摘要：采出水外输是各大气田生产过程中保证气田产量和完善气田开发效果的重要途径。苏南气田采出水外输系统是一个复杂的 流体网络系统， 系统需要在不同状态下对外输方式进行调整。基于集气站、输水阀室、输水管线、处理厂的空间分布和拓扑结构 关系， 利用 PIPEPHASE 稳态多相流模拟计算软件， 建立包含管网设施和参数的气田采出水外输系统模型; 通过黏密度检测分析、 阴阳离子色谱实验等明确了外输系统中的介质组分， 进而开展仿真模拟; 通过误差修正后的模型开展模拟计算， 得出不同状态下 各节点单元的压力和流量。结果表明： 外部气温变化造成的介质温度改变会对外输系统产生小幅影响， 通过对比不同分配分输方 式的模拟计算结果与现场生产数据，验证了模型的合理性。研究结果可以为苏南气田现场生产提供参考。

　　关键词：采出水; 气田; 外输系统;PIPEPHASE 软件;仿真模拟

　　PIPEPHASE-based Simulation Study on the Export System of Extracted Water from Sunan

　　Qu Wentao1 ，Yang Chao1 ，Zhang Huatao2 ，Li Zeliang2 ，Zhang Dan1

　　( 1. College of Mechanical Engineering, Xi ’an Petroleum University, Xi ’an 710065. China; 2. PetroChina Changqing Oilfield South Sulige Operating Company, Xi ’an 710018. China)

　　Abstract: Extractive water export is an important way to ensure the gas field production and improve the development effect of the gas field in the production process of each gas field. Extracted water export system of Sunan gas field is a complex fluid network system, and the system needs to be adjusted to the external transmission mode in different states. Based on the spatial distribution and topological structure of gas gathering station, water transmission valve room, water transmission pipeline, and treatment plant, a model of extracted water export system of the gas field is established which contains the pipeline network facilities and parameters by utilizing the PIPEPHASE steady-state multiphase flow simulation and calculation software and clarifies the medium components in the export system through viscous density detection analysis and anion and cation chromatography experiments, and then the simulations are carried out; the simulation calculations are carried out through the error-corrected model to derive the pressures and flow rates of each node unit under different states. The results show that the change of medium temperature caused by the change of external air temperature will have a small influence on the external transmission system, and the simulation results of different distribution and distribution methods are compared with the field production data, which verifies the reasonableness of the model and provides a reference basis for the field production of Sunan gas field.

　　Key words: extractive water; gas field; outflow system; PIPEPHASE software; simulation

　　引言

　　苏南气田位于鄂尔多斯盆地的毛乌素沙漠腹地， 目 前气田集气站已经出现气液比明显上升的现象， 尤其在 采气高峰期的冬季， 站内日采出水量增量较大， 而且随 着现场的新站投产， 为保证各站内排水采气工作的平稳 运行， 要随时根据气田采出水外输管线布置方案和实际 生产情况确定输水方式以满足不同集气站的输水需求。 对于这样一种复杂非线性管网系统的生产方案调整， 需 要借助现代仿真软件进行分析和模拟以确定最佳方案。 PIPEPHASE 仿真软件是一种稳态多相流计算软件， 常用 于单一输水管线或复合管网的分析， 有着较好的解算能力，适用于输水系统的仿真计算[1]。

　　国内外学者针对油气田管网介质输送的问题进行了 诸多研究。缪顺宸等[2]基于管道设计参数、采出物物性 等基础参数， 利用 PIPEPHASE 搭建油田集输系统仿真模 型， 引入传热修正系数和管径修正系数表征沉积物对系 统水热力场的影响， 准确预测了集输系统的水热力场分 布; 李光等[3]对油田注水系统开展了仿真模拟， 建立包 含管网设施和参数的注水系统模型， 计算得出了各节点 单元的压力和流量， 并与现场实际生产数据进行对比， 对现场注水管网系统的设计具有指导意义; Luis Castillo 等[4]对管网的拓扑结构进行了分析建模， 以压降为优化目标， 采用遗传算法对泵与管线组成的流体输配管网进 行了优化， 得到了可靠的运行方案。 PIPEPHASE 软件中 BBM 压降模型适用于地势平缓的水平管道工况， 这种压 降模型在油气集输系统模拟中应用最广[5]。

　　本文从完整模拟苏南气田集气站采出水外输系统的 角度出发，通过实验分析明确了外输系统中的介质组分， 结合现场集输管线的生产运行数据， 建立 PIPEPHASE 软 件输水管网模型， 研究了不同介质温度与系统节点压力 变化的关系， 计算不同分输方式下的模拟结果， 可用于 指导现场输水系统的运行与维护。

　　1 模型依据

　　苏南气田采出水外输系统在仿真研究中可以简化为 由数个节点、管线组成的管网模型， 建立模型时利用有 限元方法并求解， 要求其必须满足系统中固有的各种约 束条件： 各节点流量平衡的条件、初始和末端节点压力 约束条件等。

　　首先输水管网模型中的任一节点 i，在任意时刻或某 一时间区间内进入节点的流量等于流出该节点的流量， 即进出流量保持平衡， 任意节点的进出流量可分为以下 3 类： 当该节点为集气站输水口所在节点时的输出水量 Ui ; 当该节点为处理厂时的入厂水量 Qi ;与该节点相邻 管道的流量 qij 。Ui 、Qi 、qij 之间存在以下关系[6]：

　　式中：Ii 为节点 i 相邻的节点标号的集合;sij 为管道系数; pi 为输水管网中任意节点 i 的压力; hij 为由节点确定的管 道压降; kij 为管道摩阻系数; α 为常数， 当管内液体流 速大于 1.2 m/s 时，α 取 2.0.否则为 1.8.

　　由式(1) 可知： 输水管网模型中存在任意的 n 个节 点即可列出 n 个方程， 其中任一未知的节点压力可由其 他 n-1 个节点的方程计算得出， 由此可知其中的 n-1 个 方程是相互独立的， 所以在研究中需要确定任一基准节 点作为已知量， 其他各节点的值参考基准点获得， 在模 型建立时该基准点一般选取集气站中采出水的出站压力。

　　其次， 输水系统在运行过程中必须保证外输效率， 即要求集气站节点的压力值都要满足外输要求：

　　2 模型建立

　　PIPEPHASE 软件是一款稳态多相流模拟计算软件，软件内置了复杂的物性数据库和精确的热力学计算模式， 管网分析能力较强，对复杂且庞大的管网系统均有很好的 收敛，从而能够计算出整个输水管网各节点的压力和流量。

　　根据现场采出水外输管网的情况， 将输水管网简化 为输水干线和输水支线， 输水管网的管道以线表示， 管 道的连接处用连接点表示， 汇是输水阀节点， 源为集气 站所在节点[7]。主管线无渐缩管、弯管及三通等元件， 计算中忽略局部水头损失对管线的影响， 所以管网压力 损失主要为沿程水头损失， 在此模型中将沿程水头损失 转化成管网流动效率的形式。

　　利用 PIPEPHASE 软件对集气站采出水外输管网系统 进行二维建模， 建立输水管网模型， 仿真模拟用于具有 用户定义的节、汇和源布局的现场范围内的模拟， 模拟 类型设置为 Network Model， 度量单位是 Metric， 建立模 型如图 1 所示。

　　3 介质组分分析

　　苏南气田采出水成分较为复杂， 对集气站、处理厂 等多处取样并进行水质分析， 各处采出水中均含细菌、 悬浮物及含油物质等成分，腐蚀性较强。

　　本次选取了苏南集气站外输阶段的采出水典型样品， 将样品静置完成后， 出现明显的分层现象， 上层为絮状 悬浮物， 中层为淡黄色浊液， 底层为沉积后固体颗粒。 为便于实验分析， 选用针筒式滤膜过滤器、 N66 尼龙膜 的有机系滤膜对样品进行深层过滤，然后开展密度检测、 黏度检测、阴阳离子浓度检测等多项实验， 为外输管网 模型提供明确的介质条件[8-12]。

　　实验时使用 pH 计、密度测定仪、恩氏黏度计分别进 行检测， 多次测量取其均值以减小误差， 记录样品的 pH 值为 7.45、密度为 1.021 6 g/cm3 ， 由于现场四季温差较 大，水温区间为-5～35 ℃。黏温曲线如图 2 所示。

　　本次采用阴阳离子色谱仪对样品中阴阳离子浓度进 行检测， 设备充分利用固定相与流动相间的交换作用， 固定相中离子交换树脂上可离解的离子与流动相中具有 相同电荷的溶质离子在分离色谱柱中滞留时间长短不同， 样品溶质与交换剂之间亲和力的差异性进行分离，分离阴 离子(氯离子、硝酸离子、硫酸离子等)和阳离子(钾离 子、铵离子、钠离子、镁离子、钙离子等)， 最终在离子 色谱图中显示其滞留时间，计算离子浓度如表 1 所示。

　　按照苏林分类法对本次样品进行水型分类， 对样 品 中 主 要 离 子 浓 度 的 当 量 比 进 行 计 算 分 析 ， 可 知 (Cl--Na+)/Mg2+ >1 ，该样品水型为氯化钙型。

　　4 仿真计算

　　苏南采出水外输管网包括集气站 4 座、处理厂 1 座、 系统节点 5 个， 以“系统入口定流， 出口定压”为边界条 件， 冬季日输水量最大为 457 m3 ，管线内径区间为 65 ~ 102 mm， 壁厚区间为 12～ 19 mm、内壁粗糙度为 12 µm， 输水管网主干管道结构参数如表 2 所示。

　　本次收集了苏南采出水外输系统正常运行一年的实 测数据， 将所用到的介质密度、黏度及温度等实验参数 输入到模型中， 设置好每个管道的长度、内径、壁厚、 高程差等参数， 对于集气站以流量为边界条件， 对于处 理厂以压力为边界条件，进行仿真计算[13-18]。

　　PIPEPHASE 可视化结果系统界面如图 3 所示。深蓝 色源为集气站所在节点， 绿色汇为为管线交汇点， 黄色汇为处理厂所在节点， 运行模型可在 PIPEPHASE 软件的 可视化结果系统界面中看到各个汇点和节点的压力、流 量及温度等数据。

　　整理分析模型计算结果与实际生产数据进行计算对 比， 集气站的外输流量、实际压力和模拟压力计算结果 列于表 3.由表可知： 集气站的采出水外输压力差异基 本 在 4% 以 内 ， 最 大 误 差 出 现 在 1 号 集 气 站 ， 误 差 为 3.8%， 平均误差为 2.15%， 误差产生的原因可能是气田 生产运行时间较长， 输水管道内存在杂质沉积， 对系统 的模拟预测带来影响[19-22]。总体来说， PIPEPHASE 仿真 计算结果与现场生产数据基本保持一致， 由此可证明所 建模型的准确性和可靠性，计算精度可以满足生产要求。

　　图 4 所示为集气站采出水外输压力数据拟合曲线， 可以看出模型模拟计算数据与现场实际数据相比误差较 小，模型匹配度较高。

　　由于在采出水外输管网系统的仿真模型中， 一般确 定了集气站需求的外输流量、处理厂的边界压力和流量， 所以只需对集气站的外输压力进行模拟比较分析。表 4 所示为 PIPEPHASE 软件对集气站给定流量(12 m3/h)、 不同水温下的模拟仿真数据对比。

　　苏南现场四季温差较大， 由于气温变化导致的介质 温度变化对采出水外输系统存在小幅影响， 输水系统按最 大 输 水 量 12 m3/h 进 行 输 水 时 ， 距 离 处 理 厂 最 远 的 GGS2 站出现压力最大值 5.586 MPa。

　　表 5 所 示 为 PIPEPHASE 软 件 对 集 气 站 给 定 流 量 ( 10 m3/h)、水温为-5 ℃、不同分输方式下的模拟仿真数 据对比。

　　根据现场生产需要， 不同分输方式下各站点的介质 外输压力均需要保持在安全压力下， 即 L06 、L08 、L09、 L10 管线分别停用对外输系统存在小幅影响， 此时系统 可保持正常运行;但 L07 、L11 管线分别停用， 两种比较 极端的故障条件对输水系统的外输能力和节点压力影响 较大， 部分站点压力达到了 12 MPa 左右， GGS4 站出现 压力最大值 12.81 MPa，此时站点压力超过了系统高限节 点压力， 可以采用站内储液罐储存、罐车拉运的方式完 成采出水的外输。

　　5 结束语

　　( 1) 对于开发运行多年的气田， 输水管道内的杂质 沉积不可避免， 影响外输系统的运行效率， 对系统的模 拟预测带来极大挑战。运用 PIPEPHASE 模型进行仿真计 算， 能够很好地模拟现场的实际情况， 掌握集输系统流 动特性， 提高现场人员对外输输系统的运行管理能力。

　　(2) 现场由于气温变化导致介质温度改变对输水系 统的各节点压力存在小幅影响， 介质温度平均每升高 10 ℃, 各节点压力会随之上升0.02 MPa 左右， 当输水系 统按目前的最大输水量进行输水时， GGS2 站出现压力最 大值 5.586 MPa。

　　(3) 在实际生产运行中， L07 、L11 管线分别停用， 两种比较极端的故障条件对输水系统的外输能力和节点 压力影响较大， 站点压力超过了系统高限节点压力， 此 时可以对各站点采用储液罐储存、罐车拉运的方式完成 采出水的外输。

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