CN103969156B - 预测被加压原油所流过管道最大管段长度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了预测被加压原油所流过管道最大管段长度的方法，应用原油保持牛顿流体状态时在管道内流动所产生的回压压强与所流过管道的管段长度一一对应函数关系式，根据给管输原油加压运输的加压装置施加给位于管道内的原油的最大承载压强值，就可确定原油在被加压装置加压而流过管道的最大管段长度。本发明有助于大幅度降低油田地面基础建设投资、伴生气消耗和热能损耗，节约地面建设投资、提高油田现场安全作业系数，以最低原油集输成本有效保障集输作业的安全。
Description
技术领域
本发明涉及石油地面集输工艺，特别是预测被加压原油所流过管道最大管段长度的方法。
背景技术
原油是成分复杂的混合物；原油中碳元素占83％～87％，氢元素占11％～14％，按组成分类可分为石蜡基、中间基、环烷基原油三类，不同地区原油物理性质有很大的差别；为确保油井采出液和净化原油安全集输，油田矿场集输设计规范中要求管输出口原油温度高于原油凝固点3℃～5℃。为达到该规范要求，油田地面建设中井口设计有加热和保温装置，如井口电加热器、盘管加热炉等加热设备，以新疆油田为例，每年10月下旬至次年3月下旬需要对(含蜡高凝低含水)原油进行加热，消耗大量天然可燃气、电力等能源，油田现场需要人员不断巡视井口，管理难度大、安全隐患多。由于原油是混合物，它并不存在一个明确的从液体转变为固态的温度点，所谓原油的凝固点是在特定条件下实验值，凝固点概念与单质或者纯净物质不同，因此，采用室内静态条件下的原油凝固点作为管输原油出口温度的参考值并不准确和也不科学。
发明内容
本发明的目的在于提供一种预测被加压原油所流过管道最大管段长度的方法，有助于大幅度降低油田地面基础建设投资、伴生气消耗和热能损耗，节约地面建设投资、提高油田现场安全作业系数，以最低原油集输成本有效保障集输作业的安全。
本发明的目的是这样实现的：一种预测被加压原油所流过管道最大管段长度的方法，其步骤特征依次为：A、对待通过管道输送的原油进行采样，以确定呈现牛顿流体状态的原油在不同剪切速率和不同压力条件下的粘度与温度的函数关系式：n＝a+b·t+f·t2，变量n为原油粘度，变量t为原油温度,算出拟合常数a、b、f,并确定呈现非牛顿流体状态的原油在不同剪切速率和不同压力条件下的应力与温度的函数关系式：τ＝a′+b′·t+f′·t2，变量τ为应力,变量t为原油温度，算出拟合常数a′、b′、f′；测定原油从牛顿流体转变为非牛顿流体时的反常温度值TF和凝固时的凝固温度值TN；根据苏霍夫温降公式分别将已获知的TF和测得的位于管道起点初始进油口处的原油温度TQ代入苏霍夫温降公式，使TF替代TL并使TQ替代TR，以计算出与TF对应的原油所流过管道的第一过流管段长度值L1，将已获知的TN代入苏霍夫温降公式，使TN替代TL并使TQ替代TR，以计算出与TN对应的原油所流过管道的总过流管段长度值LZ，分别将已获知的TN和TF代入苏霍夫温降公式，使TN替代TL并使TF替代TR，以计算出第二过流管段长度值L2，或计算总过流管段长度值LZ与第一过流管段长度值L1相减而得到的差值绝对值即为第二过流管段长度值 L2＝LZ-L1，L1为由位于管道之外的加压装置加压且温度为TQ的原油随着其自身仅以牛顿流体状态从管道起点开始经管道连续流动而降温至TF时所流过管道的管段长度值，LZ为由位于管道之外的加压装置加压且温度为TQ的原油随着其自身在管道内连续流动而降温至TN时所流过管道的管段长度值，L2为由位于管道之外的加压装置通过经第一过流管段仅以牛顿流体状态流动的原油加压且温度为TF的原油在第二过流管段内随着其自身仅以非牛顿流体状态从第一过流管段末端流动而降温至TN时所流过管道的管段长度值，变量TL为原油流过的管段长度达到L时的温度-单位：℃，T0为可获知的位于管道外侧周围介质的温度-单位：℃，TR为可获知的原油位于管道初始管口时的温度-单位：℃，K为可获知的总传热系数-单位：W/(m2·℃)，π为圆周率，Dw为可获知的管道的外直径，变量L为原油流过管道的管段长度，G为可获知的原油质量流量-单位：Kg/s，C为可获知的原油比热容-单位：J/Kg·℃，exp为以自然对数e为底的指数函数；B、当原油以牛顿流体经管道被加压输送时，原油保持牛顿流体状态时在管道内流动所产生的回压压强与所流过管道的管段长度一一对应的P-L函数关系式①为：
在P-L函数关系式①当中，变量ΔP1为原油流过管道的管段长度达到L时所对应产生的回压压强，u为可获知的原油流动速度-单位：m/s，Dn为可获知的管道内直径-单位：m，a、b、f为拟合常数，T0为可获知的位于管道周围的介质温度-单位：℃，变量L为原油流过管道的管段长度-单位：m，K为可获知的总传热系数-单位：W/(m2·℃)，π为圆周率，G为可获知的原油质量流量-单位：Kg/s，C为可获知的原油比热容-单位：J/(Kg·℃)，Dw为可获知的管道外直径-单位：m，ΔT1＝TR-T0，TR为可获知的位于管道起点初始进油管口的原油的温度-单位：℃，exp为以自然对数e为底的指数函数；
当原油以非牛顿流体经管道被加压输送时，原油保持非牛顿流体状态时在管道内流动所产生的回压压强与所流过管道的管段长度一一对应的P-L函数关系式②为：
在P-L函数关系式②当中，变量ΔP2为原油流过管道的管段长度达到L时所对应产生的回压压强，Rn为可获知的管道内半径-单位：m，a′、b′、f′为拟合常数，T0为可获知的位于管道周围的介质温度-单位：℃，变量L为原油流过管道的管段长度-单位：m，K为可获知的总传热系数-单位：W/(m2·℃)，π为圆周率，G为可获知的原油质量流量-单位：Kg/s，C为可获知的原油比热容-单位：J/(Kg·℃)，Dw为可获知的管道外直径-单位：m，ΔT2＝TR-T0，TR为可获知的位于管道起点初始进油管口的原油的温度-单位：℃，exp为以自然对数e为底的指数函数；
将第一过流管段长度值L1和测得的被加压且位于管道起点初始进油口处的原油温度TQ代入P-L函数关系式①当中,以使L1替代L并使TQ替代TR，尝试算出被加压且位于第一过流管段内的原油流过管道的管段长度达到L1时而产生的回压压强ΔPx1，比较ΔPx1与施加给位于管道内的原油的最大承载压强值Pmax的大小，若Pmax＜ΔPx1，舍弃已算出的ΔPx1，将Pmax代入P-L函数关系式①当中以替代ΔP1，最终算出被加压的原油实际流过管道的最长管段长度值Lmax；若Pmax≥ΔPx1，算出ΔPx2＝(Pmax-ΔPx1)，再将ΔPx2和TF代入P-L函数关系式②，以使ΔPx2替代ΔP2并使TF替代TR，算出被加压且位于第二过流管段内的原油从第一过流管段末端开始流动而流过管道的管段长度值Lx，Lx≤L2，再最终算出原油实际流过管道的最长管段长度值Lmax＝(L1+Lx)。
本发明采用现有原油密闭带压取样装置(如ZL200920301661.2，或现有的具有如该专利号码ZL200920301661.2所公布的密闭取样工作原理的装置，能应用上述任何一种原油密闭带压取样装置保证出井原油所采集的样本与出井原油成分完全一样即可)，在出油井口进行对原油密闭带压取样的工作，室内采用速率可控的现有流变仪根据油井生产状况建立原油的流动速率剪切模型，并应用计算管输原油在该集输环境、满管流条件下的回压压强与管输原油所留过管道的管段长度的关系。当然，当管输原油在满管流状态下的最大回压压强值小于或等于给管输原油加压运输的加压装置(如井口抽油机)所能承载的最大压强时，即可满足在寒冷季安全集输未被加热原油(如含蜡高凝低含水油井采出液等)的需要。
本发明通过利用原油流变特性，确定原油在管道内被集输时产生的流动阻力，根据给管输原油施加压力的装置(如井口抽油机)所能承载的压力上限，得出(含蜡高凝低含水)原油在冬季低温环境下未被加热时所流过管道的集输管段长度，为油田地面集输工程设计提供依据，科学制订井口加热制度、节能降耗、提高油田现场集输工艺水平。经验证，本发明更加接近实际原油集输工况(能被程序化加载入计算机系统自动运算并根据运算结果实现智能自主工业化控制)，它改进了含蜡高凝低含水原油管线出口温度的判断方法，解决了以往不能切实有效预测原油流过管道的管段长度管的技术问题，使油田设计部门和油田生产管理部门能够根据油井井况及环境温度条件，合理沿原油集输管道布设接力加热原油的加热站和接力泵送原油的泵站，只需开启最接近在被加压原油所流过管道的最长管段末端的加热站和/或泵站即可，在寒冷季因地制宜开展油井的冬季保温工作、油田地面集输管网设计与以集输未被加热单井原油的作业，有助于大幅度降低油田地面基础建设投资、伴生气消耗和热能损耗，节约地面建设投资、提高油田现场安全作业系数，以最低原油成本有效保障集输作业的安全。
具体实施方式
一种预测被加压原油所流过管道最大管段长度的方法，其步骤特征依次为：A、对待通过管道输送的原油进行采样，以确定呈现牛顿流体状态的原油在不同剪切速率和不同压力条件下的粘度与温度的函数关系式：n＝a+b·t+f·t2，变量n为原油粘度，变量为原油温度,算出拟合常数a、b、f,并确定呈现非牛顿流体状态的原油在不同剪切速率和不同压力条件下的应力与温度的函数关系式： τ＝a′+b′·t+f′·t2，变量τ为应力,变量t为原油温度，算出拟合常数a′、b′、f′；测定原油从牛顿流体转变为非牛顿流体时的反常温度值TF和凝固时的凝固温度值TN；根据苏霍夫温降公式 分别将已获知的TF和测得的位于管道起点初始进油口处的原油温度TQ代入苏霍夫温降公式，使TF替代TL并使TQ替代TR，以计算出与TF对应的原油所流过管道的第一过流管段长度值L1，将已获知的TN代入苏霍夫温降公式，使TN替代TL并使TQ替代TR，以计算出与TN对应的原油所流过管道的总过流管段长度值LZ，分别将已获知的TN和TF代入苏霍夫温降公式，使TN替代TL并使TF替代TR，以计算出第二过流管段长度值L2，或计算总过流管段长度值LZ与第一过流管段长度值L1相减而得到的差值绝对值即为第二过流管段长度值L2＝LZ-L1，L1为由位于管道之外的加压装置加压且温度为TQ的原油随着其自身仅以牛顿流体状态从管道起点开始经管道连续流动而降温至TF时所流过管道的管段长度值，LZ为由位于管道之外的加压装置加压且温度为TQ的原油随着其自身在管道内连续流动而降温至TN时所流过管道的管段长度值，L2为由位于管道之外的加压装置通过经第一过流管段仅以牛顿流体状态流动的原油加压且温度为TF的原油在第二过流管段内随着其自身仅以非牛顿流体状态从第一过流管段末端流动而降温至TN时所流过管道的管段长度值，变量TL为原油流过的管段长度达到L时的温度-单位：℃，T0为可获知的位于管道外侧周围介质的温度-单位：℃，TR为可获知的原油位于管道初始管口时的温度-单位：℃，K为可获知的总传热系数-单位：W/(m2·℃)，π为圆周率，Dw为可获知的管道的外直径，变量L为原油流过管道的管段长度，G为可获知的原油质量流量-单位：Kg/s，C为可获知的原油比热容-单位：J/Kg·℃，exp为以自然对数e为底的指数函数；B、当原油以牛顿流体经管道被加压输送时，原油保持牛顿流体状态时在管道内流动所产生的回压压强与所流过管道的管段长度一一对应的P-L函数关系式①为：
在P-L函数关系式①当中，变量ΔP1为原油流过管道的管段长度达到L时所对应产生的回压压强，u为可获知的原油流动速度-单位：m/s，Dn为可获知的管道内直径-单位：m，a、b、f为拟合常数，T0为可获知的位于管道周围的介质温度-单位：℃，变量L为原油流过管道的管段长度-单位：m，K为可获知的总传热系数-单位：W/(m2·℃)，π为圆周率，G为可获知的原油质量流量-单位：Kg/s，C为可获知的原油比热容-单位：J/(Kg·℃)，Dw为可获知的管道外直径-单位：m，ΔT1＝TR-T0，TR为可获知的位于管道起点初始进油管口的原油的温度-单位：℃，exp为以自然对数e为底的指数函数；
当原油以非牛顿流体经管道被加压输送时，原油保持非牛顿流体状态时在管道内流动所产生的回压压强与所流过管道的管段长度一一对应的P-L函数关系式②为：
在P-L函数关系式②当中，变量ΔP2为原油流过管道的管段长度达到L时所对应产生的回压压强，Rn为可获知的管道内半径-单位：m，a′、b′、f′为拟合常数，T0为可获知的位于管道周围的介质温度-单位：℃，变量L为原油流过管道的管段长度-单位：m，K为可获知的总传热系数-单位：W/(m2·℃)，π为圆周率，G为可获知的原油质量流量-单位：Kg/s，C为可获知的原油比热容-单位：J/(Kg·℃)，Dw为可获知的管道外直径-单位：m，ΔT2＝TR-T0，TR为可获知的位于管道起点初始进油管口的原油的温度-单位：℃，exp为以自然对数e为底的指数函数；
将第一过流管段长度值L1和测得的被加压且位于管道起点初始进油口处的原油温度TQ代入P-L函数关系式①当中,以使L1替代L并使TQ替代TR，尝试算出被加压且位于第一过流管段内的原油流过管道的管段长度达到L1时而产生的回压压强ΔPx1，比较ΔPx1与施加给位于管道内的原油的最大承载压强值Pmax的大小，若Pmax＜ΔPx1，舍弃已算出的ΔPx1，将Pmax代入P-L函数关系式①当中以替代ΔP1，最终算出被加压的原油实际流过管道的最长管段长度值Lmax；若Pmax≥ΔPx1，算出ΔPx2＝(Pmax-ΔPx1)，再将ΔPx2和TF代入P-L函数关系式②，以使ΔPx2替代ΔP2并使TF替代TR，算出被加压且位于第二过流管段内的原油从第一过流管段末端开始流动而流过管道的管段长度值Lx，Lx≤L2，再最终算出原油实际流过管道的最长管段长度值Lmax＝(L1+Lx)。
当原油流变行为属于牛顿流体时，通过原油流变方程n＝f(t,p)确定温度T、压力P与原油粘度n的关系，通过苏霍夫温降公式T＝f(L)确定原油温度T与管线长度L的函数关系，再根据哈根-泊肃叶方程得到保持牛顿流体状态的原油所流过管道的管段长度与原油在管道内流动而产生的回压压强的函数关系式ΔP1＝f(L)。本发明所应用的P-L函数关系式①其具体推导步骤为：
哈根-泊肃叶方程(微分方程)：
原油流变方程n＝f(t):n＝a+bt+ft2 (2)
在哈根-泊肃叶方程(微分方程)当中，P为管输原油所产生的回压压强，n为原油粘度，u为原油流动速度，L为原油流过管道的管段长度；
根据苏霍夫温降公式：
将式(a)带入式(2)得：
将公式(3)代入式(1)得：
对管输原油所流过管道的管段长度进行积分，于是便可得积分方程：
令ΔT1＝TR-T0，则：所以，可积分得到：
当原油流过管道的管段长度持续增加，其温度也就自然逐渐低于反常温度，原油的流变行为呈现出非牛顿流体特征，根据原油在不同温度条件下的应力与温度的函数关系曲线可以确定τ＝f(t)、(其中τ表示应力，T表示原油温度)，结合苏霍夫温降公式T＝f(L)(P表示管输原油流过管道的管段长度达到L时所产生的压强，L表示管输原油流过管道的管段长度)并根据管流基本方程就可得到原油所流过管道的管段长度与原油在管道内流动而产生的回压压强的函数关系式ΔP2＝f(L)，因此，因动屈服应力τ＝f(t)且t＝f(L)(苏霍夫温降公式)，所以通过积分即可得到保持牛顿流体状态的原油所流过管道的管段长度与原油在管道内流动而产生的回压压强的函数关系式ΔP2＝f(L)。本发明所应用的P-L函数关系式②其具体推导步骤为：
根据公式:πRn 2P＝2πRnLτ
所以，可得微分方程：(Rn为管道内半径) (6)
τ＝f(t)＝a′+b′·t+f′·t2 (7)
将式(a)代入式(7)，即得：τ＝f(t)
再将式(8)代入式(6)，即得：
令ΔT2＝TR-T0，则：
最终对式(9)积分可得：
(注：Dn＝2Rn) 。
Claims (1)
1.一种预测被加压原油所流过管道最大管段长度的方法，其步骤特征依次为：A、对待通过管道输送的原油进行采样，以确定呈现牛顿流体状态的原油在不同剪切速率和不同压力条件下的粘度与温度的函数关系式：n＝a+b·t+f·t2，变量n为原油粘度，变量t为原油温度,算出拟合常数a、b、f,并确定呈现非牛顿流体状态的原油在不同剪切速率和不同压力条件下的应力与温度的函数关系式：τ＝a′+b′·t+f′·t2，变量τ为应力,变量t为原油温度，算出拟合常数a′、b′、f′；测定原油从牛顿流体转变为非牛顿流体时的反常温度值TF和凝固时的凝固温度值TN；根据苏霍夫温降公式分别将已获知的TF和测得的位于管道起点初始进油口处的原油温度TQ代入苏霍夫温降公式，使TF替代TL并使TQ替代TR，以计算出与TF对应的原油所流过管道的第一过流管段长度值L1，将已获知的TN代入苏霍夫温降公式，使TN替代TL并使TQ替代TR，以计算出与TN对应的原油所流过管道的总过流管段长度值LZ，分别将已获知的TN和TF代入苏霍夫温降公式，使TN替代TL并使TF替代TR，以计算出第二过流管段长度值L2，或计算总过流管段长度值LZ与第一过流管段长度值L1相减而得到的差值绝对值即为第二过流管段长度值L2＝LZ-L1，L1为由位于管道之外的加压装置加压且温度为TQ的原油随着其自身仅以牛顿流体状态从管道起点开始经管道连续流动而降温至TF时所流过管道的管段长度值，LZ为由位于管道之外的加压装置加压且温度为TQ的原油随着其自身在管道内连续流动而降温至TN时所流过管道的管段长度值，L2为由位于管道之外的加压装置通过经第一过流管段仅以牛顿流体状态流动的原油加压且温度为TF的原油在第二过流管段内随着其自身仅以非牛顿流体状态从第一过流管段末端流动而降温至TN时所流过管道的管段长度值，变量TL为原油流过的管段长度达到L时的温度-单位：℃，T0为可获知的位于管道外侧周围介质的温度-单位：℃，TR为可获知的原油位于管道初始管口时的温度-单位：℃，K为可获知的总传热系数-单位：W/(m2·℃)，π为圆周率，Dw为可获知的管道的外直径，变量L为原油流过管道的管段长度，G为可获知的原油质量流量-单位：Kg/s，C为可获知的原油比热容-单位：J/Kg·℃，exp为以自然对数e为底的指数函数；B、当原油以牛顿流体经管道被加压输送时，原油保持牛顿流体状态时在管道内流动所产生的回压压强与所流过管道的管段长度一一对应的P-L函数关系式①为：
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在P-L函数关系式①当中，变量ΔP1为原油流过管道的管段长度达到L时所对应产生的回压压强，u为可获知的原油流动速度-单位：m/s，Dn为可获知的管道内直径-单位：m，a、b、f为拟合常数，T0为可获知的位于管道周围的介质温度-单位：℃，变量L为原油流过管道的管段长度-单位：m，K为可获知的总传热系数-单位：W/(m2·℃)，π为圆周率，G为可获知的原油质量流量-单位：Kg/s，C为可获知的原油比热容-单位：J/(Kg·℃)，Dw为可获知的管道外直径-单位：m，ΔT1＝TR-T0，TR为可获知的位于管道起点初始进油管口的原油的温度-单位：℃，exp为以自然对数e为底的指数函数；
当原油以非牛顿流体经管道被加压输送时，原油保持非牛顿流体状态时在管道内流动所产生的回压压强与所流过管道的管段长度一一对应的P-L函数关系式②为：
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在P-L函数关系式②当中，变量ΔP2为原油流过管道的管段长度达到L时所对应产生的回压压强，Rn为可获知的管道内半径-单位：m，a′、b′、f′为拟合常数，T0为可获知的位于管道周围的介质温度-单位：℃，变量L为原油流过管道的管段长度-单位：m，K为可获知的总传热系数-单位：W/(m2·℃)，π为圆周率，G为可获知的原油质量流量-单位：Kg/s，C为可获知的原油比热容-单位：J/(Kg·℃)，Dw为可获知的管道外直径-单位：m，ΔT2＝TR-T0，TR为可获知的位于管道起点初始进油管口的原油的温度-单位：℃，exp为以自然对数e为底的指数函数；
将第一过流管段长度值L1和测得的被加压且位于管道起点初始进油口处的原油温度TQ代入P-L函数关系式①当中,以使L1替代L并使TQ替代TR，尝试算出被加压且位于第一过流管段内的原油流过管道的管段长度达到L1时而产生的回压压强ΔPx1，比较ΔPx1与施加给位于管道内的原油的最大承载压强值Pmax的大小，若Pmax＜ΔPx1，舍弃已算出的ΔPx1，将Pmax代入P-L函数关系式①当中以替代ΔP1，最终算出被加压的原油实际流过管道的最长管段长度值Lmax；若Pmax≥ΔPx1，算出ΔPx2＝(Pmax-ΔPx1)，再将ΔPx2和TF代入P-L函数关系式②，以使ΔPx2替代ΔP2并使TF替代TR，算出被加压且位于第二过流管段内的原油从第一过流管段末端开始流动而流过管道的管段长度值Lx，Lx≤L2，再最终算出原油实际流过管道的最长管段长度值Lmax＝(L1+Lx)。
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