海上油气田集输管汇偏流工艺控制系统及方法

摘要

本发明涉及一种海上油气田集输管汇偏流工艺控制系统及方法，其中，系统包括来流管、第一出流管、第二出流管、数据采集系统和中央数据处理系统；来流管的入口端从前至后依次设置有第一压力测量装置、流量计量装置和流体物性测量装置；来流管的出口端通过分流单元分为两路，一路连接第一出流管，另一路连接第二出流管；第一出流管的出口处设置有第二压力测量装置，第二出流管的出口处设置有第三压力测量装置；第一压力测量装置、流量计量装置、流体物性测量装置、第二压力测量装置和第三压力测量装置分别与数据采集系统无线通信连接，数据采集系统与中央数据处理系统电连接。本发明用以解决海上油气田开发过程中集输工艺系统偏流控制等问题。

说明书

技术领域

本发明涉及海上油气田集输技术领域，具体是关于一种海上油气田集输管汇偏流工艺控制系统及方法。

背景技术

海上油气田集输工艺系统中，管汇起着前部流体收集和后部流体分配的双重作用。水下管汇用于收集多个水下井口来流，直接回接或通过水下增压系统集中输送至平台。管汇入口处来流一般是不均匀的气液两相流，并且呈现不同的流型。在油气集输系统的管汇终端通常连接多台并联的生产分离器，例如气液分离器、段塞流捕集器。流型、重力、惯性力等因素导致各分离器入口流量无法均匀分配，即出现管汇“偏流”现象。工程上，海上油气田水下集输管汇或者平台集输管汇各个出口管路的管径、长度并非完全一致，有时甚至会有较大偏差，管汇几何结构设计不对称或者安装不对称进一步加剧管汇偏流严重程度。偏流严重时，大部分流体都集中在某一部分管路，或者某一列管路全是气相而另一列管路全是液相，造成管路输量超出其最大允许输量以及引出管出口所连接油气处理装置高负荷运行，影响了生产作业的安全性与经济性。以分离系统为例，部分分离器负荷严重超载，出现“冒顶”或油气水分离紊乱等生产问题，而其他分离器仍存在较大余量，导致分离器运行效率过低。实际生产中，可以通过调节阀门改变管汇各出口压力来控制管汇偏流。但是如何精准控制压力来避免偏流出现是生产中的技术难题。管汇来流流量、压力频繁波动以及受到流型的影响，导致压力的精准调控变得更难。

精准调控压力来避免管汇偏流的前提是能够精准模拟管汇内气液两相流动过程。对于此，可以选用Fluent等数值模型模拟软件模拟偏流过程，但是作为流量分配的基本单元为T型三通管，Fluent等商业软件却无法考虑气液两相流流型对管汇偏流的影响。对于几何对称的管汇，保持管汇各出口压力一致，Fluent等商业软件模拟结果为管汇各出口管路流量均匀分配，虽然不会出现偏流，但模拟结果明显与实际不符。因此，针对实际生产中常见的单入口、双出口海上油气集输管汇，为精准调制压力来避免管汇偏流，有必要提出一种海上油气田集输管汇偏流控制工艺计算方法。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种海上油气田集输管汇偏流工艺控制系统及方法，用以解决海上油气田开发过程中集输工艺系统偏流控制等问题，且能够真实反应分流结构、流型等因素对管汇偏流的影响。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明所述的海上油气田集输管汇偏流工艺控制系统，包括来流管、第一出流管、第二出流管、数据采集系统和中央数据处理系统；所述来流管的入口端从前至后依次设置有第一压力测量装置、流量计量装置和流体物性测量装置；所述来流管的出口端通过分流单元分为两路，一路连接第一出流管，另一路连接第二出流管；所述第一出流管的出口处设置有第二压力测量装置，所述第二出流管的出口处设置有第三压力测量装置；所述第一压力测量装置、所述流量计量装置、所述流体物性测量装置、所述第二压力测量装置和所述第三压力测量装置分别与所述数据采集系统无线通信连接，所述数据采集系统与所述中央数据处理系统电连接，所述数据采集系统用于采集数据，并将数据传输给中央数据处理系统。

所述的海上油气田集输管汇偏流工艺控制系统，优选地，还包括压力控制系统；所述中央数据处理系统与所述压力控制系统电连接；所述第一出流管上设置有第一控制阀，所述第一控制阀位于所述第二压力测量装置的上游；所述第二出流管上设置有第二控制阀，所述第二控制阀位于所述第三压力测量装置的上游；所述压力控制系统分别与所述第一控制阀和所述第二控制阀无线通信连接，所述压力控制系统用于根据所述中央数据处理系统的压力控制方案控制第一控制阀和第二控制阀的开度。

所述的海上油气田集输管汇偏流工艺控制系统，优选地，所述中央数据处理系统包括流动参数计算模块、管路水力计算模块、分流单元水力计算模块以及压力控制方案制定模块；所述流动参数计算模块用于分别计算来流管、第一出流管和第二出流管的气相折算速度、液相折算速度和截面含气率；所述管路水力计算模块用于分别计算管汇无偏流时的来流管、第一出流管和第二出流管摩阻损失；所述分流单元水力计算模块用于计算第一出流管和第二出流管的入口压力；所述压力控制方案制定模块用于调整出第一出流管和第二出流管的管汇控制实施方案。

本发明所述的海上油气田集输管汇偏流工艺控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)通过数据采集系统获取实际生产管汇实时运行参数，并发送至中央数据处理系统，所述实际生产管汇实时运行参数包括管汇来流管入口气相质量流量与液相质量流量、管汇来流管入口压力、管汇第一出流管出口压力和管汇第二出流管出口压力；

2)确定管汇几何参数和流体物性参数，所述管汇几何参数包括来流管的管径、长度、粗糙度和第一出流管和第二出流管的管径、长度、粗糙度，所述流体物性参数包括气相密度、气相粘度、液相密度、液相粘度、液相表面张力；

3)根据获取的管汇实时运行参数、管汇几何参数和流体物性参数，启用中央数据处理系统中的流动参数计算模块进行流动参数计算，并将计算结果发送到管路水力计算模块，所述流动参数计算包括计算管汇无偏流时各管路气相折算速度、液相折算速度和截面含气率；

4)启用管路水力计算模块，根据接收到的流体物性、管路几何参数、气液质量流量，计算得到管汇无偏流时的各管路摩阻损失ΔP

5)启用分流单元水力计算模块，根据分流单元入口压力、流量和分流单元结构特征计算管汇分流后各出流管入口处压力，并将计算结果发送到所述压力控制方案制定模块；

6)若管汇分流单元为分流型结构，则利用分流型结构单元水力模拟方法计算管汇分流后各出流管入口处压力；

7)若管汇分流单元为分支型结构，则利用分支型结构单元水力模拟方法计算管汇分流后各出流管入口处压力；

8)启用压力控制方案制定模块，根据出流管入口压力和摩阻损失计算得到最终的管汇第一出流管和第二出流管的出口压力，作为基于调整出流管压力的管汇控制实施方案；

9)压力控制系统获取中央数据处理系统输出的压力调整方案，通过控制第一出流管和第二出流管的第一控制阀和第二控制阀开度来调整管汇出口压力，进而消除偏流。

所述的控制方法，优选地，所述步骤3)中的各管路气相折算速度V

式中：i为管路编号，0、1、2分别表示来流管、第一出流管、第二出流管；V

各管路液相折算速度V

式中：M

各管路截面含气率α

式中：α

所述的控制方法，优选地，所述步骤5)中，所述管汇分流单元入口压力是根据来流管摩阻损失与来流管入口压力计算的，具体计算公式为：

P

式中：P

所述的控制方法，优选地，步骤6)中利用分流型结构单元水力模拟方法计算管汇分流后各出流管入口处压力的计算公式如式(5)-(14)：

计算各管路质量通量G

式中：G

计算第一出流管和第二出流管流量分配时的压力损失系数，其计算如式(6)：

式中：K

计算液相与气相的密度比R，其计算如式(7)：

计算各管路干度x

计算各管路混合物密度ρ

计算参数W

计算各管路滑脱比S

式中：σ

第一出流管收缩系数C

根据管汇分流处来流压力P

根据管汇分流处来流压力P

所述的控制方法，优选地，所述步骤7)中利用分支型结构单元水力模拟方法计算管汇分流后各出流管入口处压力的计算公式如式(15)-(20)：

计算管汇来流管雷诺数Re

式中：μ

计算系数C

计算第一出流管和第二出流管流量分配时的压力损失系数K

根据各管路截面含气率α

式中：V

根据管汇分流处来流压力P

根据管汇分流处来流压力P

所述的控制方法，优选地，步骤8)中的第一出流管出口压力P

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1)本发明考虑管汇分流单元结构对偏流的影响，实现管汇分流单元的精准模拟；

2)本发明提供管汇出口压力动态实时计算方法，可以为实际生产中管汇偏流实时控制提供一种理论计算方法；

3)本发明提供的一种管汇偏流控制工艺系统，可以为实际生产中管汇偏流控制提供一种新的手段；

4)本发明可广泛应用于海上油气田水下双管回接系统和平台双管集输系统。

附图说明

图1为本发明的海上油气田集输管汇偏流工艺控制系统的示意图；

图2为分流型管汇分流单元结构示意图；

图3为分支型管汇分流单元结构示意图。

图中各附图标记为：

1-数据采集系统；2-中央数据处理系统；3-压力控制系统；4-第一压力测量装置；5-流量计量装置；6-流体物性测量装置；7-第二压力测量装置；8-第三压力测量装置；9-来流管；10-第一出流管；11-第二出流管；12-第一控制阀；13-第二控制阀。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

如图1所示，本发明提供的海上油气田集输管汇偏流工艺控制系统，包括来流管9、第一出流管10、第二出流管11、数据采集系统1和中央数据处理系统2；来流管9的入口端从前至后依次设置有第一压力测量装置4、流量计量装置5和流体物性测量装置6；来流管9的出口端通过分流单元分为两路，一路连接第一出流管10，另一路连接第二出流管11；第一出流管10的出口处设置有第二压力测量装置7，第二出流管11的出口处设置有第三压力测量装置8；第一压力测量装置4、流量计量装置5、流体物性测量装置6、第二压力测量装置7和第三压力测量装置8分别与数据采集系统1无线通信连接，数据采集系统1与中央数据处理系统2电连接，数据采集系统1用于采集数据，并将数据传输给中央数据处理系统2。

在上述实施例中，优选地，本发明还包括压力控制系统3，所述中央数据处理系2统与压力控制系统3电连接；第一出流管10上设置有第一控制阀12，第一控制阀12位于第二压力测量装置7的上游；第二出流管11上设置有第二控制阀13，第二控制阀13位于第三压力测量装置8的上游；压力控制系统3分别与第一控制阀12和第二控制阀13无线通信连接，压力控制系统3用于根据中央数据处理系统2的压力控制方案控制第一控制阀12和第二控制阀13的开度。

在上述实施例中，优选地，中央数据处理系统2包括流动参数计算模块21、管路水力计算模块22、分流单元水力计算模块23以及压力控制方案制定模块24；流动参数计算模块21用于分别计算来流管9、第一出流管10和第二出流管11的气相折算速度、液相折算速度和截面含气率；管路水力计算模块22用于分别计算管汇无偏流时的来流管9、第一出流管10和第二出流管11摩阻损失；分流单元水力计算模块23用于计算第一出流管10和第二出流管11的入口压力；压力控制方案制定模块24用于调整出第一出流管10和第二出流管11的管汇控制实施方案。

本发明提供的海上油气田集输管汇偏流工艺控制系统的控制方法，包括如下步骤：

1)通过数据采集系统1获取实际生产管汇实时运行参数，并发送至中央数据处理系统，所述实际生产管汇实时运行参数包括管汇来流管9入口气相质量流量与液相质量流量、管汇来流管9入口压力、管汇第一出流管10出口压力和管汇第二出流管11出口压力；

第一压力测量装置4实时采集管汇来流管入口压力，流量计量装置5实时采集管汇来流管9入口气相质量流量与液相质量流量，第二压力测量装置7采集管汇第一出流管10出口压力，第三压力测量装置8采集管汇第二出流管11出口压力；

2)确定管汇几何参数和流体物性参数，所述管汇几何参数包括来流管9的管径、长度、粗糙度和第一出流管10和第二出流管11的管径、长度、粗糙度，所述流体物性参数包括气相密度、气相粘度、液相密度、液相粘度、液相表面张力，其中流体物性参数通过流体物性测量装置6采集；

3)根据获取的管汇实时运行参数、管汇几何参数和流体物性参数，启用中央数据处理系统2中的流动参数计算模块21进行流动参数计算，并将计算结果发送到管路水力计算模块22，所述流动参数计算包括计算管汇无偏流时各管路气相折算速度、液相折算速度和截面含气率；

4)启用管路水力计算模块22，根据接收到的流体物性、管路几何参数、气液质量流量，计算得到管汇无偏流时的各管路摩阻损失ΔP

5)启用分流单元水力计算模块23，根据分流单元入口压力、流量和分流单元结构特征计算管汇分流后各出流管入口处压力，并将计算结果发送到所述压力控制方案制定模块；

6)若管汇分流单元为分流型结构，则利用分流型结构单元水力模拟方法计算管汇分流后各出流管入口处压力；

7)若管汇分流单元为分支型结构，则利用分支型结构单元水力模拟方法计算管汇分流后各出流管入口处压力；

8)启用压力控制方案制定模块24，根据出流管入口压力和摩阻损失计算得到最终的管汇第一出流管10和第二出流管11的出口压力，作为基于调整出流管压力的管汇控制实施方案；

9)压力控制系统获取中央数据处理系统2输出的压力调整方案，通过控制第一出流管10和第二出流管11的第一控制阀12和第二控制阀13开度来调整管汇出口压力，进而消除偏流。

在上述实施例中，优选地，所述步骤3)中的各管路气相折算速度V

式中：i为管路编号，0、1、2分别表示来流管、第一出流管、第二出流管；V

各管路液相折算速度V

式中：M

各管路截面含气率α

式中：α

在上述实施例中，优选地，所述步骤5)中，所述管汇分流单元入口压力是根据来流管摩阻损失与来流管入口压力计算的，具体计算公式为：

P

式中：P

在上述实施例中，优选地，步骤6)中利用分流型结构单元水力模拟方法计算管汇分流后各出流管入口处压力的计算公式如式(5)-(14)：

计算各管路质量通量G

式中：G

计算第一出流管和第二出流管流量分配时的压力损失系数，其计算如式(6)：

式中：K

计算液相与气相的密度比R，其计算如式(7)：

计算各管路干度x

计算各管路混合物密度ρ

计算参数W

计算各管路滑脱比S

式中：σ

第一出流管收缩系数C

根据管汇分流处来流压力P

根据管汇分流处来流压力P

在上述实施例中，优选地，步骤7)中利用分支型结构单元水力模拟方法计算管汇分流后各出流管入口处压力的计算公式如式(15)-(20)：

计算管汇来流管雷诺数Re

式中：μ

计算系数C

计算第一出流管和第二出流管流量分配时的压力损失系数K

根据各管路截面含气率α

式中：V

根据管汇分流处来流压力P

根据管汇分流处来流压力P

在上述实施例中，优选地，步骤8)中的第一出流管出口压力P

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。