油氣水三相節(jié)流閥的流通能力研究

王怡

摘 要： 油、氣、水三相混合物的流動規(guī)律較單相或氣液兩相流動更為復(fù)雜，然而目前主要采取單相流方法來計(jì)算三相節(jié)流閥的流通能力。為了更精確地對油氣水三相節(jié)流閥流通能力進(jìn)行計(jì)算，以油氣水三相介質(zhì)流過節(jié)流閥時(shí)的能量守恒方程為基礎(chǔ)，考慮節(jié)流時(shí)的臨界流動和亞臨界流動兩種狀態(tài)，建立了油氣水三相節(jié)流閥流通能力計(jì)算模型；采用二分法對模型進(jìn)行了求解，并編制了相應(yīng)的計(jì)算軟件。以此為基礎(chǔ)，結(jié)合番禺35-1氣田的實(shí)際油氣生產(chǎn)數(shù)據(jù)，分析對不同開度，不同節(jié)流前壓力和不同節(jié)流后壓力下流經(jīng)閥門的總質(zhì)量流量，驗(yàn)證了方法的準(zhǔn)確性。

關(guān) 鍵 詞：三相節(jié)流閥；流通能力；流量；計(jì)算

中圖分類號：TQ 052 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）04-0813-03

Abstract： The flow rule of oil-gas-water three-phase flow is more complex than single-phase flow and two-phase flow. However， now calculation method of three-phase flow is the same as the calculation method of single-phase flow. In order to calculate the flow capacity of three-phase flow through throttle valve more accurately， the calculation method of three-phase flow was established based on fluid mechanics and thermodynamics. Dichotomy was used to solve the model and the calculation software was developed. Using this method， a lot of calculations were conducted for the production data of PY35-1 gas field. The results show that there is a proximate linear positive correlation between the opening of the value and the flow capacity. With the increase of the pressure before throttling， the flow capacity increases， while decreases with increasing of the pressure after throttling.

Key words： Three-phase throttle valve； Flow capacity； Flow； Calculation

為了緩解目前日趨緊張的油氣資源供應(yīng)情況，降低油氣資源的對外依存度，我國的海洋油氣開發(fā)已逐漸向水深為300～1 500 m的區(qū)域發(fā)展[1]。例如，荔灣3-1、番禺35-1、番禺35-2均是我國南海重要的深水天然氣田。深水氣田產(chǎn)出的介質(zhì)一般都是由凝析油、天然氣和水組成的三相混合物[2]。為了對生產(chǎn)井的產(chǎn)量進(jìn)行靈活的調(diào)整和控制，往往需要在井口安裝油氣水三相節(jié)流閥[3，4]。因此，在一定的地層壓力和溫度下，油氣水三相的產(chǎn)量是與節(jié)流閥的緊密相關(guān)的。如何準(zhǔn)確預(yù)測不同開度下的油氣水產(chǎn)量是氣田生產(chǎn)過程中必須要解決的問題。

對于流經(jīng)閥門的單相流動，可基于流體在流經(jīng)閥門時(shí)的連續(xù)性方程、動量方程、能量方程以及閥門特性曲線方程進(jìn)行計(jì)算，并獲得較為準(zhǔn)確的結(jié)果。但是，對于油、氣、水三相混合物而言，油氣水三相之間的速度差異（相間滑脫）就會影響到混合物在閥門處的流通量，從而使得流過閥門的介質(zhì)總量與單相流之間存在較大的差異。因此，不能采用單相流方法來計(jì)算油氣水三相節(jié)流閥的流通能力。

為了準(zhǔn)確掌握油氣水三相節(jié)流閥的開度與閥門過流量之間的關(guān)系，本文根據(jù)已有的研究成果，基于流體力學(xué)和熱力學(xué)原理，建立了油氣水三相節(jié)流閥流動能力計(jì)算模型，研究了求解方法。在此基礎(chǔ)上編制了相應(yīng)的計(jì)算軟件并對影響因素進(jìn)行了分析，并結(jié)合PY35-1氣田的現(xiàn)場油氣生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)對模型參數(shù)的影響進(jìn)行了分析。

1 油氣水三相節(jié)流閥流通能力模型

圖1為此建立油氣水三相節(jié)流閥流通能力數(shù)學(xué)模型所用節(jié)流閥如圖1所示。圖中編號1為節(jié)流閥上游管段，2為節(jié)流閥喉部，3為節(jié)流閥喉部出口，4為節(jié)流閥下游管段。

當(dāng)含有天然氣的介質(zhì)流經(jīng)閥門處時(shí)，其最大流速不能超過當(dāng)?shù)芈曀?，即臨界流速。所以，閥門下游的壓力高于臨界壓力時(shí)的流動稱為亞臨界流動；下游壓力小于或等于臨界壓力時(shí)的流動成為臨界流動[5]。為了精確地預(yù)測油氣水三相介質(zhì)流經(jīng)閥門的量，首先就需要判斷計(jì)算閥門下游的臨界壓力。

Perkins等[6，7]基于三相流動流經(jīng)閥門時(shí)的能量平衡方程推導(dǎo)了臨界壓力計(jì)算公式，如式（1）所示。

式中： ρ為三相流中各組分密度， ；P為流體壓力， ； 為流體比容， ；f為三相流中各組分的質(zhì)量百分率；k為氣體比熱比； 為臨界壓力比，P1/P2； 為流通面積， ； 為流體等熵流動過程流量， ； 為流體比熱容，J/（kg·K）； 為氣體的壓縮因子； 為摩爾氣體常數(shù)，取 ； 為氣體摩爾質(zhì)量， ；下標(biāo) 代表油相；下標(biāo) 代表氣相；下標(biāo) 代表水相參數(shù)；下標(biāo)1代表節(jié)流閥上游管段；下標(biāo)2代表節(jié)流閥喉部。

當(dāng)已知油氣水三相的比例、密度、比熱容、天然氣組分，以及上游管段、節(jié)流閥喉部、節(jié)流閥下游的流通面積以后，可采用二分法求解式（1）中唯一的變量臨界壓力比Pr。進(jìn)而根據(jù)Pr的定義計(jì)算出上游壓力一定的情況下，下游的臨界 P2。若P2小于節(jié)流閥喉部出口3處的壓力，則流動為亞臨界流動，取Pr=P1/P3；反之則為臨界流動，取Pr=1。

Perry等提出，在已知節(jié)流閥上游管段和下游管段壓力，以及閥門喉部流通面積的情況下，可采用式（5）計(jì)算3處的壓力。

式中，d為直徑。

根據(jù)Perkins等人的方法，在獲得臨界壓力比以后，可采用式（6）計(jì)算得到一定開度下閥門的流通能力。

2 模型求解

根據(jù)模型的特點(diǎn)，求解油氣水三相節(jié)流閥流通能力數(shù)學(xué)模型的流程如圖2所示。

3 實(shí)例分析

根據(jù)以上模型和求解流程，采用Visual C# 2010語言編制了油氣水三相節(jié)流閥流通能力計(jì)算程序。以該程序?yàn)榛A(chǔ)，結(jié)合我國南海番禺35-1氣田的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)例計(jì)算，并對模型參數(shù)的影響因素進(jìn)行了分析。

氣井的生產(chǎn)數(shù)據(jù)如表1所示，天然氣的組成如表2所示。其中凝析油的密取800 kg/m3，水的密度為996 kg/m3，天然氣的密度采用PR狀態(tài)方程進(jìn)行計(jì)算。閥門上游油管徑均為1.995英寸，閥門全開時(shí)的流通直徑為0.687英寸。

3.1 閥門開度對流通能力的影響

假設(shè)閥門開度-流通面積關(guān)系為線性關(guān)系，采用以上方法計(jì)算得到的到閥門開度與流經(jīng)閥門的油氣水三相的總質(zhì)量流量之間的關(guān)系如圖3所示。

由圖可知，閥門開度與閥門流量之間近似成線性關(guān)系，隨閥門開度的增加，閥門的流量增大，即流通能力增強(qiáng)。

3.2 節(jié)流前壓力對流通能力的影響

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，改變節(jié)流閥節(jié)流前的壓力，其它參數(shù)保持不變，得到三組閥門流量與節(jié)流前的壓力之間的關(guān)系曲線如圖4所示。由圖可知，隨節(jié)流閥節(jié)流前壓力的增加，節(jié)流閥的流量增大，流通能力增強(qiáng)。

3.3 節(jié)流后壓力對流通能力的影響

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，改變節(jié)流閥節(jié)流前的壓力，其它參數(shù)保持不變，得到三組閥門流量與節(jié)流前的壓力之間的關(guān)系曲線如圖5所示。由圖可知，隨節(jié)流后壓力的增加，節(jié)流閥的流量減小，節(jié)流閥的流通能力減弱。

以上計(jì)算結(jié)果均是以閥門開度與流通面積為線性關(guān)系的假設(shè)為基礎(chǔ)而得到的。對于快開閥、等百分比閥，雖然其流通特性與上述結(jié)果存在一定的差異，但是也可采用本文所述的方法進(jìn)行計(jì)算。

4 結(jié) 論

（1）以油氣水三相介質(zhì)流過節(jié)流閥時(shí)的能量守恒方程為基礎(chǔ)，考慮節(jié)流時(shí)的臨界流動和亞臨界流動兩種狀態(tài)，建立了油氣水三相節(jié)流閥流通能力計(jì)算模型。采用二分法對模型進(jìn)行了求解，并編制了相應(yīng)的計(jì)算軟件。

（2）以番禺35-1氣田的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析對不同開度，不同節(jié)流前壓力和不同節(jié)流后壓力下流經(jīng)閥門的總質(zhì)量流量，證明了本文所提出方法的可行。

（3）本文的研究成果為合理油氣水三相節(jié)流閥的選型、運(yùn)行、管理提供了可靠的理論和技術(shù)支撐。

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