混輸管線設計關鍵參數與投產注意事項

張騰 柳婷 周剛 張強 王娜 逯玉亮

摘 要 本文以某生產區域為例，對該區的基礎數據和混輸管線方案設計進行了論述，對氣油比、液量預測、凝固點三項參數進行了優化，闡述了投產過程中的注意事項，投產方案中除了要體現投產步驟、人員安排等方面，還要充分考慮應急處置措施。

關鍵詞 混輸管線 水套加熱爐 氣油比 投產事項

中圖分類號：TE973 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）05-0040-02

1 設計概況

某生產區域現有生產油井56口，以單井拉油方式生產。為方便管理、降低生產運行成本，該生產區域擬實施拉改輸工程。

1.2 基礎數據

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：（1）礦化度2×104mg/L～20×104mg/L;（2）水型CaCl2型。

3.產量預測：該生產區域目前總產液量為295.3m3/d，產油量141.7t/d，綜合含水率46.1%。[1]根據地質部門預測，未來5年最大產液量401m3/d，產油量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：（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：（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：（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：方案中設計4臺水套加熱爐，設計參數如表1所示：

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

Q=c · m ·△t

式中Q-熱量（J）;c-比熱容（J/kg℃）;m-質量（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《油氣集輸設計規范》（GB50350）4.4.5中規定的宜為80%～100%。

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-管道內徑（m）;v-管內液體流速（m/s）;g-重力加速度，g=9.81m/s2;λ-水力阻力系數。

管道沿線任意點的輸送介質溫度應按下式計算：

tx=t0+（t1-t0）e-ax

式中tx-管道沿線任意點的輸送介質溫度（℃）;t0-管外環境溫度，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-自然對數底數，宜按2.718取值;a-系數;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

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

2.1 氣油比

油井生產時，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。原油在開采舉升過程中，隨著環境壓力、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區域，集油管線內一般為氣液兩相流。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、液節流、分散氣泡流和環-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λ，λ的取值與流型及雷諾數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《油氣集輸設計規范》（GB50350）中3.0.5條款要求，地質部門應提供10年的產液量預測。地質部門一般根據開發規律進行產液及含水預測。而按照一般的油田開發規律，往往在預測的最后一年達到最大的生產規模，并且與當下的生產規模差異較大。這也是地面配套工程規模普遍較大的原因之一。

2.3 凝固點

凝固點是晶體物質凝固時的溫度。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，在氣源穩定的情況下，這是一種較為經濟的處理方式。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展，“冷輸”可能是更為低碳、經濟的輸送方式。

3 投產過程中的注意事項

3.1 投產方式的選擇

投產方式分冷管直接投產、加降粘劑或稀釋投產、預熱投產。

1.冷管直接投產。投產前直接將輸送戒指輸入到管道中，靠介質自身溫降來加熱管道周圍土壤，這種投產方式成為冷管直接投產。最先進入管道的介質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，介質溫度很快降低至管道埋深處的自然地溫，這部分介質稱為冷油頭，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[4]。對于長輸管道，當地溫接近凝固點時，也可采用冷管直接投產。

2.加降粘劑或稀釋投產。為降低輸送時的摩阻，可在在輸送介質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。預熱投產的方法較為常用，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。預熱投產即在投油前先在管道中輸送熱水，建立穩定的溫場后再投油。為節約投產用水以及燃料，預熱投產可采用正反輸交替預熱，也可采用單向預熱。

3.2 投產過程注意事項

管道投油后要緊密觀察各節點生產參數，不得隨意停輸。泵壓的調節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范圍內。要考慮加熱爐的設計最高出口溫度以及管材的耐溫條件。各節點參數的監測與聯鎖控制可依托信息化建設實現自動調控。

4 結論

管線設計中關聯參數非常多，除了常規基礎參數外，還要根據輸送介質的特殊物性、輸送環境的特殊條件進行補充完善。參數不落實的，需在落實后再進行方案設計。投產過程的組織協調也非常重要，應制定合理的投產方案，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、現場操作人員。組織投產前，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、安全環保隱患。投產方案中除了要體現投產步驟、人員安排等方面，還要充分考慮應急處置措施。

參考文獻：

[1] 李濛，徐浩.海底混輸管線設計中軟件模型對計算結果的影響[J].石油和化工設備，2019（03）：18-22.

[2] 萬宇飛，劉春雨，李立婉，黃巖，郝銘，王文光.考慮海管各覆蓋層蓄熱的停輸溫降與輸送方案[J].石油化工高等學校學報，2021（01）：88-94.

[3] 李文英，張寧寧.大型海底混輸管道多相流水合物實驗裝置設計[J].石油化工高等學校學報，2020（05）：92-98.

[4] 張偉寧.一種控制長距離外輸海管段塞流的方法[J].石油和化工設備，2020（04）：100-103，111.