張 俊， 王 強(qiáng)， 辛敏東， 張愛娟

(1.中國石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東青島 266580; 2.中國石油工程建設(shè)公司北京設(shè)計(jì)分公司，北京 100101)

加拿大SAGD油砂集輸管網(wǎng)適應(yīng)性評(píng)價(jià)

張 俊1， 王 強(qiáng)2， 辛敏東2， 張愛娟1

(1.中國石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東青島 266580; 2.中國石油工程建設(shè)公司北京設(shè)計(jì)分公司，北京 100101)

集輸管網(wǎng)適應(yīng)性評(píng)估是對(duì)已設(shè)計(jì)好的管網(wǎng)系統(tǒng)面對(duì)將來可能出現(xiàn)的工況進(jìn)行模擬，評(píng)估其適應(yīng)能力。運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)手段，建立了加拿大Mackay River SAGD油砂乳狀液集輸管網(wǎng)的瞬態(tài)計(jì)算模型，分析了分輸、混輸兩種集輸模式管網(wǎng)系統(tǒng)的溫降、壓降等水力-熱力特性。結(jié)果表明，兩種模式下設(shè)計(jì)的管網(wǎng)系統(tǒng)均可以滿足采油，分離等生產(chǎn)工藝的要求。對(duì)于管網(wǎng)腐蝕問題，運(yùn)用腐蝕模型進(jìn)行了模擬計(jì)算，結(jié)果表明分輸情形下CO2腐蝕嚴(yán)重， 建議使用混輸模式。特別地，對(duì)于井口出砂對(duì)管線彎頭的磨蝕預(yù)測(cè)進(jìn)行了模擬計(jì)算，結(jié)果表明出砂磨蝕并不嚴(yán)重，管網(wǎng)整體適應(yīng)性良好。這種多相混輸及磨蝕的模擬計(jì)算，為加拿大SAGD油砂集輸管網(wǎng)適應(yīng)性評(píng)價(jià)提供了較為準(zhǔn)確的手段，可為管網(wǎng)的規(guī)劃、改造及優(yōu)化提供依據(jù)。

集輸管網(wǎng)； 水力-熱力計(jì)算； 磨蝕預(yù)測(cè)； 適應(yīng)性評(píng)價(jià)

加拿大油砂儲(chǔ)量極其豐富，近幾年油砂的開發(fā)火熱，我國石油公司也紛紛進(jìn)軍加拿大油砂市場(chǎng)，并積極與外方合作開發(fā)油砂。由于環(huán)保限制，加拿大開采油砂主要采用SAGD工藝，通過高溫高干度的蒸汽注入地下，降低油砂黏度，再通過泵舉升至地面[1]，然后通過集輸管網(wǎng)將SAGD產(chǎn)出液輸送至中心處理廠進(jìn)行后續(xù)的分離等處理。

SAGD產(chǎn)出液具有高溫高壓、組分復(fù)雜等特點(diǎn)，是一種油氣水砂的混合物[2]。這對(duì)管網(wǎng)壓降、溫降特性的獲得與掌控造成了困擾。同時(shí)，混輸管網(wǎng)中介質(zhì)所含的腐蝕性氣體如CO2、H2S等造成的腐蝕危害，以及含砂對(duì)管線彎頭處的磨蝕危害等都缺乏一個(gè)量化認(rèn)識(shí)。所有這些問題都?xì)w集到研究集輸管網(wǎng)的適應(yīng)性問題，即能否適應(yīng)該種流體的輸送以及運(yùn)行過程中的工況變化，滿足輸送工藝技術(shù)指標(biāo)要求，保證安全性及可靠性。

多相流模擬技術(shù)的發(fā)展為這一問題的解決提供了很好的途徑，通過對(duì)管網(wǎng)集輸建立瞬態(tài)計(jì)算模型，采用數(shù)值方法對(duì)模型求解，獲得管網(wǎng)運(yùn)行過程的數(shù)據(jù)，可為設(shè)計(jì)人員提供評(píng)價(jià)管網(wǎng)適應(yīng)性，并為管網(wǎng)的優(yōu)化及改造等提供依據(jù)[3]。

1 正常工況管網(wǎng)的模擬計(jì)算

正常工況的模擬計(jì)算是指在設(shè)計(jì)流量下，僅考慮輸送工藝，校核集輸管網(wǎng)中的井口回壓是否滿足采油工藝規(guī)定的要求。同時(shí)，校核對(duì)于管內(nèi)混合速度是否超過磨蝕速率。

1.1設(shè)計(jì)集輸管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

研究目標(biāo)管網(wǎng)是針對(duì)加拿大Mackay River區(qū)塊SAGD油砂開發(fā)一期設(shè)計(jì)的管網(wǎng)[4]。一期工程共有AA、AB、AC、AD、AE、AF、AH、AI、AJ 共計(jì)9個(gè)井場(chǎng)，46口單井。集輸管線設(shè)計(jì)公稱直徑為152.4、203.2、254.0、304.8、406.4、762.0 mm，井場(chǎng)及管線布局如圖1所示。

圖1 井場(chǎng)管網(wǎng)布置

Fig.1WellpadLayoutdiagram

管網(wǎng)中集輸干線路由、集輸支線路由和各井場(chǎng)集油管線路由如圖2所示。

圖2 集輸干支線路由和各井場(chǎng)集油管線路由圖

Fig.2Gatheringtrunkline，gatheringlateralandwellpadoilgatheringpipelineroutediagram

由圖2可以看出，除了集輸干線外，集油管線、集輸支線的起伏都比較小，路由平緩。而2條集輸干線的起伏較大。管線的起伏導(dǎo)致特別是低洼處積液量較大，從而造成在這些區(qū)域發(fā)生腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)增大。

此外，集輸管網(wǎng)管線設(shè)計(jì)了保溫層，選擇材料為氣凝膠和巖棉，其中僅有通往中心處理廠MCP(Mackay River Central Plant)的管線采用巖棉其余管線均采用氣凝膠保溫。表1是保溫材料的基本參數(shù)[5]。

表1 保溫材料基本參數(shù)Table 1 Thermal insulation material parameter

氣凝膠為新近開發(fā)的保溫材料，經(jīng)測(cè)試其保溫性能卓越，優(yōu)于其他保溫材料，能夠適應(yīng)加拿大地區(qū)冬季最低氣溫-45 ℃的要求。

1.2管網(wǎng)計(jì)算模型的建模

管網(wǎng)計(jì)算模型的建立是基于控制方程、質(zhì)量方程、動(dòng)量方程及能量方程。對(duì)于管線輸送介質(zhì)的每一相建立守恒微分方程，通過閉合關(guān)系式將方程封閉。采用數(shù)值方法對(duì)微分方程進(jìn)行求解[6]?？傻萌我鈺r(shí)刻任意位置管線參數(shù)。并且，此種多相流機(jī)理模型能夠和腐蝕模型進(jìn)行耦合從而可以計(jì)算管線任意位置的腐蝕速率[7]。

該模型采用“控制容積法”及“交叉網(wǎng)格”對(duì)每根管線進(jìn)行離散及網(wǎng)格劃分，其中體積型參數(shù)(如壓力、密度等)均存儲(chǔ)于網(wǎng)格的中間而流動(dòng)參數(shù)如(速度、質(zhì)量流量等)都存儲(chǔ)于網(wǎng)格邊界。

對(duì)于本工程Mackay River一期管網(wǎng)根據(jù)上述原則，建立數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行程序求解。其中管網(wǎng)的輸入條件為各個(gè)管線入口的流量、入口溫度以及出口壓力。據(jù)此可利用該模型求得定義工況下，管網(wǎng)每條管線任意處的壓力和溫度分布，并監(jiān)控預(yù)測(cè)任意處的腐蝕情況。

本例中，集輸管網(wǎng)計(jì)算模型如圖3所示，各井場(chǎng)AF、AC、AJ、AA、AD、AB、AE、AI、AH均稱為管線入口節(jié)點(diǎn)，中間混合處使用專門的接合節(jié)點(diǎn)模擬(AFI、 N2、 A3、 A2、A1、N1、 NS、S1、S2、AI1、AI2、AHI等)，中心處理廠MCP為管線出口節(jié)點(diǎn)。環(huán)境溫度取一期管網(wǎng)設(shè)計(jì)溫度-45 ℃。

圖3 集輸管網(wǎng)計(jì)算模型

Fig.3Gatheringnetworkcalculationmodel

模擬輸入管線入口參數(shù)如表2所示，MCP處理廠出口壓力為1 647.2 kPa。

表2 管線入口運(yùn)行參數(shù)Table 2 Pipeline inlet operation condition

1.3模擬計(jì)算結(jié)果及分析

1.3.1 壓降溫降分析 將模擬結(jié)果整理，結(jié)果如表3所示，分析管網(wǎng)的壓降及溫降特性。

表3 集輸管網(wǎng)的壓降/溫降數(shù)據(jù)Table 3 Gathering pipeline pressure and temperature reducing data

續(xù)表3

管線編號(hào)進(jìn)口壓力/kPa進(jìn)口溫度/℃出口壓力/kPa出口溫度/kPa壓降/kPa溫降/℃81963.7187.01915.8186.647.90.491903.1186.01886.8185.916.30.1102033.2187.01896.7186.0136.51.0111877.1185.91854.5185.822.60.1121843.3184.41649.7183.4193.61.0131749.4187.01712.7186.636.70.4141705.7186.51689.3185.516.41.0151688.3185.41688.1183.90.21.5161722.8187.01719.0186.93.80.1171731.6187.01720.0186.811.60.2181712.8186.41691.1186.121.70.3191683.7185.31649.6184.734.10.6201648.5183.81647.2183.81.30

結(jié)合表 3及圖2可知，顯然各個(gè)井口的回壓都沒有超過輸送工藝要求的2 297.2 kPa。對(duì)于壓降，SAGD乳狀液管線同一條管線(管徑、流量相同)壓降梯度不同，主要是由于地勢(shì)起伏的影響，上傾管段壓降梯度較大，下傾管段壓降梯度較??；不同管線壓降梯度不同，主要是由于管徑和流量不同，管徑相同時(shí)，流量越大，壓降梯度越大，流量相同時(shí)，管徑越大，壓降梯度越小。該模擬結(jié)果符合壓降規(guī)律。

此外，由溫降數(shù)據(jù)可以判定，氣凝膠的保溫性能卓越，管網(wǎng)最大溫降僅為3.3 ℃。

1.3.2 混合速度與磨蝕流速 多相流管線管徑的確定，除遵循多相流基本規(guī)律并滿足生產(chǎn)工藝的需要外，還應(yīng)考慮磨蝕流速的限制。

該磨蝕流速可由API RP14E經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[8]：

式中，Vmax為流體磨蝕流速,m/s；C為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；ρm為多相流混合密度，g/cm3。

在無砂粒等固體存在、有內(nèi)壁防腐措施的情況下，對(duì)于連續(xù)工作的管線，經(jīng)驗(yàn)常數(shù)C取3.86，間歇性工作時(shí)，C取4.82；無腐蝕發(fā)生或用緩蝕劑控制腐蝕的場(chǎng)合，對(duì)于連續(xù)工作的管線，經(jīng)驗(yàn)常數(shù)C取5.79～7.72，間歇性工作時(shí)，C取9.65。

由模擬結(jié)果可知，乳狀液管線沿線溫度都在180 ℃以上。180 ℃條件下，乳狀液的密度隨壓力變化如圖4所示。

圖4 混合液體密度隨壓力變化關(guān)系

Fig.4Therelationshipbetweenmixturedensityandpressure

在180 ℃條件下，計(jì)算所得乳狀液管線磨蝕流速隨壓力變化如圖5所示。

圖5 乳狀液磨蝕流速隨壓力變化關(guān)系

Fig.5Therelationshipbetweenerosionvelocityandpressure

由模擬結(jié)果，沿管線最大混合流速為3.52 m/s，此值小于(16.5～26.0)×105Pa壓力區(qū)間內(nèi)最小磨蝕流速4.25 m/s。

綜上分析，正常工況運(yùn)行下SAGD乳狀液集輸管網(wǎng)井口回壓均低于輸送工藝規(guī)定值，最大混合速率也低于磨蝕流速，管網(wǎng)適應(yīng)性良好。

2 摻輸套管氣管網(wǎng)適應(yīng)性

油氣開發(fā)中，套管氣的處理是一個(gè)經(jīng)濟(jì)與環(huán)?；橹萍s的問題，對(duì)于加拿大環(huán)保要求較高，套管氣不允許直接排放，并且要求回收利用[9]。由于套管氣中含CO2、H2S等，對(duì)管線抗腐蝕性能提出了較高的要求。套管氣的回收利用與腐蝕控制是一個(gè)值得探討的問題。對(duì)于已設(shè)計(jì)好的乳狀液集輸管網(wǎng)，將套管氣混入乳狀液中進(jìn)行輸送是否可行，現(xiàn)有管網(wǎng)能否承受等問題值得研究。

2.1套管氣混輸?shù)谋匾?/p>

套管氣能否單獨(dú)輸送主要考慮的因素是腐蝕。因此，對(duì)套管氣單輸?shù)母g速率利用多相流及腐蝕模型進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估。

模擬模型選用最為保守的de waard 95模型，在高溫下該模型對(duì)腐蝕產(chǎn)物延緩腐蝕速率考慮較少。模型計(jì)算公式如下：

其中，C為腐蝕速率，Vr為化學(xué)反應(yīng)最大腐蝕速率，Vm為傳質(zhì)最大腐蝕速率，F(xiàn)scale為產(chǎn)物膜保護(hù)系數(shù)。由多相流模型計(jì)算出的溫度、壓力、液速、含水率、壁面剪切應(yīng)力等將用于腐蝕模型的計(jì)算。

本例中套管氣的組分如表4所示。

表4 套管氣組分Table 4 Annulus gas composition

由表4可知，由于H2O、H2S、CO2同時(shí)存在，倘若單獨(dú)設(shè)計(jì)一套輸送套管氣管網(wǎng)對(duì)套管氣進(jìn)行利用，腐蝕勢(shì)必是需要著重預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)的問題。

在Mackay River一期工程中，對(duì)于每個(gè)井場(chǎng)套管氣的入口溫度為177 ℃，質(zhì)量流量為25.8 t/d，進(jìn)入處理站的壓力為12.2 kPa。選擇幾條擬設(shè)計(jì)的管線，對(duì)套管氣的腐蝕進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估。

選取管線12、19、20作為模擬計(jì)算對(duì)象，保溫設(shè)計(jì)氣凝膠25 mm。入口質(zhì)量流量51.6 t/d，溫度131.6 ℃。環(huán)境溫度取-45 ℃。對(duì)管線的沿程腐蝕速率進(jìn)行監(jiān)控，結(jié)果如圖6所示。

圖6 套管氣管線沿程腐蝕速率分布

Fig.6Annulusgascorrosionratedistribution

通過數(shù)據(jù)得到：若采用單獨(dú)輸送套管氣該區(qū)域內(nèi)最小腐蝕速率為4.4 mm/a，最大模擬腐蝕速率為9.2 mm/a，腐蝕非常嚴(yán)重。因此，套管氣是不適宜單獨(dú)建管線進(jìn)行回收利用的。

2.2套管氣混輸管網(wǎng)適應(yīng)性

對(duì)于利用乳狀液管線輸送套管氣，定性分析其可有效降低腐蝕速率[10]。原因如下：

(a) 摻輸時(shí)，氣量小，油品覆蓋在管線內(nèi)表面，減小腐蝕；

(b) 摻輸時(shí)，沿線溫度高，均在150 ℃以上。鐵的CO2腐蝕可分為以下4種情況：①t<60 ℃，腐蝕產(chǎn)物膜為FeCO3，軟而無附著力，金屬表面光滑，主要發(fā)生均勻腐蝕；②60～110 ℃，鐵表面可生成具有一定保護(hù)性的腐蝕產(chǎn)物膜，局部腐蝕較突出；③110 ℃附近，均勻腐蝕速率高，局部腐蝕嚴(yán)重，腐蝕產(chǎn)物為厚而松的FeCO3粗結(jié)晶；④150 ℃以上，生成細(xì)致、緊密、附著力強(qiáng)的FeCO3和Fe3O4膜，腐蝕速率較低；

(c) 摻輸時(shí)，流量增大，H+濃度降低，pH增大，降低了原子氫還原反應(yīng)速度，從而降低了腐蝕速率。

而對(duì)于井口回壓，模擬只需改變各個(gè)入口的質(zhì)量流量，將摻輸套管氣后井口回壓的模擬結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看出，各個(gè)井場(chǎng)模擬井口回壓均小于井場(chǎng)可提供的最大集輸管網(wǎng)入口壓力2 297.2 kPa。

混輸管線沿線溫度都在180 ℃以上。數(shù)值模擬得，180 ℃條件下，乳狀液和套管氣混合物密度和磨蝕流速隨壓力變化如圖8所示。

圖7 摻輸套管氣后各井口回壓計(jì)算值

Fig.7Entrainedannulusgasgatheringwellheadbackpressure

圖8 摻輸乳狀液密度和磨蝕流速隨壓力變化關(guān)系

Fig.8Therelationshipbetweenmixturedensity,erosionrateandpressure

根據(jù)模擬所得混合物流速可知，除管線17外的其他管線，混合物流速均小于(16.5～26.0)×105Pa壓力區(qū)間內(nèi)最小磨蝕流速4.59 m/s；管線17沿線最大模擬混合物流速為4.91 m/s，其模擬入口壓力17.88×105Pa，模擬出口壓力17.70×105Pa，混合物流速也小于最小磨蝕流速,約為5.13 m/s。

綜上，混輸套管氣的工況時(shí)，井口回壓滿足規(guī)定要求，各管線的混合物流速均小于其磨蝕流速，集輸管網(wǎng)的適應(yīng)性良好。

3 混輸攜砂彎頭磨蝕預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

3.1建模

SAGD油砂油井產(chǎn)出物含砂可高達(dá)0.1%，井口并不采用除砂設(shè)備，砂隨乳狀液一起流動(dòng)，砂粒徑較小，在流動(dòng)過程中具有良好的跟隨性[11]。在彎管處，流動(dòng)方向發(fā)生改變，由于砂的密度比較大，脫離乳狀液運(yùn)動(dòng)軌跡，會(huì)向彎管背部偏離，可能發(fā)生磨蝕[12]。因此集輸管網(wǎng)混輸攜砂的磨蝕也是一個(gè)對(duì)管網(wǎng)適應(yīng)性造成挑戰(zhàn)的問題。

含砂量為0.1%，為稀相固體顆粒輸送系統(tǒng)。為此，在Fluent中選用基于DPM的磨蝕計(jì)算模型，計(jì)算公式如下：

其中，C(dp)為顆粒直徑的函數(shù)，α為顆粒與管壁的沖擊角，f(α)是沖擊角的函數(shù)，v為顆粒相對(duì)速度，b(v)是顆粒相對(duì)速度的函數(shù)，Aface為管壁作用面積。

據(jù)此，建立由90°彎頭連接的152.4mm水平管線的幾何模型，采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行模擬計(jì)算。選擇k-ε湍流模型，采用Mixture多相流模型。創(chuàng)建材料砂其密度為2g/cm3；流速6m/s；顆粒直徑300μm；質(zhì)量流量0.04kg/s。設(shè)置入口邊界條件：認(rèn)為湍流充分發(fā)展，截面上速度分布均勻，邊界類型設(shè)置為速度進(jìn)口邊界條件；流速，v=6m/s；湍流強(qiáng)度i=4。出口邊界條件：按充分發(fā)展管流條件處理，邊界類型設(shè)置為出流(outflow)邊界條件。

3.2結(jié)果分析及預(yù)防措施

由模擬結(jié)果，彎管背部的相對(duì)磨損速率如圖9所示，磨損較嚴(yán)重區(qū)域集中在彎管背部區(qū)域，磨損速率最大值為8.73×10-9kg/(m2·s)，管線材料碳鋼密度取7.850g/cm3，最大磨損速率為0.035mm/a，磨損速率較低。安全起見，在彎管處可采用腔體彎管來代替普通彎管，如盲三通、球形和曲線型彎管等。

4 結(jié)論

(1) 正常工況下加拿大MackayRiverSAGD集輸管網(wǎng)各個(gè)井場(chǎng)井口回壓均滿足采油工藝及輸送工藝的要求不超過2 297.2kPa，最大混合速度3.52m/s不超過磨蝕流速4.25m/s。

(2) 氣凝膠保溫層的保溫性能較優(yōu)，加拿大MackayRiverSAGD集輸管網(wǎng)的最大溫降只有3.3 ℃。

(3) 套管氣單輸?shù)母g嚴(yán)重，模擬最大腐蝕速率9.2mm/a不適宜另建管線單獨(dú)輸送，可考慮摻入乳狀液管網(wǎng)中進(jìn)行混輸。

(4) 混輸套管氣理論上可減輕腐蝕，各井場(chǎng)井口回壓不超過規(guī)定的2 297.2kPa，最大混合速度4.91m/s也不超過磨蝕流速5.13m/s。

(5) 混輸攜砂可能造成的彎頭磨蝕不大，最大磨蝕速率為0.035mm/a，管網(wǎng)對(duì)此適應(yīng)性良好。

(6) 加拿大MackayRiver地區(qū)SAGD油砂集輸管網(wǎng)對(duì)工況改變的適應(yīng)性良好，能滿足生產(chǎn)變化的要求，據(jù)此可進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化工作。

(7) 多相流模擬技術(shù)是評(píng)價(jià)管網(wǎng)適應(yīng)性的一種較好的方法。

圖9 攜砂對(duì)彎管的磨蝕量計(jì)算結(jié)果示意圖

Fig.9Erosionpredictionofsandentrainmentforpipeelbow

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(編輯 王亞新)

Canada SAGD Oil Sand Emulsion Gathering Pipeline Network Adaptability Evaluation

Zhang Jun1, Wang Qiang2, Xin Mindong2, Zhang Aijuan1

(1.CollegeofPipelineandCivilEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(EastChina),QingdaoShandong266580，China;2.BeijingEngineeringBranch,ChinaPetroleumEngineering&ConstructionCorporation,Beijing100101,China)

Gathering pipeline network adaptability evaluation, is to simulate the existing network when facing future possible working conditions, so as to assess its adaptability. Through numerical simulation, Canada Mackay River SAGD oil sand emulsion gathering pipeline network’s transient state is established, and Separated transportation and Multi-phase transportation modes’ hydraulic-thermal characteristic are analyzed, such as temperature dropping and pressure dropping. The result shows that the network based on the above two modes could satisfy the oil extraction and treatment requirement. For network corrosion issue, corrosion model is established to do the analog calculation. The result shows that in the separated transportation mode the carbon dioxide corrosion is severe, so multi-phase transportation is recommended. Furthermore, the sand erosion prediction on pipeline elbow is calculated, the result shows that the erosion is not serious, network adaptability is good. The multi-phase transportation and erosion analog calculation provides a accurate way of Canada SAGD oil sand gathering network adaptability evaluation, and it could be used for the network programming/updating/optimizing.

Gathering pipeline network； Hydraulic-thermal calculation； Erosion prediction； Adaptation evaluation

2014-01-09

：2014-08-25

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(13CX06076A);中國石油大學(xué)(華東)“研究生創(chuàng)新工程資助項(xiàng)目”(CX2013019)。

張俊(1990-)，男，碩士研究生，從事油砂瀝青油提取及地面處理技術(shù)研究；E-mail: cjzjcup@163.com。

曹學(xué)文(1966-),男，教授，從事多相流及油氣田集輸技術(shù)研究；E-mail: caoxw2004@163.com。

1006-396X(2014)05-0092-07

TE81

： A

10.3969/j.issn.1006-396X.2014.05.019