混輸管線設計關鍵參數(shù)與投產(chǎn)注意事項

張 騰 柳 婷 周 剛 張 強 王 娜 逯玉亮

（魯勝公司生產(chǎn)管理部，山東東營 257000）

1 設計概況

某生產(chǎn)區(qū)域現(xiàn)有生產(chǎn)油井56 口，以單井拉油方式生產(chǎn)。為方便管理、降低生產(chǎn)運行成本，該生產(chǎn)區(qū)域擬實施拉改輸工程。

1.2 基礎數(shù)據(jù)

1.原油物性：（1）原油密度（20℃）0.87g/cm3；（2）原油粘度（50℃）33mPa?s～39mPa?s；（3）凝固點28℃～35℃；（4）氣油比30.0m3/t。

2.地層水性質(zhì)：（1）礦化度2×104mg/L～20×104mg/L；（2）水型CaCl2型。

3.產(chǎn)量預測：該生產(chǎn)區(qū)域目前總產(chǎn)液量為295.3m3/d，產(chǎn)油量141.7t/d，綜合含水率46.1%。[1]根據(jù)地質(zhì)部門預測，未來5 年最大產(chǎn)液量401m3/d，產(chǎn)油量197t/d，綜合含水44.7-50.6%。

1.3 方案設計

1.路由選擇。方案以A 點為管輸起點，沿B 點、C 點、D 點向E 點輸送。A-B 段單井集油管線設計參數(shù)：（1）設計輸液量20m3/d；（2）設計壓力1.6MPa；（3）設計溫度80℃。B-D 段外輸集油干線設計參數(shù)：（1）設計輸液量200m3/d；（2）設計壓力1.6MPa；（3）設計溫度80℃。D-E段集輸干線設計參數(shù)：（1）設計輸液量450m3/d；（2）設計壓力1.6MPa；（3）設計溫度80℃。

2.管線及管徑選擇。A-B 段單井集油管線DN65 鋼骨架復合管1.5km，B-D 段集油干線DN75 鋼骨架復合管5.0km，D-E 段混輸管線DN100 鋼骨架復合管6.5km，全長13km[2]。

3.主要設備設施。A 點安裝50kW 水套加熱爐1 臺。B點安裝100kW 水套加熱爐1 臺，Q=5m3/h、P=1.6MPa 油氣混輸泵1 臺。C 點安裝150kW 水套加熱爐1 臺，Q=30m3/h、P=1.6MPa油氣混輸泵1臺。D點安裝200kW水套加熱爐1臺，Q=30m3/h、P=1.6MPa 油氣混輸泵1 臺，φ1200mm 立式分離器1 臺。

4.水套加熱爐選型：

（1）設計參數(shù)：方案中設計4 臺水套加熱爐，設計參數(shù)如表1 所示：

表1 水套加熱爐設計參數(shù)

（2）設備選型：在給定溫升范圍的前提下，根據(jù)熱力學熱量計算公式，可以求得各節(jié)點所需的加熱負荷。

式中Q-熱量（J）；c-比熱容（J/kg℃）；m-質(zhì)量（kg）；△t-升高（或降低）的溫度（℃）

在設計液量下對水套加熱爐熱負荷核算，各節(jié)點所需熱負荷見表2，加熱爐的負荷率滿足《油氣集輸設計規(guī)范》（GB50350）4.4.5 中規(guī)定的宜為80%～100%。

表2 水套加熱爐熱負荷核算表

5.水力熱力校核：

（1）水力熱力計算方法。由于混輸管道流動規(guī)律復雜，至今還沒有適應各種情況的壓降計算方法，當所屬液體呈牛頓流體時，油氣混輸管道的沿程摩阻由達西公式計算：

式中h-管道沿程摩阻，液柱（m）；L-管道長度（m）；d-管道內(nèi)徑（m）；v-管內(nèi)液體流速（m/s）；g-重力加速度，g=9.81m/s2；λ-水力阻力系數(shù)。

管道沿線任意點的輸送介質(zhì)溫度應按下式計算：

式中tx-管道沿線任意點的輸送介質(zhì)溫度（℃）；t0-管外環(huán)境溫度，埋地管道取管中心深度地溫（℃）；t1-管道計算段起點的計算溫度（℃）；e-自然對數(shù)底數(shù)，宜按2.718取值；a-系數(shù)；x-管道計算段起點至沿線任意點的長度（m）。

（2）水力熱力核算。利用Pipephase 按照杜克勒Ⅱ法建立模型，進行模擬核算。

2 關鍵參數(shù)

理論計算是可行性研究階段的基礎，只有基礎數(shù)據(jù)真實可靠才能為理論計算提供支撐。方案設計之初，生產(chǎn)單位需提供詳細的生產(chǎn)資料，如指標預測、油品物性、水分析、地面構(gòu)建筑物等，這些數(shù)據(jù)都會影響計算結(jié)果，下面對氣油比等三項基礎數(shù)據(jù)做著重說明。

2.1 氣油比

油井生產(chǎn)時，油和氣同時從井中排出，采出每噸原油所帶出的天然氣體量成為氣油比，也稱油氣比。氣油比是管線設計中非常重要的基礎參數(shù)。原油在開采舉升過程中，隨著環(huán)境壓力、溫度的變化，會使溶解在原油中的伴生氣不斷析出，所以在氣油比較大的生產(chǎn)區(qū)域，集油管線內(nèi)一般為氣液兩相流。水平氣液兩相流管道中，隨著氣速的增加，流型依次為分層流、波狀流、長泡流、液節(jié)流、分散氣泡流和環(huán)-霧狀流。不同的流型對水力熱力計算有著較大影響。沿程摩阻計算時要考慮水力阻力系數(shù)λ，λ 的取值與流型及雷諾數(shù)Re有關[3]。同時，氣油比還影響到伴生氣量的預測，關乎到熱力設備燃料選型與能力核算問題。

2.2 液量預測

按照《油氣集輸設計規(guī)范》（GB50350）中3.0.5 條款要求，地質(zhì)部門應提供10 年的產(chǎn)液量預測。地質(zhì)部門一般根據(jù)開發(fā)規(guī)律進行產(chǎn)液及含水預測。而按照一般的油田開發(fā)規(guī)律，往往在預測的最后一年達到最大的生產(chǎn)規(guī)模，并且與當下的生產(chǎn)規(guī)模差異較大。這也是地面配套工程規(guī)模普遍較大的原因之一。

2.3 凝固點

凝固點是晶體物質(zhì)凝固時的溫度。對于高凝原油，在管線長、液量低的情況下如何控制各節(jié)點的溫度是設計的“技術難題”。部分方案采用增加熱力設備，用熱量接替的方式來保證整段管線的運行溫度，在氣源穩(wěn)定的情況下，這是一種較為經(jīng)濟的處理方式。原油集輸方式可分為加熱輸送和冷輸兩種，目前長慶油田等地已經(jīng)將不加熱“冷輸”工藝應用到了DN80 管徑的集油支干線上。雖然“凝固點高”在一定程度上加大了輸送難度，但是可以預見的是隨著工藝技術的發(fā)展，“冷輸”可能是更為低碳、經(jīng)濟的輸送方式。

3 投產(chǎn)過程中的注意事項

3.1 投產(chǎn)方式的選擇

投產(chǎn)方式分冷管直接投產(chǎn)、加降粘劑或稀釋投產(chǎn)、預熱投產(chǎn)。

1.冷管直接投產(chǎn)。投產(chǎn)前直接將輸送戒指輸入到管道中，靠介質(zhì)自身溫降來加熱管道周圍土壤，這種投產(chǎn)方式成為冷管直接投產(chǎn)。最先進入管道的介質(zhì)在輸送過程中始終與未升溫的冷管壁接觸，隨著輸送距離的增長，介質(zhì)溫度很快降低至管道埋深處的自然地溫，這部分介質(zhì)稱為冷油頭，其散失的熱量主要用于加熱管材本體。冷油頭溫度接近或低于凝固點時，會使輸送的摩阻急劇升高。因此，只有當大排量輸送、輸送距離較短、投油時管道埋深處地溫較高時，才能采用冷管直接投產(chǎn)[4]。對于長輸管道，當?shù)販亟咏厅c時，也可采用冷管直接投產(chǎn)。

2.加降粘劑或稀釋投產(chǎn)。為降低輸送時的摩阻，可在在輸送介質(zhì)中摻稀油或加入化學添加劑，降凝降粘后投入冷管道，一般在某些特定工況下使用。

3.預熱投產(chǎn)。預熱投產(chǎn)的方法較為常用，尤其對于輸送易凝原油的長輸管道，一般均采用此方法投產(chǎn)。預熱投產(chǎn)即在投油前先在管道中輸送熱水，建立穩(wěn)定的溫場后再投油。為節(jié)約投產(chǎn)用水以及燃料，預熱投產(chǎn)可采用正反輸交替預熱，也可采用單向預熱。

3.2 投產(chǎn)過程注意事項

管道投油后要緊密觀察各節(jié)點生產(chǎn)參數(shù)，不得隨意停輸。泵壓的調(diào)節(jié)既要考慮前端油井回壓是否合理，又要考慮后端泵入口壓力變化，同時泵出口壓力又應在設備自身合理運行工作參數(shù)范圍內(nèi)。要考慮加熱爐的設計最高出口溫度以及管材的耐溫條件。各節(jié)點參數(shù)的監(jiān)測與聯(lián)鎖控制可依托信息化建設實現(xiàn)自動調(diào)控。

4 結(jié)論

管線設計中關聯(lián)參數(shù)非常多，除了常規(guī)基礎參數(shù)外，還要根據(jù)輸送介質(zhì)的特殊物性、輸送環(huán)境的特殊條件進行補充完善。參數(shù)不落實的，需在落實后再進行方案設計。投產(chǎn)過程的組織協(xié)調(diào)也非常重要，應制定合理的投產(chǎn)方案，成立專門的工作小組，成員應包括但不限于設計人員、主要設備設施供應商、施工人員、現(xiàn)場操作人員。組織投產(chǎn)前，應由工程主管部門組織各相關部門進行工程驗收，確保工程按圖施工，無技術、安全環(huán)保隱患。投產(chǎn)方案中除了要體現(xiàn)投產(chǎn)步驟、人員安排等方面，還要充分考慮應急處置措施。