第1章 绪论
1.1 课题背景及目的、意义
随着我国经济的发展，对能源的需求量不断增长，能源的缺口继续扩大，石油的进口量逐年攀升。国际上，随着北海、墨西哥湾等海上油气田的陆续建成投产，海洋石油开发进入快速发展时期，墨西哥湾、巴西、西非钻探和作业水深记录不断刷新，海洋开发已经将目光转向3000m的深水油气资源。海洋石油是满足全球能源需要的主要能源[1]。我国的海洋油气资源十分丰富，根据第三次全国石油资源评价结果，中国海洋石油资源量为246亿吨，占全国资源总量的23%；海洋天然气资源量为16万亿立方米，占总量的30%，这些资源是我国能源安全的重要保障。20世纪70年代中期，我国石油工业开始向海洋进军，至今相继建成了渤海、东海及南海东部和西部等浅海油气田，形成了5000万吨/年的生产能力。21世纪初以来，我国海上石油开发向深海迈进，“海洋石油981深水钻井平台”“海洋石油201深水铺管船”等关键设备已投入使用，特别是2017年5月，我国首次海域可燃冰试采成功，又是一个历史性突破。随着我国深水石油开发技术的进步和成熟，我国将有能力在南海西沙、中沙和南沙等海域建设石油生产基地，进军深蓝石油强国之列。
在海洋油气开发中，海上平台间、平台与终端间通过海底管道连接，组成了一个紧密联系的生产系统，它是海上生产的主动脉。但是海底管道内流动复杂，很多是多相流动，需要对其进行详细的分析，而且输送介质一般含水，有生成水合物的风险，需要结合运行的温度、压力条件分析；海洋中心平台承担接收油气混合物、处理后进行外输的职能，其中压缩机能耗占很大比例，其合理运行对平台的节能来说意义重大。
1.2 海上油气田开发模式及实例
1.2.1 全海式开发模式
全海式开发模式中，井、完井、油气水生产处理，油气储存和外输都是在海上完成的。海上平台还设有电站、热站、生活和消防等生产生活设施。常见的全海式开发模式有：
（1）井口平台+FPSO(Floating Production Storage Offloading System 浮式生产储油外输系统)。如渤中28—1油田，文昌13—1/13—2油田。
（2）井口中心平台（或井口平台+中心平台）+FSO（Floating Storage Offloading System 浮式储油外输系统）。如陆丰13—1油田。
（3）水下生产系统+FPSO。如陆丰22—1油田。如流花11—1油田。
（4）水下生产系统+FPS(Floating Production System)+FPSO。如流花11—1油田。
（5）水下生产系统回接到固定平台。
（6）井口平台+处理平台+水上储罐平台+外输系统。如埕北油田。
（7）井口平台+水下储罐处理平台+外输系统。如锦州9—3油田[2]
。
1.2.2 半海半陆式开发模式
半海半陆式开发中，钻井、完井、原油生产处理是在海上平台进行的，处理完成后通过海底管道或是陆桥管道外输到陆上终端。平台处理的原油可直接进入储罐储存或是进行进一步的处理再进入储罐储存。然后通过陆地输油管网或原油外输码头（或外输单点）外输销售的开发模式。
半海半陆式的开发有以下三种模式：
（1）井口平台+中心平台+海底管道+陆上终端。如平湖油气田、崖13—1气田。
（2）生产平台+中心平台+水下井口+海底管道+陆上终端。如乐东22—1气田。
（3）井口/中心平台（填海堆积式）+陆桥管道+陆上终端。
1.3 海洋石油工程中的管道运输
管道运输是油气运输的主要方法之一，具有连续、快捷、安全、经济的特点[3]。由于管道是一个密闭，固定和连续的运输系统，它不需要另外的常规运输设备和装卸设备，不占用道路、航道，能量的消耗只发生在流体运输的方向上，并且仅用于克服流体在管道中的流动阻力和高程阻力，所以可以达到较高的输送效率，能量的利用也很合理。
1.3.1 海管深度分类
海水深度在400m以内属于常规水深，浅海油气田的油气井一般集中在井口平台，油井产物在井口平台汇合后通过海底油气集输管道送到生产平台（中心平台），在中心平台进行气液分离，初步脱水，然后由海底输油、输气管道送到陆上终端。海底油气集输管道中基本是油、气、水（或砂）多相流动，海底输油管道基本上是油、水两相流动，海底输气管道中输送的是经过初步处理或未处理的天然气（一般是天然气凝析液管道）。连接各平台的海底集输管道和输水管道包括平台立管和海底立管多为U型结构，海底输油、输气管道一般距离较长。水深在400m以上便认为是深海，1500m以上的是超深海。
1.3.2 海管功能分类
海底石油管道按功能划分为海底油气集输管道、海底输油管道、海底输气管道，它们大多数都存在多相流动问题。
（1）海底油气集输管道
浅海油田的井口平台上集中了多口井的采油树，在平台上汇合各油井产物进行计量，然后通过集输管道送到生产平台或者浮式生产船。油井产物包含原油、天然气和水，有时也含砂，所以集输管道中是三相（或四相）流动，如果油水混合物比较均匀，把它们合称为液相，也可以说是气、液两相流动。石油多相流是流体力学的一个新的分支，从20世纪70年代以来，随着海上石油的开发而发展。在管道流动中各相的存在有很多种形式，把这种现象称为流动形态，即流型。很多学者认为气、液两相流动存在气泡流、气团流、波浪流、段塞流、环状流和雾状
流7种流型。影响流型的因素有很多，其中最主要的有截面相含率、相流速、相物性和管道线路的形状。
（2）海底输油管道和输气管道
海上油田的生产平台相当于陆上油田中常见的转油站，它接收各进口平台的产物，进行油、气、液初步分离，然后通过管道输往陆地终端或下游的生产设施。如果油田产气较多，则需要建设独立的输油、输气管道进行气、液分离，所以称为海底输油或者输气管道。海底输油管道的管径一般大于海底集输的管道，距离也较长，我国最长的海底输气管道长度接近800km。
在海上油田，井口平台到中心平台到陆上终端一般是一个完整密闭的生产系统，中心平台进行气液首次分离和初步原油脱水，故油品中通常含有一定的水，也含有一定的伴生气。
海底输气管道用来输送气田的天然气和油田的伴生气，由于海上平台空间的限制不能深度的脱烃和脱水，所以在海底的输气管道中会有滞留的液态烃和游离水，大多数的海底输气管道是以气相为主，含有少量液的多相流动。早期的海上油田的伴生天然气主要用于平台的发电，剩余的天然气通过火炬点燃。随着油田的不断开发，我国已经初步建立了连接多个油气田和陆上终端的海底管网输送天然气。
1.4 主要研究内容
（1）调研某海底输气管网的设计基础资料和运行数据。
（2）研究并确定输气管网运行仿真的原则和方法。
（3）利用输气管网仿真的商业软件建立输气管网仿真模型。
（4）拟定若干运行方案，并对每个方案进行详细的水力热力计算，判断是否生成水合物。
（5）对方案进行详细的能耗分析。
（6）为该海底输气管网节能降耗指明方向。
第2章 OLGA软件的应用
管道的运行面临着很多的挑战，如腐蚀，蜡沉积，水合物等[5]。所以对管道仿真很重要，管道仿真的复杂性取决于管网系统的拓扑结构（如枝状，环状），气体的性质（干气或者是气液两相）和其他因素如气体的温度，气体的来源（单源，多源）及管道内部的腐蚀程度[6]。OLGA软件主要用来模拟烃类流体在井筒、管网中的流动，可以进行瞬态、稳态仿真。它是由挪威的SINTEF(The Foundation for Scientic and Industrial Research at the Norwegian Institute of technology)和IFE（The Institute for Energy Technology）联合开发，并在1984-1989年间经过一些石油公司的联合资助的两相流项目的产物。OLGA软件已扩展的双流体模型为基础，求解三个质量守恒方程（气相、液滴、液膜）、两个动量方程（气相及混合在气相中的液滴、液膜）和一个混合物能量方程[7]。
2.1 OLGA软件的组成
OLGA软件的主要构成模块：
（1）基础模块：可以用于两相管流
的仿真与计算。
（2）水模块：可以进行油、气、水三相的管道仿真计算。
（3）段塞流跟踪模块：利用此模块可以跟踪段塞流并且计算其长度和体积。
（4）管束计算模块：可以计算管束中各条管道的传热。
（5）组分跟踪模块：利用闪蒸模型从而确定管道的任一截面的油气水组分。
（6）土壤模块：对土壤的传热进行详细的计算。
（7）腐蚀模块：可以计算管道中CO2的腐蚀率。
（8）蜡模块：可以预测管内的蜡沉积并且分析其对流动的影响。
（9）多相泵模块：可以模拟多相泵。
（10）水合物模块：软件可以根据输入的水合物形成曲线判断管道是否形成水合物。
（11）PVT模块。
2.1.1 基础模块与水模块
这两个模块是最为基础的模块，其余的模块都在此模块的基础上加入的新的组块。该模块需要输入的参数有，源（质量源和压力源）、里程高程数据、传热参数、运行时间、输出时间间隔。在OLGA软件中，输出的结果分为OUTPUT、PROFILE和TREND三种类型，主要使用PROFILE和TREND，PROFILE可以查看全线的参数（温度、压力、气相、液相速度、流型、持液率）随时间变化的趋势。TREND可以查看某点的参数随着时间的变化或者是全局的数据。
2.1.2 水合物模块
在应用水合物模块时，首先在library中插入水合物生成曲线，这个曲线可以用PVTsim软件生成。OLGA软件在水合物计算中应用了两个模块，一个是水合物检测模块，一个是水合物动力学模块。水合物检测模块中，软件将实际的温度压力与水合物形成的曲线进行对比，判断是否有水合物的生成。另外一个模块是水合物动力学模块，利用该模块可以得到水合物形成过程中水和气体的消耗量及水合物颗粒的有效粘度。
2.2 OLGA软件的主要用途
(1)模拟油井
OLGA软件可以模拟油井内的多相流动、段塞流的控制、启动与关井、井筒及环空积液、气举和电潜泵、完井设计等方面。
(2)管道仿真计算
OLGA软件可以模拟管道管径及路径的设计，多相管流在不同工况下的运行，天然气管道内的积液处理，埋地管道保温层的传热计算，水合物计算，蜡沉积计算，多相管流的启动、停输，还可以进行管道在线运行管理。
(3)工艺设备模拟
OLGA软件可以模拟的工艺设备有：海底分离器、段塞流捕集器等。
(4)流动安全保障
OLGA软件可以模拟管道泄漏、阀门失效等事故工况[8]。
2.3 OLGA软件仿真参数设置
使用OLGA软件仿真时需要输入的参数有：介质物性参数、管线几何参数、边界条件、环境条件、初始条件，管线中的设备等等。
2.3.1 介质物性参数
OLGA软件除了黑油模型外，对介质参数的导入需要借助于PVTsim软
件，从中输入介质的摩尔组成后，该软件可以创建适用于OLGA软件的介质物性参数表。
现对PVTsim软件的模块作以简单的介绍，该软件的功能有：拟合泡点、流体的混合计算、闪蒸计算、形成相态图、计算流体特性、拟合水合物生成曲线、产生OLGA流体特性数据表等。
2.3.2 管线的几何参数
管线的几何参数主要包含管道的管径、粗糙度、沿着管长的高程数据等。因为多相流动存在相间的滑脱及能量消耗，故需要输入较为精确的高程数据，以便得到接近实际的结果。同时应考虑不同的管道的分段数不同，在斜率变化大的管道应该增加分段数，同时管道的进出口部分，最高和最低的部分都应该增加分段数，但是由于分段数的增加会增加计算时间，因此应该设置在合理的范围内。
2.3.3 边界条件
边界条件包括管线的压力条件、温度条件以及设备的状态参数等。在用软件进行计算时，一般给出管道的起点流量（质量流量或某一单相的流量及气油比、含水率等参数）、起点温度以及终点压力，进行仿真后，可以得到起点压力、终点温度、沿线温度、压力分布，管道积液量，气、液相流速等参数。
2.3.4 环境条件
环境条件包括管道沿线的温度参数以及管道内的介质与外界发生热量传递的参数。在使用软件时，可以输入管材相应的材料的参数（如密度，比热容，热导率），根据管道的横截面结构，输入相应材料的参数（钢材、保温层、防腐层）通过软件计算出总传热系数，也可直接输入管道的总传热系数。对管道传热系数影响较大的有是否保温，是否埋地等。如果不能获取准确的总传热系数，可以根据经验估算。
2.3.5 初始条件
初始条件是指管道启动前的状态，如管道内的压力、温度等参数。同时前一个工况的终态可以作为下一个模拟工况的初始条件。一般在进行管道预热启动，段塞跟踪等工况时初始条件尤为重要，不同的初始条件得到不同的模拟的结果。
2.3.6 管道设备参数
OLGA软件中的工艺设备重要包括泵、压缩机、分离器、阀门，控制器等。可以根据实际的条件输入这些设备的参数。
第3章 海底管道的运行仿真
3.1 多相混输管道理论基础
3.1.1 气液混输管道的特点
由于在气、液混输过程中，相间的界面形状可变，气体具有压缩性，所以是两相流动中很复杂的一种类型。相比于单相流动，两相流有以下特点：
（1）气、液两相界面上存在着相间的作用力。
（2）流动中的流型复杂，因为在截面上，气、液各自占的比例差异很大。
（3）除了气、液与管壁接触摩擦而引起的损失外，由于气、液相间存在着相对滑动。
（4）
气、液相存在着传热。
（5）流动不稳定。
3.1.2 多相流混输管道的压降计算公式
多相管流压降的计算公式可以分为均相流模型、分相流模型、流型模型，学者们在研究时给出了一些压降计算公式。
（a)均相流模型
均相流模型将气液混合物看作是气、液间无滑动的均匀混合物，且有如下假设条件：
（1）气液相速度相等。
（2）气液相介质已经达到热力学平衡状态。
（3）计算摩擦阻力的时候选用某一单相的阻力系数。
1.混合物性参数计算
部分学者认为，若采取均相流假设，则多相管道可以作为单相管道计算沿程摩阻，但是流体的参数需要用多相的物性参数，如混合后黏度的计算。
杜克勒计算式
式中 —体积含气率：
式中 —气相的体积流量，m3/s；
—液相的体积流量，m3/s。
混合密度的计算式：
流动密度：
式中 —液体密度,kg/m3；
—气体密度, kg/m3。
利用流动密度计算管道的摩阻损失。
真实密度：
式中 —截面含气率：
上式中 Ag—气相流通面积，m2；
Al—液相流通面积，m2。
真实密度用来计算管道由于高程的变化而引起的附加损失。
2.压降计算公式
杜克勒法
该种方法设气液相均匀混合，满足均相流的条件，故可以用某一单相进行水力计算，但在计算中，流体的物性参数需要用到混合物的参数，而不能将某一单相的参数带入，满足此种假设时，水平的混输管道的压降梯度计算式，即达西公式：
水力摩阻系数：
雷诺数
式中 vm—混合流速，，m/s；
Δp—管道压降，Pa；
d—管道内径，m；
L—管道长度，m；
—混合黏度，Pa·s；
—混合流动密度，kg/m3；
—体积含气率。
（b）分相流模型
分相流模型是指将气、液两相的流动看成是分开的，气、液两相有自己的物性参数和平均流速。因此需要对每一相建立流动的方程式。需要确定单相在流动截面中所占的比例，即确定每一相的真实流速，相间界面的相互作用，确定相态间的摩擦阻力及单相与管壁之间的摩擦阻力
分相流模型的建立基于的条件:
（1）气液有各自的平均流速，按在流动截面中所占的面积计算。
（2）气液两相间热力学平衡。
杜克勒压降计算方法
杜克勒认为在多相的实际流动中，存在相态间的滑脱，即两相各自的流速不相同，仅在流速很高的时候才可以做无滑脱的假设，他根据相似理论并且假设管长方向的气、液相的滑动比为定值，建立了气液间存在滑移的管道压降梯度计算。
两相间的压降梯度计