现高估固相质量分数的问题,而且也没有解决在高压环境下的相态计算问题。 LiraGaleana等学者提出了多固相模型,提出固相有许多互不相溶的固相组成,每一个固相应该被看成一个独立的均一相态。使用(PR-EOS)计算气-液相平衡,其临界参数的计算采用Cavett推荐的关联式。然而,最近关于晶体结构的研究表明,对于三元模拟油体系,多固相模型是适用的,但是对于碳数连续分布的原油体系,该假设就与实际固相析出状态不相符合了。 油气物性计算-组分模型 油气集输管网仿真基础理论 蜡平衡预测 62 Coutinho等学者采用基团贡献法的UNIFAC活度模型模拟液相特性、UNIQUAC模型模拟固相特性,该模型同样得到了实验结果的验证。在2000年,Pauly等人通过引入了SRK状态方程和最新的活度系数模型进行改进,对模拟效果取得了一定的改善,但是模型结果依赖于UNIQAC模型中的二元作用参数选取的准确度,该模型对于具有相近分子质量体系的预测结果准确度不高。 郭天民、马庆兰,西南石油大学的梅海燕和大连理工大学的陈五花等都进行了深入的研究和探索,针对上述的不同模型提出改良,提高了对于某种体系或简单混合物改进模型的计算精度,并对不同模型进行了深入评价。但是,基本上处于方法的验证和参数的修正阶段,并一直持续到现在。 油气物性计算-组分模型 油气集输管网仿真基础理论 蜡平衡预测 63 不论应用何种热力学模型对固相析出过程进行模拟,都需要有可靠的输入数据。 对于人工配制的模拟油体系,实验室手段完全能够保证输入数据的可靠和准确。 但是对于原油体系,现阶段的实验手段还不能完全保证输入数据的可靠性,而且,在大多数情况下,并没有对油品进行完整的实验分析的条件。 采用状态方程计算液相的逸度,正规溶液理论模型计算固相活度系数,可准确地预测出了模拟油和原油体系的析蜡点温度,同时计算了在不同温度下的蜡质析出量的情况 油气物性计算-组分模型 油气集输管网仿线 多相平衡闪蒸计算求解压缩因子的一元三次方程会有三个根,通常认为较大的实根Zmax表征气相,较小的实根Zmin表征液相,中间根没有实际意义。根据真实气体状态方程,可分别计算气液相的摩尔密度。水合物的密度可根据不同水合物结构进行预测 油气物性计算-组分模型 油气集输管网仿真基础理论 黏度-油气黏度 65 常用预测油气黏度的计算方法有两种: 一是对应态原则(CSP - Corresponding State Principle) 二是经验相关式法,对液烃相而言有Lohrenz - Bray - Clark剩余黏度法(LBC-Residual Viscosity Method),对气相而言有Lee - Gonzalez - Eakin经验相关式法。 油气物性计算-组分模型 油气集输管网仿真基础理论 黏度-富水相黏度 66 对于富水相体系黏度计算,主要包括: 对应态原则 纯水黏度经验式法,根据不同压力温度分段确定 盐水黏度经验式法 含有抑制剂的水溶液黏度经验式计算方法 油气物性计算-组分模型 油气集输管网仿真基础理论 黏度-油水乳状液黏度 油水乳状液黏度是水浓度和温度的函数。乳状液最大黏度在反相点时出现,乳状液将从油包水乳状液转变成水包油乳状液。 在没有实验数据的情况下,依据R?nningsen提出的经验式预测油水乳状液的黏度 如果已知实验点(ψw,μr),可通过Pal和Rhodes提出的计算式预测油水乳状液黏度 67 油气物性计算-组分模型 油气集输管网仿线 不同流体的导热系数计算方法也不同。油气体系的导热系数可依据对应态原则进行计算。 水的导热系数,需要根据不同温度和压力条件的经验式计算。 甲烷水合物的导热系数在0.50至0.587之间。 油气物性计算-组分模型 油气集输管网仿线 纯组分理想气体焓是温度的函数。基于Key混合规则,可确定混合物的理想气体焓。 焓变计算式需对状态方程参数am求温度的导数,不同混合规则其计算结果不同,且其解析解计算相对复杂。采用小扰动法,计算am对温度的导数,如下: 油气物性计算-组分模型 油气集输管网仿真基础理论 定压比热和焦汤系数 70 定压比热Cp的定义是在恒定压力时焓对温度的导数。焦汤系数CJT是在恒定焓时温度对压力的导数。为便于数值模拟,采取小扰动法,计算流体的定压比热和焦汤系数: 油气物性计算-组分模型 油气集输管网仿线 表面张力是描述流体相间界面属性的参数。 采用Hough-Stegemeier提出的Weinaug-Katz修正式和Fawcett参数估计相结合的方法,来计算天然气与凝析液烃相的表面张力 采用Firoozabadi和Ramey提出的方法计算烃水之间的表面张力 油气物性计算: 黑油模型 组分模型 单管多相流动计算: 流动特点 计算模型 管网结构与模型: 拓扑结构 管网模型 油气集输管网仿线 单管多相流动计算 油气集输管网仿真基础理论 多相流动管道的特点 73 单相流动 压力 温度 流量 粘度 地形 多相流动 压力 温度 分相流量 分相粘度 地形 相间作用力 流型 相分率 相间传质 相间传热 …… 单管多相流动计算 油气集输管网仿真基础理论 多相流动管道的特点 74 相界面形状不定,规律难寻 气相具有可压缩性 随输送条件(压力、温度)的变化,气液相间产生有质量传递(蒸发、冷凝) 分相之间会形成物性不同的新体系(油水乳状液) 与单相输送管道相比,影响因素多 单管多相流动计算 油气集输管网仿真基础理论 多相流动管道流动计算方法 75 多相流工艺计算大多借鉴经验和半经验关系式,这些关系式都是建立在特定的条件下,有一定的使用范围,一般在经验和半经验关系式的基础上,确定各自的适用范围,并将这些关系式进行组合得到适用范围更广、计算更准确的组合模型关系式 在更深入的流体力学研究的基础上,建立各种流型转化的物理机理模型,并利用计算机求解 单管多相流动计算 油气集输管网仿真基础理论 气液两相流管道流型 76 单管多相流动计算 油气集输管网仿真基础理论 油水两相流管道流型 油水分层流(ST) 界面处有混合的 油水分层流(ST) 油水三层流(3L) 影响油水两相流流型因素复杂,它不仅受介质物性、管道几何形状等因素的影响,而且还受流动中相转变特性等过程因素的影响。 77 单管多相流动计算 油气集输管网仿线 贝克流型图 Scott改进的贝克流型图 曼德汉等流型图 泰特尔—杜克勒流型图 Schicht等流型图 Hewitt与Roberts流型图 单管多相流动计算 油气集输管网仿线 单管多相流动计算 油气集输管网仿线 单管多相流动计算 油气集输管网仿真基础理论 气液两相水力计算方法:纯经验、流型和机理 81 网格划分 稳态模拟方法 利用各种经验与半经验方程,辅助以组分库,可以进行流型判断、压降计算以及管道进出口各种工艺参数计算。 代表软件:pipephase,pipeflow, pipesim等 瞬态模拟方法 从三大基本方程出发对多相流各种工艺参数进行模拟。 典型软件:OLGA, TACITE, TUFFP, PeTra等。 单管多相流动计算-纯经验模型 油气集输管网仿线 纯经验模型即模型中不引入流型的概念,以模仿单相流动的方式建立流动模型,通过完全依赖试验数据的修正参数修正相间滑脱所造成的影响甚至忽略滑脱的影响。 这类模型属于早期的多相流模型,适用条件范围内,具有一定的预测精度。 典型的模型有: 计算水平管压降洛克哈特-马蒂内利模型、杜克勒I模型、杜克勒II模型、修正持液率的弗拉尼根模型,Eaton模型和Oliemans模型 针对垂直管的哈格多恩-布朗(Hagedorn-Brown)模型、奥齐思泽斯模型等等 单管多相流动计算-流型模型 油气集输管网仿线 不同流型下,每个流型下的持液率和压降计算公式也不尽相同。因此该类模型分为两个部分,即流型判断模型以及相含率和压降的计算相关式。 在建立相含率及压降的相关式时,该类型的模型又沿用了无流型模型的建模方式,即在每个流型下建立一个或数个关于相含率以及压降的纯经验相关式。 相比于纯经验模型,这类模型的适用条件宽,精度也比较好,因此在油气工业上得到了比较广的应用。但是,这类模型的纯经验相关式部分也遭不少学者的诟病,也因此产生了一类衍生模型。 比较典型的流型模型有:针对起伏管路的BB(Beggs-Brill)模型、MB(Mukherjee-Brill)模型,针对垂直管路的丹斯—若斯模型、阿齐兹—戈威尔—福格拉锡模型、哈桑-卡比尔模型等等 单管多相流动计算-组合模型 油气集输管网仿线 组合模型:即通过组合不同流型模型的流型判断、相含率和压降的计算相关式,结合各种模型长处,形成新模型。 较有名的组合模型有: BB-Moody模型,用BB相关式进行流型划分、持液率和压降计算,压降计算采用Moody修正; BB-MB-Eaton模型:用BB相关式进行流型划分,Eaton相关式计算持液率,MB相关式计算压降; XB-Barnea-BB模型:管道倾角-15°~15°内,使用XB相关式进行流型判别、持液率和压降计算;倾角在16°~90°范围内,使用Barnea通用流动模型进行流型判别,使用BB相关式进行持液率和压降计算。 单管多相流动计算-机理模型 油气集输管网仿线 机理模型则是在流型模型的基础上的进一步的改进,该模型不但认为不同流型下气液的相互作用机理不同,而且在持液率及压降计算方面进一步机理化,即引入流动的控制方程,并根据每种流型各自的特点,简化控制方程,同时利用摩阻及相间作用的封闭关系,封闭方程组。 在模型的求解上,除了要进行流型判断之外,最重要的是通过数学变换得到关于持液率的非线性方程,利用求解非线性方程得到持液率,之后在进行压降计算。 这种模型通常会结合半理论的流型判别模型,如:Taitel-Dukler模型,Barnea模型等,也是目前较为复杂和严格的模型。典型的模型有:关于起伏管路的Xiao模型、关于垂直管路的Ansari模型和Chokshi模型、Gomez通用模型,及Zhang 通用模型等等 单管多相流动计算-数值模拟方法 油气集输管网仿真基础理论 经典的连续介质力学方法 86 建立在统计分子动力学基础上的分子动力学方法和介观层次上的模拟方法 界面追踪方法 颗粒追踪方法 双流体(多流体)模型方法 基于目前研究,尚没有一种方法能够模拟任意一种多相流动。每种方法均是面对某个特定问题所提出,其出发点和物理假设均是针对某些特定的问题,所以每种方法都有其“优势”和“劣势”,简而言之,就是每种方法均有其使用范围。 单管多相流动计算-界面追踪方法 油气集输管网仿线 这类方法多见于二维和三维流场气液两相流模拟,具体方法即是在气体的区域或液体区域仅是求解各自的N-S方程。而在气液交界面则有各种独到处理,从而实现对于气液界面的重构。 VOF方法,它引入相函数控制求解区域控制方程,并通过求解相函数控制方程获得相函数分布,进而实现气液界面的重构。 而Level Set方法则是把气、液相界面传播用一个高阶函数,即Level Set函数的零值点来表示,由Level Set函数的代数值来区分计算区域中的各相。 单管多相流动计算-颗粒追踪方法 油气集输管网仿线 这类方法多见于二维三维流场,气固、固液两相流模拟 通常是拉格朗日-欧拉方法,即连续相在欧拉坐标值下建模,而颗粒相是拉格朗日方法捕捉每一个颗粒的运动。 用拉格朗日方法描述颗粒相模型称之为离散颗粒模型(DPM)或离散元模型(DEM),通过这些模型实现颗粒的追踪及考虑颗粒与颗粒,颗粒与壁面,颗粒与流体,流体与颗粒的作用。 而对于连续相则是延续了计算流体力学模拟湍流的一般做法建模,也有采用格子-Boltzmann方法建立连续相模型 单管多相流动计算-双(多)流体模型方法 油气集输管网仿线 这类方法将每一种流体都看作是充满整个流场的连续介质,针对各相分别写出质量、动量和能量守恒方程,通过相界面间的相互作用(动量、能量和质量的交换)将两组方程耦合在一起。 对多相流的流型没有限制,所建立的多相流模型是不仅目前较为全面和完整的,求得解中包含的信息也是较为丰富的。 但是真正建立起在物理上理论严密,数学上完全适定,封闭关系能够充分描述物理现象的多流体模型实际上还面临种种挑战。目前来看,这种方法仅是在一维两相流模拟领域取得了很好成果。在核工业领域,绝大多数用做反应堆安全事故分析的两相流数值模拟软件均采用这种方法。 单管多相流动计算-数值模拟方法 油气集输管网仿真基础理论 双流体(多相流)模型 90 对于油气集输管道来说,动辄几十公里或者几百公里,模拟如此长度管道中的多相流动,唯一实际可行的办法是采用一维的两流体或者多流体模型。 管道中的两相流体被看成是两种独立流动的流体,每种流体有各自的控制方程来描述。控制方程组由各相的连续性方程、动量守恒方程和混合能量方程 均相流模型(忽略了相间作用) 分相流模型(各分相的流动相对孤立) 漂移流模型(考虑相间滑脱及空隙率的变化) 双流体模型 定义:均相流动模型简称均流模型,它是把气液两相棍合物看成为均匀介质,其流动的物理参数取两相介质相应参数的平均值。因此可以按照单相介质来处理均流模型的流体动力学问题。 均相流动模型 油气集输管网仿线 均相模型的主要优点是处理方法简单,可用成熟的、单相流体的数值模拟方法来处理两相流问题。 缺点也相当明显:两相相同速度相同压力的假设明显很难成立,混合物的状态方程同样也很难较好表征混合流体的物性变化及热力学关系。因此,该模型在实际中应用并不多。 对于泡状流和雾状流,具有较高的精确性 对于弹状流和段塞流,需要进行时间平均修正 对于层状流,波状流和环状流,则误差较大 均相流动模型-特点 油气集输管网仿真基础理论 定义:将两相流动看成气相、液相各自分开的流动,每相介质都有其平均流速和独立的物性参数。又称分流模型。 求解方法:利用试验或者数学模型预先确定每一相占有过流面的份额(真实含气率)以及介质与管壁的摩擦阻力和两相介质之间的摩擦阻力。然后分别建立每一相的流动特性方程式 分流模型建立的两个条件: 气液两相介质分别有各自的按所占断面积计算断面平均流速; 尽管气液两相之间可能有质量交换,但两相之间是处于热力学平衡状态,压力密度互为单值函数。 分流模型适用于层装流、波状流和环状流。 分相流动模型 油气集输管网仿真基础理论 定义:提出了一个漂移速度的概念,当两相流以某一混合速度运动时,气相相对于该混合速度有一个漂移速度,液相则有一个反向的漂移速度以保证流动的质量、动量、能量守恒。 漂移流动模型 油气集输管网仿线 在漂移流动模型中,既考虑了气液两相之间的相对速度,又考虑了空隙率和流速沿过流断面的分布规律。 与均相模型相比,模型考虑了相间的速度漂移,从形式上属于严格双曲的偏微分方程组,具有良好的适定性,因而更接近于实际情况。 但是,由于受到经验关系的制约,其使用受到一定条件的限制 漂移流动模型-特点 油气集输管网仿真基础理论 定义:考虑两相,认为在同一时刻,同一位置,两相各自拥有各自的密度、速度、压强和温度。对各相分别应用质量、动量和能量守恒定律,进而得到两相的控制方程。 如果假设两相之间压力相等,忽略表面力,体积力只考虑重力的话,对两相分别应用质量、动量、能量守恒定律,经过时间和空间上的积分平均,便得到控制方程 双流体模型 油气集输管网仿线 从宏观的角度分析,两相之间彼此关联,通过相间界面上的质量、动量和能量相互作用项将两相的控制方程耦合起来,利用两相各自的状态方程封闭方程组。在物理背景上,更贴近物理现象本质。 但是为了使模型建立方程组适定或者说成为双曲方程组,一些学者增加在控制方程中压力松弛过程的输运方程提出双压力模型,使模型严格双曲。 而更普遍的做法是在两相的质量和动量方程中加入附加项,如虚拟质量力项、界面压差项等。但是,迄今为止,无论是双压力模型中的压力松弛过程输运方程,还是单压力模型附加项,其形式仍是学术界所争论的焦点。 双流体模型-特点 油气集输管网仿真基础理论 单管多相流动计算 油气集输管网仿真基础理论 双(多)流体模型瞬态数值模拟方法 98 国内外学者对双流体模型进行了大量研究,根据双流体模型控制方程的数学特性,设计了各种数值方法,取得了一定的进展,但是研究远未结束,到目前为止双流体模型的数值求解方法并未成熟。 网格划分 目前的方法大体上可以分为两类: 耦合算法(Coupled methods) 压力修正算法(Segregated methods) 双流体(多流体)模型瞬态数值模拟方法 油气集输管网仿线 耦合方法研究历时最长,早在上世纪80年代初,美国学者在研究核反应堆中的两相流快速瞬变及换热问题时,就提出了关于双流体模型的数值求解方法及相关的封闭关系。 例如Lies所提出的半隐式算法,Mahaffy所提出SETS 算法以及全隐方法。 但是这些早期的算法均有差分格式的阶数只有一阶,数值粘性大,且稳定性差。 耦合数值模拟方法 油气集输管网仿线 随着计算流体力学的不断进步,尤其是TVD格式的出现及其在空气动力学领域的成功应用,也带动了双流体模型的数值研究,一批原本应用于可压缩、超声速流场的数值模拟技术被改造后移植到双流体模型的求解。 Masella等人将Godunov格式移植到双流体模型的数值研究上Coquel等人则是提出了自己的高阶迎风格式。Paillère 等人探索了通矢量分裂(FVS)在双流体模型方面的应用,并将AUSM系列格式拓展至双流体模型求解。Evje和Fjelde基于混合 FVS/FDS技术模拟两相流动, Yoem 和Chang分别提出了双流体模型HLL格式和修正HLLC格式。 这些格式普遍精度高稳定性好,对于理相双流体模型(不考虑摩擦及相间作用,气体理想气体空气液体物性则采用常温下的水物性)的求解,精度高,效果好。但是,这种求解方式在公开的文献中没有应用在工业领域的报道,或许目前仍处于理论研究阶段。 双流体(多流体)模型瞬态数值模拟方法 耦合数值模拟方法 油气集输管网仿线 以SIMPLE系列算法为代表的压力修正算法在不可压缩流场模拟方面应用极为广泛,同时这种算法也被成功的推广到可压缩流场数值模拟方面,但是将这类方法改造并应用于到双流体模型的求解上的先例实际上并不多。 Darwish针对泡状流提出了双流体模型的一系列压力修正算法,并在二维流场中,模拟了喷管中的泡状流。Morales-Ruiz利用一维双流体模型结合SIMPLE算法对制冷管道的两相流动进行数值模拟,但是一维模型并不适定。Issa和Kempf则是通过双流体模型模拟了段塞的生成、生长及随后发展到稳定段塞流的过程,虽然算法上介绍的比较粗略,但是大体上沿袭了压力修正算法的思路。Eugenio等人做了类似Issa的段塞流模拟研究,尽管文献中的细节并不够多,但是可以看出同样是延续了压力修正算法的思路。 双流体(多流体)模型瞬态数值模拟方法 压力修正方法 油气物性计算: 黑油模型 组分模型 单管多相流动计算: 流动特点 计算模型 管网结构与模型: 拓扑结构 管网模型 油气集输管网仿线 管网结构 油气集输管网仿线 管网是由节点和元件组成的,其节点可以是流体进出点或元件连接点,管网系统通过节点同外界联系。 元件是连接于节点间输送介质的设备,可以是管道、调压阀、压缩机等形式,它们实现了特定的工艺要求 因为介质流体在管网中的流动是有方向的,因此在数学上管网结构可被描述为一个连通的有向图。 管网结构 油气集输管网仿线 现实情况中的管网通常具有十分复杂的拓扑结构,如何通过纯数学的语言将管网的拓扑结构表示出来是进行编程计算的基础。矩阵可以简单有效的将管网结构表示出来,且便于编程计算,所以被广泛应用于管网计算当中。 一般管网的结构可以由节点关联矩阵和环路矩阵表示出来 管网结构 油气集输管网仿真基础理论 节点关联矩阵 105 节点关联矩阵是用来描述管网中节点和管段连接关系的矩阵,它是一个以节点编号i为行、管段j编号 为列构成的n*m 阶矩阵。它的元素 定义为: 管网结构 油气集输管网仿真基础理论 环路关联矩阵 106 环路矩阵是描述闭合环路和管段之间连接关系的矩阵,它是一个以闭合环路编号i为行、管段编号j为列构成的c*m阶矩阵。元素定义为: 管网模型 油气集输管网仿线年Hardy Cross教授提出了用于供水管网稳态计算的方法,该方法也称环方程法。其基本思想是:联立节点方程和回路方程构成非线性方程组,并且引入修正流量的概念,通过线性化的方法来进行求解。由于该方法形式简单、使用迭代算法,便于手工进行操作运算,在没有计算机技术条件下使用比较广泛。 1968年Shamir和Howard第一次将节点法应用到了给排水管网当中。一年以后,Michael A. Stoner(1969年)将此方法扩展到了天然气管网当中,然后采用牛顿-拉夫逊法来求解节点方程组,并且在迭代过程中引入加速系数来改善由于初值选择不当而造成计算不收敛的问题。 1973年D.J. Wood等人提出了一种管段方程组的方法,并通过线性化方法求解。 管网模型 油气集输管网仿线 前述单相管网稳态计算方面主要方法的一些概况,气液两相管网的稳态计算的主要思路与单相管网稳态计算的思路是一致的,也是借鉴以上一些方法进行计算。但是由于气液两相流的水力模型更加复杂,且水力模型也比较多,将以上方法应用到气液两相管网的稳态计算中还是存在着一些困难,目前公开发表文献较少。 1990年Mucharam和Adewumi采用线性化方法来进行气液两相管网的稳态计算。他们采用的是Beggs-Brill两相流模型。但是他们对BB模型做了一些假设,并且忽略了流型,而且他们的方法是基于环状管网的,对于枝状管网来说还要增加虚拟管段(管段流量为为零)将枝状管网连接成环才能计算。 管网模型 油气集输管网仿线年Shifeng Tian和Adewumi根据节点法建立数学模型,提出了一种迭代格式简单的求解算法。该算法可应用于任何形状的管网结构中,并且可采用不同形式的两相流水力模型进行求解,通用性比较好。 我国对管道仿真技术的研究开始地比较晚,大概在20世纪70年代左右才开始进行管网稳态计算方面的研究,管网稳态计算数学模型的建立及模型的求解方法主要还是借鉴国外一些成功的经验和方法。 管网模型 油气集输管网仿真基础理论 节点法与环路法 110 节点法的主要思想是:首先给定节点初始压力值以满足环路方程,然后计算管段流量并检查是否满足节点方程,迭代进行计算直到计算结果达到允许误差以内。 环路法的主要思想是:首先给定管段初始流量值以满足节点方程,然后计算管段压降并检查是否满足环路方程,迭代进行计算直到计算结果达到允许误差以内。 节点法和环路法虽然不同,但其基本思想是一致的,即:首先满足节点方程和环路方程两者中的一个,然后再去求解另一个方程 管网模型-节点法 油气集输管网仿线 采用节点法的最大优势是输入的数据比较少,大部分的工作都可以由计算机自动完成,不需要输入回路矩阵信息等,因此,使用及其方便,是目前应用比较广泛的一种计算方法。虽然它的方程数比环方程要多,但就当前计算机发展的水平而言这一点已经不成问题 如何将管段流量写成关于管段两端节点压力的表达式; 如何求解非线性方程组(牛顿-拉夫逊法 管网模型-稳态计算边界条件 油气集输管网仿线 通常情况下气相或气液两相的管网结构可能是非常复杂的,而现实中要进行各种不同的管网问题分析。分析一个特定的管网问题所需要的必要的信息可能不是太明确,所以必须要有一个准则或者方法来判定所研究的管网问题是否可以进行求解或者有解。 文献中最常见的提法是每个节点至少给定一个参数,压力或载荷。但工程上实际遇到的问题是非常复杂的,例如在某些问题中某些节点压力和载荷都是已知或未知,此时,这种提法就不太适用了。 研究者提出了一种具有一般性的提法:一个节点可以任意给定0、1或2个参数,但是给定的参数的数目必须等于节点的数目,并且至少给定一个节点的压力。因为如果节点的载荷已知的话,就可以根据管网整体的质量守恒关系可以求出节点的载荷。 内容提纲 113 知名的油气多相流计算软件 油气集输管网仿线 稳态 PIPEPHASE PIPESIM PIPEFLO 瞬态 OLGA TACITE(IFP\Total\ELF,漂移流,Pipehase的瞬态) TraFlow PLAC OLGA是模拟烃类流体在油井、管道、管网中瞬、稳态多相流动的软件包,由挪威的SINTEF和IFE联合开发,是一些国际石油公司联合资助的两相流项目的产物。 OLGA的商业化运作原由SPT负责。利用SINTEF多相流实验室的大尺寸高压实验环道(长1Km,主要为8英寸管,另有12英寸、4英寸等管径,压力可达90bar,实验介质为烃类流体和氮气或氟利昂)的以及北海油田的数据,不断更新。 OLGA已被斯伦贝谢收购,也在不断改进,目前的版本是OLGA 2015。 OLGA 已经成为石油界非稳态多相流模拟计算的标准化程序。 OLGA 油气集输管网仿线: IFE开始程序的开发 1983: SINTEF启用长距离高压试验环路 1984-1992:IFE和SINTEF联合 1989: Scandpower公司获得OLGA软件商业化的专有权 2012: 并入Schlumberger OLGA 油气集输管网仿真软件概要 OLGA的管流基本模型是双流体两相流模型。 其水力学基本方程有四个:气相质量方程、液相(包括液滴和液膜)质量方程、混合物动量方程、混合物能量方程。 在三相流层状流模型中,增加水相的质量平衡方程,油水之间的滑移速度由油水层之间力平衡确定。对于泡状流和段塞流,油和水处理成均匀的混合物。 OLGA 油气集输管网仿真软件概要 OLGA 油气集输管网仿真软件概要 软件是由基本的流动分析模块、图形用户界面、PVTsim程序和一些可选的功能模块组成。PVTsim由Calsep公司提供,具有PVT模拟、水合物形成预测、结蜡结垢预测、多相闪蒸计算、回归分析、单元操作计算等功能。====》Multiphase 任选模块包括段塞跟踪、三相流、管束、土壤、多相流泵、腐蚀、蜡、井筒、服务器(提供与其他模拟软件,如动态过程模拟器的接口)等模块。 OLGA 油气集输管网仿真软件概要 OLGA 油气集输管网仿真软件概要 OLGA 油气集输管网仿真软件概要 管流计算 油井流入动态 完井设计 段塞控制 人工举升设计与优化 气举 电潜泵 启动与关井 井筒及环空积液 传热分析 油井积水 欠平衡钻井培训 OLGA的应用(油藏与油井) 油气集输管网仿真软件概要 管径与路由 可以模拟任意复杂的管道网络系统 操作 段塞 启动,停输,产量变化 管内积液处理与清管 卸压 传热计算 保温层与埋地管 水合物和蜡沉积 管束与复杂立管 管道运行管理 OLGA的应用(管线) 油气集输管网仿真软件概要 可以模拟整套下游工艺设备系统 段塞捕集器设计 海底分离器设计 控制器设计 抑制剂管理 火炬设计 停输分析 有计划停输 紧急停输 自动控制 OLGA的应用(工艺设备) 油气集输管网仿真软件概要 有害气体跟踪 过载保护 管道破裂 阀门失效 低温安全分析 水击 卸压 热交换器破裂 OLGA的应用(流动安全保障) 油气集输管网仿真软件概要 通过服务器模块,OLGA 可以与管道管理系统相连。比较典型的应用是: 运行支持 监测管线中通过/滞留的液体 MEG在管线中的分布 清管器的操作 预测管线系统非稳定状态的发展变化 OLGA的应用(在线模拟) 油气集输管网仿真软件概要 OLGA 油气集输管网仿真软件概要 OLGA模块 油气集输管网仿真软件概要 提供含水三相管流计算的功能,用来计算与通常的油气两相混输的游离水流动状态 可预测油水之间的滑脱现象速度差,在流量低的情况下,油水之间会存在很大的滑脱速度。因而水会在管线低洼处沉积,导致水在局部地段大量聚集,从而具有产生水段塞的可能。水在局部地段聚集也可能会导致严重的腐蚀问题。 应用 指出管道中哪里会由于水的沉积而产生腐蚀 确定变产过程中油水是否会以段塞的方式流出管线 测算随含水率而变化的油水混合物粘度 解释抑制剂 模拟三相分离器 OLGA-水三相模块 油气集输管网仿真软件概要 与单相管路不同,混输管道内气液两相常以长气泡和段塞交替流过管道截面,在管道终点流出的气、液瞬时流量有很大波动,对管道下游油气加工设备的工作产生不利影响,在管道终点都设有段塞捕集器。 产生段塞流的不同机理: 水力段塞流态 地形起伏 停输再启动 产量变化 清管 OLGA-段塞流模块 油气集输管网仿真软件概要 跟踪每个段塞 从生成到从管线流出或在管线里消失的独特功能 考虑段塞形成、合并、增长和缩短的各种机理 模拟水力段塞 标准OLGA 会忽略掉形状尖锐的液塞前沿 标准OLGA将水力段塞处理为平均值 设计集输装置方面具有很高的使用价值 确定管线下游设备(如分离器、压缩机)能否合理地处理段塞 段塞捕集器/分离器的尺寸 控制系统设计 制定操作指南和程序 OLGA-段塞流模块 油气集输管网仿真软件概要 能确定流体组分的动态变化及每个组分沿管线的分布(时间和空间) 沿管线的流体组分由于如下原因可能会发生变化 滑脱影响(相间速度差) 界面质量传输传递 不同流体汇合入管网 入口处流体组分的改变 OLGA-组分跟踪模块 油气集输管网仿真软件概要 组分模型通过求解每一成分分布在气相、油层、水层、油滴、水滴里的物质守恒方程,跟踪组分随时间和位置的变化。 组分相关的典型情况 管网输送不同流体 停产再启动过程 注气/气举/气体质量跟踪 入口和源的组分变化 卸压过程 地形段塞/安全分析 Stardard OLGA Compositional Tracking Module OLGA-组分跟踪模块 油气集输管网仿真软件概要 采用有限元法模拟管束,埋地管,复杂立管中的流体和传热介质之间的瞬变传热 应用 计算管束横切面温度分布,分析隔热介质的作用 研究同一管束里各个管之间的热交换,例如分析关井期间和启动时的加热 研究埋地管外部土壤里的温度场 计算下列过程的瞬变温度分布 正常生产 关井 驱替 投产 OLGA-三维热传导模块 油气集输管网仿真软件概要 跟踪MEG沿管道的聚集和分布 确定管道中MEG的总量 MEG随产量变化 管道中需要的MEG量 到达处理设备时的MEG量 装置在此流量下能否运行? 确定是否有足够的MEG存在来防止水合物形成 OLGA-水合物抑制剂跟踪模块 油气集输管网仿真软件概要 OLGA 的蜡沉积模块具有计算蜡质成分沿管线传输和沉积过程的功能。当内管壁温度低于结蜡点时,蜡质通过分子扩散沉积到管壁上。当油温低于结蜡点时,蜡质从油中析出。 影响 增加管壁粗糙度 管径减小 由于固体蜡颗粒的沉积油相表观粘度增加 预测是否需要 隔热/加热 注化学剂 清管器清蜡 OLGA-蜡模块 油气集输管网仿真软件概要 由于产液的特性化和物性计算是流体计算的基础,SPT和CALSEP公司合作,OLGA程序包里采用CALSEP公司的物性分析计算程序PVTSim。 PVTSim可以给PIPESIM、PIPEPHASE、OLGA、HYSYS、PRO/II等许多软件建立流体物性文件。 可实现以下计算过程: PVT 模拟 水合物相平衡计算 结蜡预测 多相闪蒸计算 先进的拟合计算 单元过程 PVTsim Wax Multiflash OLGA-物性模块 油气集输管网仿真软件概要 PipePhase是用于油气生产网络和管道集输系统计算的稳态多相流模拟软件,其前身是1970 年代由雪弗龙(Chevron)公司开发的多相流模拟软件,SimSci于1980年将其商业化,取名为PipePhase,目前较新的版本为9.5版(2011年1月发布)。 PipePhase 油气集输管网仿真软件概要 PipePhase具有较广泛的适用性,可用于诸如单井中的关键参数的敏感性分析,到整个油气田跨年度设施规划的分析等各种工作。同时,通过对井下和井筒特征与地面设施进行集成,PipePhase是一种用于油田多方面生产分析的有效工具。 PipePhase整合了现代油气生产方法和软件分析技术,形成了鲁棒的、高效的油田设计和规划工具。PipePhase拥有详尽的物性数据库和友好的用户界面,可处理单相气液体、黑油、组分混合物和蒸汽、CO2等各种流体类型,是目前世界各国油气生产和设计公司大量采用的软件。我国各大油田的设计单位也广泛应用了该软件。 PipePhase 油气集输管网仿真软件概要 油气生产和地面管网 天然气集输和分配管网 工艺管线两相流计算(如:转油线) 公用工程管网(水、蒸汽、仪表风、消防水) 管线的传热分析 管线尺寸设计 节点分析 水合物生成分析 油气田的生产规划和资产管理研究 注蒸汽(水)网络 气举分析 PipePhase应用范围 油气集输管网仿线多种纯组分及其全面的物系参数,且这些参数允许用户调整,同时可处理油品评价数据和石油馏分数据。在热力学方面,采用SimSci的工业标准热力学模型,包括:一般相关式、状态方程、液相活度系数方程、改进的状态方程、特殊物性处理包、Henry法则等。 而对非组成流体,即根据给定的密度等数据和相应的关联式预测流体物性,可处理黑油 (API=45)、气体凝析液(API45)、单相气体、单相液体、蒸汽等类型的流体。 PipePhase工程计算-物性计算 油气集输管网仿真软件概要 采用现今工业常用的算法计算流体的传递性质,包括:热传导率、表面张力和粘度等。对大多用户关心的粘度计算,可允许用户自定义粘度数据。对油水混合物,有三种方法处理,即体积平均、API 14B、油水乳化(Woelflin模型、转化点、乳化曲线种工业上常用的压降(和持液量)计算模型,适合于各种类型的水平、垂直或倾斜管内的单相流和多相流计算。 采用T-D-B的方法根据气液相的折算流速预测流体的流型,用户可以获得管线中每个管段的流型。 PipePhase工程计算-压降、持液率计算 油气集输管网仿真软件概要 PipePhase工程计算-设备计算 油气集输管网仿真软件概要 管线和管件:直管、入口和出口、弯管、三通、管嘴、大小头、文丘里管、孔板等; 阀门:球阀、闸阀、角阀、碟阀、止回阀等; 设备:泵、压缩机、节流阀、加热冷却、调节阀、分离器等 传热计算 可以考虑有保温层,管线在地面管线、水下管线、埋地管线等的传热情况。热量传递取决于流体的温度、压力、物性、流量和周围介质温度、流量等性质以及传热系数等。可计算出整个管网的温度分布。 管网计算 采用联立方程法并结合Newton-Raphson算法和矩阵求解器算法对整个管网进行压力和流量平衡计算,可处理各种复杂度的管网。 PipePhase工程计算 油气集输管网仿真软件概要 PipePhase软件结构 油气集输管网仿真软件概要 安装 PIPEPHASE的单机版(Windows)的安装非常简单,和标准的Windows软件基本一致。另外有网络多用户版可选择,该版本运行在UNIX系统上,网络用户可通过客户端的Windows平台登录后使用。 运行 启动后的界面 PipePhase的使用(以8.1版为例) 油气集输管网仿真软件概要 界面 File Edit View General Special Features 文件管理 结构和单元操作 计算、优化、物性 视图 油气集输管网仿真软件概要 PipePhase的使用(以8.1版为例) 界面中的颜色提示 灰色的文字和图案表示暂时无法使用的菜单和按钮 在模型中采用不同的颜色边框表示不同的模型状态 红色——缺少数据 蓝色——已经提供了数据 暗红色——已经计算的数据 灰色——无效的数据区域 油气集输管网仿真软件概要 PipePhase的使用(以8.1版为例) 物性 流体的物性对于混输管道来说是非常重要的基础数据,与其相关的一些物性参数的计算相关式的选取也会直接影响最终的计算结果。 物性模型主要分两大类组分模型(compositional model)、非组分模型 组分模型需要准确知道流体的各种组分及其在混合物种中所占的比例。软件可通过相平衡计算确定混合物中气液相的含量和性质。 可从具有近2000种组分的组分库中选择 可自定义拟组分或输入自定义组分的特性曲线 非组分模型则通过一些相关式来计算流体的物性。 非组分模型将流体分为:黑油、凝析气、单相液体、单相气体、蒸汽等几类 黑油、凝析气属于两相体系,蒸汽则可能是单相也可能是两相 油气集输管网仿真软件概要 PipePhase的使用(以8.1版为例) 流体系统结构的建立 源(source):源是流体进入流体系统的入口。需要在源中定义流体的基本类型(组分/非组分)和具体的参数 汇(sink):流体流出系统的点。一般需要设置流量、压力、温度等参数。 结点(junction):系统中管道相交的点,在计算中,可以跟踪此处的运行参数 连接(link):连接源、汇、结点;并在其中定义流体设备,命名应是唯一的 系统中必须由至少1个源和1个汇。已知量的数量要和源和汇的和相等。 至少已知1个压力。 如果源和汇的流量未知,应提供估计值 如果不知道源、汇、结点的压力值,可以不用提供估计值;提供估计值可加快收敛速度 油气集输管网仿真软件概要 PipePhase的使用(以8.1版为例) 流体系统结构的建立 流动设备(flow device):普通管(pipe)、立管(raiser)、油管(tubing)、套管环空(annulus)、管件(fitting)等 流动设备(flow device,有长度的) 普通管(pipe):水平、垂直、倾斜;周围可以是空气、水、土壤等;保温或裸管 立管(raiser):垂直或近似垂直,向上流动,传热根据总传热系数或周围介质的导热系数计算 油管(tubing):井筒的生产油管,热损失根据总传热系数和地温梯度计算 套管环空(annulus):热损失根据总传热系数和地温梯度计算 装置设备(equipment device,没有长度的) IPR:产量与油藏流压的关系 完井:井底完井方式(油藏和井底裸眼的界面方式,常见有沙砾填充和射孔) 油气集输管网仿真软件概要 PipePhase的使用(以8.1版为例) 流体系统结构的建立 管件(Fitting) 弯头、单向阀、节流阀、大小头、进出口、喷嘴、孔板流量计、三通、普通阀(闸阀、球心阀、角阀、旋塞阀、球阀、蝶阀等)、文丘里流量计 过程设备(process device) 压缩机、多级压缩机泵、加热/冷却器、泵、调压器(regulator)、分离器、DPDT(任意一种改变流体压力和温度的设备)等 油气集输管网仿真软件概要 PipePhase的使用(以8.1版为例) 压降 压降的计算根据系统中设置的管道的类型不同,有许多计算的方法可供选择。即可以定义一个全局的统一方法,也可以针对不同的管道选用不同的方法。 压降的计算方法采用的都是目前世界上得到广泛认同的一些方法,基本上分为多(两)相流压降计算方法和单相流压降计算方法两大类。 除了选择压降计算方法以外,影响压降计算的主要有内径、管壁粗糙度、管道的倾角、加速度项 油气集输管网仿真软件概要 PipePhase的使用(以8.1版为例) 传热 PIPEPHASE可以考虑有保温层的管线、地面管线、水下管线、埋地管线等的传热情况,但不能进行管件和过程设备传热计算。 传热计算可以通过简单地输入总传热系数实现,也可以进行更细致的计算(需要输入更多的参数,如流动介质、管材和周围环境的导热系数等参数) PipePhase的使用(以8.1版为例) 油气集输管网仿真软件概要 RAS的使用 计算结果分析系统(RAS)是一个独立的程序,通过它用户可以访问模拟过程的所有结果,并生成各种图表。 油气集输管网仿真软件概要 PipePhase的使用(以8.1版为例) 算例分析(case study) 算例分析选项提供了一种非常方便的功能:用户可以通过一次模拟运算,不仅可以得到基本算例(base case)的计算结果,而且还可以得到若干个选取了不同参数的分析算例的结果。分析算例以基本算例为基础,如管网结构一致,主要运行参数一致,但可以修改诸如:管径、源流量、不同的压力、温度等参数。这样,一次运算操作相当于进行了若干次计算,可以大大提高计算工作的效率。对于设计人员选取合理的设计参数(压力的估算,管径的选择等)、以及生产管理人员制定生产计划都是非常有效的。 算例分析选项不限制所修改的参数的数量,建议同一项参数的数值的变化趋势是固定的。 油气集输管网仿真软件概要 PipePhase的使用(以8.1版为例) 算例的创建和运行(以管道模拟为例) 收集算例相关数据 确定物性模型 输入物性参数 建立流动系统结构 输入各节点的参数 选择压降和传热计算方法 设定输出项 运行模拟计算,查看计算报告 生成和查看结果报告 分析计算结果 油气集输管网仿真软件概要 PipePhase的使用(以8.1版为例) 计算模型的创建方法 使用图形界面 初学者易于掌握,容易创建 整体感强,直观 修改较为烦琐 使用文本编辑器 需要记忆大量关键字,类似编程 需要用户对整个算例有较强的整体感 不直观 熟练用户修改模型和参数很方便,便于使用case study 油气集输管网仿真软件概要 PipePhase的使用(以8.1版为例) PIPESIM Suite是Schlumberger(斯伦贝谢)公司开发的针对油气生产系统(油藏、井筒、地面集油管线和输油管道)的设计和分析模拟的工程应用软件。是一款油藏、井筒和地面管网一体化模拟与优化设计软件包,主要由以下主要模块组成: PIPESIM ―单井/管道生产模拟与节点分析 RodPump ― 有杆抽油系统设计和诊断 PIPESIM-Net―油气田管网模拟分析 HoSim―水平井及分支井计算模拟 PIPESIM-GOAL―油田/区块生产优化 PIPESIM-FPT―油气田开发规划 Pipesim 油气集输管网仿真软件概要 PIPESIM是整个软件包的基础模块,最初由Baker-Jardine公司开发,于2001年被Schlumberger公司收购,成为其SIS系统的一部分。 其功能为:单井设计分析和人工举升、管道设计和管径优化、设备计算选型和优化 PIPESIM-Net是在PIPESIM Base System基础模块研究基础上,将井筒和地面生产管网进行统一建模和优化的高级分析工具,可对井和地面管网进行计算模拟分析 PIPESIM基础模块和管网模块的联合可和油藏数模软件(Eclipse) 连接,形成一体化的生产系统建模 (从油藏到地面外输点)。 Pipesim 油气集输管网仿真软件概要 黑油与组份模型物性计算 油气井IPR计算和产能预测 压力、温度剖面精确计算 油井停喷压力预测 油气井节点分析 油气井系统分析(系统进出口压力与产量的关系) 油气井生产参数优化设计 人工举升(气举,电泵)设计和诊断 水平井产能计算 油藏数值模拟数据表生成。包括Eclipse、VIP、 PORES、COM4等格式 井筒/管道内水化物生成预测 流态计算预测 完井参数分析设计 注水井压力系统分析计算 地面设备模拟,包括:分离器、压缩机、减压器、油嘴、泵、加热器和冷却器等 Pipesim功能 油气集输管网仿真软件概要 丰富的多相流计算方法,拥有众多的多相流计算模型(20种以上垂直管流模型,15种以上水平管流模型,提供摩阻和持液率2个修正系数,除提供Baker Jardine公司的多相流计算程序外,还提供Tulsa大学和Shell公司的多相流计算程序 先进的PVT物性预测(多种可组合选择的黑油模型流体物性计算方法,多种可选状态方程的组份模型,丰富的组份库,用户可由实验数据拟合修正计算模型,水合物预测和抑制剂对水化物形成的影响分析 不同类型完井方式的多种产能计算方法 多层生产的油气井IPR和产能计算 准确的油嘴压差和温差计算 图形用户界面提供了易于操作而功效强大的建模系统和数据输入系统,可以快速地建立研究模型并提供详细的设计模拟 用户可设置多种生产条件同时进行计算研究 进行系统分析时可以设定多达10个变量值同时变化,这样使得根据油藏工程研究结果准确地预测油气井生产随时间的变化规律得以实现 Pipesim的特点 油气集输管网仿真软件概要 计算结果有多种变量组合图形输出方式 计算结果图形可方便地拷贝到剪贴板和保存为位图 计算结果数据可方便地转换到Excel等其它办公软件中 灵活精美的绘图工具,高效、丰富和明了的图形窗口帮助 用户可以按自己的需要从软件提供的内容中选择设定自己的输出报告 PIPESIM是PIPESIM Suite的核心。在应用方面有很大的扩展空间 集成性和开放性。PIPESIM 现已实现与斯伦贝谢多种油藏动态分析软件如Eclipse, OFM 等的集成,并为用户链接自己的应用程序提供了开放性的接口 Pipesim的特点 油气集输管网仿真软件概要 油井(包括自喷井、气举井和电潜泵井)、干气井、凝析气井、水井 垂直井、定向井、水平井 单一油/气/水井或地面输油气管道 Pipesim的适用范围 油气集输管网仿真软件概要 多相流模拟 PIPESIM提供了所有目前行业标准的多相流动相关式(经验式和机理式) PIPESIM能够计算并绘制出各种管道系统中不同部位的详细的流态图。并考虑各种倾角的影响 利用气和液的折算流速PIPESIM可以帮助您判断系统各点处的流型,并计算管道系统内的持液率和压力分布 通过预测段塞的大小和出现频率,PIPESIM可以辅助优化管道和处理设备的设计 OLGA-S和TUFFP流动模型可用于鉴别 形成水动力段塞流的关键参数。PIPESIM也 可以预测在立管中可能出现的段塞 Pipesim在管道和设备设计分析中的应用 油气集输管网仿真软件概要 流动保障 PIPESIM能够预测水合物的形成,并能够模拟系统中加入水合物抑制剂的效果 考虑了管道埋藏和部分埋藏条件的精确的传热计算可以帮助在管道设计的过程中进行详细的系统热交换分析,通过模拟集输管道内的温度剖面为系统设计提供依据 Pipesim在管道和设备设计分析中的应用 油气集输管网仿真软件概要 此外,PIPESIM还可以计算并确定管道的冲蚀速度下限以及含砂对管道的磨损,保证所设计的集输管道的安全运行 地面集输设备设计 PIPESIM可以模拟各种通用地面集输设备对整个集输系统设计的影响。 利用 PIPESIM中灵活的敏感性分析选项,在集输系统的设计过程中可通过变化主要的系统参数来选择最佳的管道尺寸和设备规格参数 模拟设备包括: 分离器 泵和多相增压器 压缩机和增压器 加热器和冷却器 油嘴或节流器 其他通用设备等 Pipesim在管道和设备设计分析中的应用 油气集输管网仿真软件概要 井/管网分析(PIPESIM-NET) 作为一种综合的系统分析工具,PIPESIM的模拟范围包括各种闭合、平行和交叉的复杂集输管网。强大稳定的求解算法可模拟采集、输送和注入的管网。 PIPESIM精确的热动力和水动力计算可以在进行管道设计的过程中详细考虑流动保障等关键问题,特别是对复杂多相集输系统。 这些功能将可作为解决下列典型管网分析的依据: 找出生产系统中存在的瓶颈和生产约束; 评价新增并/管道/压缩机的效益; 计算油田集输系统的输送能力; 评价注入(注水/气)系统效率; 预测复杂管网中各点的压力和温度的分布; 油田开发规划; 解决多分枝井的井下干扰问题等。 Pipesim在管道和设备设计分析中的应用 油气集输管网仿真软件概要 典型的井/管网分析功能包括: 计算复杂管网系统的输送能力 预测复杂管网内流动段的压力和温度 识别管网中的瓶颈/约束 流动引起的问题(段塞流, 冲蚀速度) 新井投产对系统的影响 产量回配 对新增井,管道和压缩机产生的效应进行量化 油田规划 井/管网分析模块的设备建模 可对分离器,泵,多相增压器,压缩机,增压器,加热器和冷却器, 油嘴等设备建模。 Pipesim在管道和设备设计分析中的应用 油气集输管网仿真软件概要 安装 PIPEPSIM的单机版(Windows)的安装非常简单,和标准的Windows软件基本一致。 运行 Pipesim的使用(2003版) 油气集输管网仿真软件概要 管网模型建模工具 指针 分离器 集合包 分支 节点 源 汇 生产井 注入井 注释文本框 Pipesim的使用(2003版) 油气集输管网仿真软件概要 多相流的物性计算式 溶解气油比和泡点压力:Lasater, Standing, Vasquez and Beggs, Kartoatmodjo or Glaso. 饱和原油体积系数: Standing, Vasquez and Beggs, Kartoatmodjo or Glaso. 未饱和原油体积系数: Vasquez and Beggs, Kartoatmodjo or Glaso. 死油粘度: Beggs and Robinson, Glaso, Kartoatmodjo or Users data. 饱和活油粘度: Chew and Connally Kartoatmodjo, Khan or Beggs and Robinson. 未饱和活油粘度: Vazquez and Beggs, Kouzel, Kartoatmodjo, Khan or None. 油水混合物粘度: Inversion, Volume Ratio, or Woelflin. 天然气粘度: Lee et al. 天然气压缩系数: Standing, or Hall and Yarborough. Pipesim的使用(2003版) 油气集输管网仿真软件概要 多相流的物性计算式 油水混合物粘度: Inversion, Volume Ratio, or Woelflin. Pipesim的使用(2003版) 油气集输管网仿真软件概要 多相流的压降计算式 如果没有可用的生产数据作为参考,建议使用以下相关式,它们可以给出相对满意的结果: 单相流动系统 - Moody 垂直油井 - Hagedorn & Brown 大斜度油井 - Hagedorn & Brown or Duns & Ros or OLGA-S 气井/凝析气井 - Hagedorn & Brown 输油管线- Oliemans 输气/凝析气管线- BJA Correlation Pipesim的使用(2003版) 油气集输管网仿真软件概要 建立计算模型的一般步骤 选择单位 设定流体(选择组分或非组分模型) 校正数据(可选) 定义模型的组成部分 井部分(如果需要) 管道部分(管网结构、管材等) 现场设备 设定边界条件 设定传热选项 选择多相流相关式 运行分析 分析结果 图形、表格、通过示意图等 Pipesim的使用(2003版) 油气集输管网仿真软件概要 建立计算模型的基本原则 入口温度是必须输入的参数 已知入口压力、流量,可以计算出口压力 已知出口压力、进口流量,可以计算进口压力 已知入口压力、出口压力,可以计算入口流量 P+Q的数量必须与边界点(源+井+汇)总和一致 至少要在边界条件中设定一个压力条件 Pipesim的使用(2003版) 油气集输管网仿真软件概要 建立典型管道计算模型的步骤 选择常用单位制 在模型中加入一个源点 在模型中加入 必要的组件 (水平管道, 设备等) 并输入必要的数据 为每段管道定义传热选项 定义流体参数 (黑油模型 或 组分模型) 流体校正 (可选) 选择合适的水平管流相关式和垂直管流相关式 保存模型 基本模型建立以后即可进行各种分析计算,或将其用于其他PIPESIM模块。 Pipesim的使用(2003版) 油气集输管网仿真软件概要 小结 数据库 界面友好 精度可靠 速度可接受 工艺特点 管网现状 流体属性 物性计算 多相流计算 管网模拟 178/17 针对油气集输管网仿真技术的理论基础与软件应用来看,仍需要投入更多的科研资源,以深入探索! 欢迎交流! 祝大家 身体健康、工作顺利! 179/17

  0181-GB50243-2016 通风与空调工程施工质量验收规范.pdf

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