Разработка методики расчета параметров течения сырого газа с малым содержанием жидкости в морских трубопроводах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.18, кандидат технических наук Бычкова, Ольга Андреевна

• Бычкова, Ольга Андреевна
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бычкова, Ольга Андреевна

Специальность — 25.00.18 ~ «Технология освоения морских месторождений полезных ископаемых»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор Д. А. Мирзоев

Москва, 2009 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.б

ГЛАВА 1 ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ МНОГОФАЗНОЙ

ПРОДУКЦИИ ПО МОРСКИМ ТРУБОПРОВОДАМ.

1.1 История развития теоретических представлений о течении газожидкостной смеси по трубопроводам.

1.1.1 Эмпирические соотношения.

1.1.2 Упрощенные стационарные модели.

1.1.3 Механистические модели.

1.1.4 Динамические модели (программные продукты).

1.2 Примеры морских многофазных трубопроводных систем с малым содержанием жидкости.

ГЛАВА 2 МЕТОДИКА РАСЧЁТА ПАРАМЕТРОВ ТЕЧЕНИЯ СЫРОГО ГАЗА С

МАЛЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ЖИДКОСТИ В МОРСКИХ ГАЗОПРОВОДАХ.

2.1 Сравнение фактических и расчетных потерь давления в газопроводах сырого газа с малым содержанием жидкости.

2.2 Структуры течения двухфазных потоков сырого газа, характерные для протяжённых рельефных газопроводов.

2.3 Разработка методики расчёта параметров течения сырого газа с малым содержанием жидкости в морских газопроводах.

2.3.1 Определение условий для накопления жидкости в трубопроводе.46%

2.3.2 Механистическая модель течения сырого газа по трубопроводу.

2.3.3 Алгоритм расчета.

ГЛАВА 3 РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ ТЕЧЕНИЯ СЫРОГО ГАЗА С МАЛЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ЖИДКОСТИ НА ПРИМЕРЕ ТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЫ ОТ ШТОКМАНОВСКОГО ГАЗОКОНДЕНСАТНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ.

3.1 Исходные данные для расчета.

3.2 Результаты расчета.

3.2.1 Проверка условия накопления жидкости в трубопроводе.76 ■

3.2.2 Расчёт параметров двухфазного потока.

3.3 Выводы.

ВЫВОДЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики расчета параметров течения сырого газа с малым содержанием жидкости в морских трубопроводах»

Перспективы освоения месторождений и определения транспортных маршрутов связаны с территориями, расположенными в акватории шельфа.

Для освоения морских месторождений одной из главных задач, с которой связаны вопросы производственной безопасности и значительных финансовых вложений,, является транспорт добытого сырья. В море узловым объектом обустройства является трубопровод. В' зависимости от различных факторов (расстояние до берега, технология подготовки продукции) проблема становится существенной, и затраты на него могут достигать миллиардов долларов.

Основной вопрос связан с технологией подготовки продукции скважин, исходя из которой выбирается метод транспортировки продукции (в многофазном, двухфазном или однофазном состоянии). Поэтому транспортная задача рассматривается отдельно, но не в отрыве от всех, остальных технологических процессов.

Наиболее экономичным (за.счет снижения капитальных вложений из-за уменьшения необходимого количества и состава оборудования для подготовки продукции, а иногда и вовсе отказа от платформ) для морских месторождений является многофазный транспорт, позволяющий перекачать добытую смесь по трубе до береговой инфраструктуры. Однако многофазный поток требует тщательного контроля, анализа и управления. Это связано- с неустановившейся природой различных процессов в потоке, зависящих как от внутренних, так внешних факторов.

За последние 70 лет было разработано множество теорий и экспериментальных зависимостей- для предсказания падения давления и истинного содержания жидкости при течении двухфазных потоков. Тем не менее, ни одно из них не является универсальным и не позволяет достаточно точно рассчитывать термобарические и расходные параметры потоков для всех структур течения, характерных для двухфазных потоков углеводородных систем. Что касается вопросов транспортировки сырого газа с малым 6 содержанием жидкости, то они относятся к наименее изученным в истории исследований многофазных течений, и поэтому информация по этим системам весьма ограничена.

На шельфе РФ открыто множество газовых месторождений с малым содержанием конденсата и пластовой воды (Штокмановское, Северо-Каменномысское, Каменномысское-море, Семаковское, Киринское и др.). Проектирование газопроводов от таких месторождений является важной и актуальной задачей. Необходимо использовать такую методику расчётов двухфазных потоков, которая позволила бы прогнозировать режимы течения двухфазных потоков и обеспечивать приемлемую с точки зрения инженерных приложений оценку значений потерь давления в трубопроводе и истинного содержания жидкости в потоке.

Целью настоящей диссертационной работы является разработка методики расчёта основных параметров транспортировки сырого газа с малым содержанием жидкости в протяженных морских трубопроводах.

Поставленная цель достигается путем решения следующих основных задач:

Выбор критерия для оценки возможности накопления жидкости в трубопроводе сырого газа.

Разработка методики расчета параметров течения сырого газа с малым содержанием жидкости в морских газопроводах.

Апробация разработанного алгоритма на примере транспортной системы Штокмановского, Северо-Каменномысского месторождений и месторождения Каменномысское-море.

Научная новизна результатов исследований состоит в разработке алгоритма, позволяющего оценить существование условий для накопления жидкости при течении сырого газа с малым ее содержанием в морском трубопроводе путем построения критериальной зависимости выносной скорости газа от давления, в основе которой лежат подходы Стина-Уоллиса и

Клапчука-Елина. Создана методика определения основных параметров течения и определения границ существования расслоено-волнового режима течения сырого газа в морском трубопроводе для условий малого содержания жидкости в потоке, основанная на усовершенствовании методики Тайтела-Даклера и учете в ней коэффициента гидравлического сопротивления на поверхности раздела фаз.

Защищаемые положения

1. Алгоритм для оценки возможности накопления жидкости в морском трубопроводе сырого газа, основанный на вычислении выносной скорости газа и построении критериальной зависимости выносной скорости газа от давления, полученной из соответствующих зависимостей Стина-Уоллиса и Клапчука-Елина.

2. Методика, позволяющая рассчитать параметры течения сырого газа (толщину слоя жидкости в сечении трубы, истинное содержание жидкости, потери давления) и определять границы существования раслоенно-волнового режима течения двухфазного потока в морских трубопроводах с учетом заданного закона гидравлического сопротивления на границе газ-жидкость и особенностей режимов течения газожидкостной смеси с малым содержанием жидкости.

Практическая ценность результатов работы

В настоящее время ведутся активные работы по разработке проектов обустройства месторождений Баренцева и Карского морей, Обской и Тазовской губ, в частности Штокмановского газоконденсатного месторождения, Северо-Каменномысского газового месторождения и т.д. Результаты исследований данной работы использованы при разработке «Корректировки проекта разработки Штокмановского газоконденсатного месторождения», «Проекта разработки месторождения Каменномысское-море», «Проекта разработки Северо-Каменномысского месторождения», «Инвестиционного замысла освоения ресурсов Обской и Тазовской губ», «Корректировки «Программы освоения углеводородных ресурсов шельфа РФ на период до 2030 года».

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы обсуждались на:

Международной конференции «Нефть и газ Арктического шельфа-2006» (2006 г., Мурманск);

Международной конференции «Освоение шельфа арктических морей России RAO/CIS Offshore 2007» (2007 г., Санкт-Петербург), где получен «Диплом» конференции RAO-07;

Международной научно-практической конференции «Газотранспортные системы: настоящее и будущее (GTS - 2007)» (2007 г., Москва);

Международной конференции «Освоение ресурсов нефти и газа российского шельфа: Арктика и Дальний Восток ROOGD-2008» (2008 г., Москва); заседании секции «Освоение морских нефтегазовых месторождений» Ученого совета ООО «ВНИИГАЗ», Протокол № 3 от 9 апреля 2007 года; совместных заседаниях секций «Техника и технология разработки морских месторождений» Научно-технического совета ОАО «Газпром» и секции «Освоение морских нефтегазовых месторождений» Ученого совета ООО «ВНИИГАЗ», от 4 октября 2006 года, 26 ноября 2008 года.

Объем и структура диссертационной работы. Диссертационная работа содержит введение, три главы, основные результаты с выводами, список использованной литературы из 62 наименований. Содержание изложено на 102 страницах машинописного текста и включает 38 рисунков и 23 таблицы.

Заключение диссертации по теме «Технология освоения морских месторождений полезных ископаемых», Бычкова, Ольга Андреевна

выводы

1. Анализ результатов теоретических исследований и практического опыта в вопросах транспортировки газожидкостных потоков показывает, что ни одна из существующих на сегодняшний день моделей не является универсальной и не позволяет достаточно точно рассчитывать термобарические и расходные параметры потоков для всех структур течения, характерных для углеводородных систем. Особенно это касается вопросов определения режимов течения и величины содержания жидкости в трубопроводах, по которым транспортируется сырой газ с малым содержанием жидкости, так как такие системы имеют свои особенности и наименее изучены как с эмпирической, так и с теоретической точек зрения.

2. Обоснован выбор выносной скорости газа в качестве критерия, позволяющего оценить существование условий для накопления жидкости в полости трубопровода при транспортировке сырого газа с малым содержанием жидкости.

3. Разработан алгоритм для оценки возможности накопления жидкости в морском трубопроводе сырого газа, основанный на вычислении выносной скорости газа и построении критериальной кривой, полученной из кривых Стина-Уоллиса и Клапчука-Елина

4. Предложена методика определения толщины слоя жидкости в сечении трубы, величины истинного содержания жидкости в трубопроводе, потерь давления при транспортировке сырого газа, границ существования раслоенно-волнового режима течения для двухфазного потока с малым содержанием жидкости в морском трубопроводе.

5. Данная методика позволила провести расчет названных показателей для газопроводов сырого газа от Штокмановского, Северо-Каменномысского месторождения и месторождения Каменномысское-море.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бычкова, Ольга Андреевна, 2009 год

1. Арманд, А. Сопротивление двухфазного потока в горизонтальных трубах / А. Арманд // Известия. - 1946. -№ 15. - С. 6.

2. Брилл, Дж.П. Многофазный поток в скважинах / Дж.П. Брил, X. Мукерджи. — Москва-Ижевск : Институт компьютерных исследований, 2006. — 384 с.

3. Еловацкий, И.П. Нефтяная и газовая промышленность капиталистических и развивающихся стран / И.П. Еловацкий. — М. : Просвещение, 1977. — 104 с.

4. Ершов, Т.Б. Математическое моделирование нестационарных газожидкостных потоков в системе пласт-скважина: дис. . канд. техн. наук : защищена 31.10.2006 : утв. 20.01.2007 / Т.Б. Ершов. М. : РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2006. - 150 с.

5. Гутман, Э.М. Защита газопроводов нефтяных промыслов от сероводородной коррозии / Э.М. Гутман, М.Д. Гетманский, О.В. Клапчук, JI.E. Кригман. М. : Недра, 1988.-200 с.

6. Костерин, С.И. Исследование структур потока двухфазной среды в горизонтальных трубах / С.И. Костерин // Изв. ОТН АН СССР. 1943. - № 7. - С. 37-43.

7. Мамаев, В.А., Гидродинамика газожидкостных смесей в трубах / В.А Мамаев, Г.Э Одишария, Н.И. Семенов, А.А. Точигин. М. : Недра, 1969. - 208 с.

8. Медведский, Р.И. Метод расчета движения газонефтяной смеси в вертикальных трубах / Р.И Медведский, Ф.Г. Аржанов, В.А. Попов // Труды Гипротюменненфтегаза. 1974. - Вып. 41. - С. 26-31.

9. Мирзоев, Д.А. Оценка рабочих параметров безопасной транспортировки сырого газа по морскому трубопроводу / Д.А. Мирзоев, В.А. Сулейманов, О.А. Бычкова // Технологии ТЭК. 2007. - № 1. - С. 54-58.

10. Сулейманов, В.А. Гидравлика в газопроводах с внутренним гладкостным покрытием труб / В.А. Сулейманов // Наука и техника в газовой промышленности. 2006. - № 1.-С. 65-71.

11. Сулейманов, В.А., Транспортировка сырого газа по морским трубопроводам: результаты исследования режимов течения / В.А. Сулейманов, О.А. Бычкова // Oil&Gas Journal Russia. 2009. - № 5. - С. 36-42.

12. Телетов, С.Г. Уравнения гидродинамики двухфазных жидкостей / С.Г. Телетов // ДАН СССР. 1945. - Т. 50. - С. 99-102.

13. Транспортировка многофазных смесей по трубопроводам: пер. с англ. // Technoscoop. 1997. -№ 14 (1). - 84 с.

14. Уоллис, Г. Одномерные двухфазные течения / Г. Уоллис ; пер. с англ. B.C. Данилина, Ю.А. Зайгарника. М.: Мир, 1972. - 440 с.

15. Франкль, Ф. И. Уравнения энергии для движения жидкостей с взвешенными наносами / Ф.И. Франкль // ДАН СССР. 1955. - Т. 102. - № 5. - С. 903-906. ,

16. Чисхолм, Д. Двухфазные течения в трубопроводах и теплообменниках / Д. Чисхолм ; пер. с англ. Б.Л Кривошеина. М. : Недра, 1986. - 204 с.

17. Agrawal,. S. An analysis of horizontal stratified two-phase flow in pipes / S. Agrawal, G.A. Gregory, G.W. Govier // Canadian Journal of Chemistry Engineering. 1973. - № 51.-PP. 280-286.

18. Ansari, A. M. A comprehensive mechanistic model for upward two-phase flow in wallboards / A.M. Ansari // SPE Production Engineering 1994.-№ 5. - PP. 143-147.

19. Baxendell, P.B. The calculation of pressure gradients in high-rate flowing wells / P.B. Baxendell, R. Thomas // Journal of Petroleum Technology. 1961. - № 10. - PP. 10231028.

20. Beggs, H.D. A study of two-phase flow in inclined pipes / H.D. Beggs, J.P. Brill // Journal of Petroleum Technology. 1973. - № 4. - PP. 607-617.

21. Bendiksen, К. The dynamic two-fluid model OLGA: theory and application / K. Bendiksen, D. Malnes, R. Мое, S. Nuland // SPE Production Engineering. 1991. - № 6.-PP. 171-180.

22. Benzoni-Gavage, S. Multi-Dimensional Hyperbolic Partial Differential Equations: First-Order Systems and Applications / S. Benzoni-Gavage, D. Serre. Oxford University Press, 2007. - 536 pp.

23. Caetano, E. F. Upward vertical two-phase flow through an annulus / E.F. Caetano, O. Shoham, J.P. Brill // Journal of Energy Resource Technology. 1992. - V. 114. — № 1. — PP. 1-31.

24. Fancher, G.H. Prediction of pressure gradients for multiphase flow in tubing / G.H. Fancher., K.E. Brown // SPE Journal. 1963. - V. 3. - № 1. - PP. 59-69.

25. Fernandes, R.S. Hydrodynamic model for gas-liquid slug flow in vertical tubes / R.S. Fernandes., T. Semait, A.E. Dukler // AIChE Journal. 1983. - V. 29. - № 6. - PP. 981989.

26. Gould, T.L. Design of offshore gas pipelines accounting for two-phase flow / T.L. Gould, E.L. Ramsey // Journal of Petroleum Technology. 1975. - V. 27. - № 1. - PP. 366-374.

27. Hasan, A.R. Performance of a two-phase gas-liquid flow model in vertical wells / A.R Hasan., C.S. Kabir // Journal of Petroleum Science and Engineering. 1990. - № 4. -PP. 273-289.

28. Hewitt, G.F. Annular two-phase flow / G.F. Hewitt, N.S. Hall-Taylor. Oxford : Pergamon Press, 1970. - 310 pp.

29. Hope, P.M. A new approach to the design of wet-gas pipelines / P.M. Hope, R.G Nelson // Proceedings of ASME Conference (Houston, USA, September, 1977). Houston, 1977.-PP. 136-142.

30. Lerat, A. Three Dimensional Calculation of Transonic Viscous Flows by an Implicit Method / A. Lerat, R. Peyret // The American Institute of Aeronautics and Astronautics Journal.-1985.-V. 23.-№ 11.-PP. 1670- 1678.

31. Lockhart, R.W. Proposed Correlation of Data for Isothermal Two-Phase, Two-Component Flow in Pipes / R.W. Lockhart, R.C. Martinelli // Chemical Engineering

32. Progress. 1949. - V. 45. - № 1. - PP. 39-45.

33. Lopez, D. Performances of transient two-phase flow models / D. Lopez, P. Duchet-Suchaux // Proceedings of SPE International Petroleum Conference (Villahermosa, Mexico, 3-5 March 1998). Villahermosa, 1998. - PP. 227-242.

34. Martinelly, R.C. Isothermal pressure drop for two-phase two-component flow in a horizontal pipe / R.C. Martinelly, L.M.K. Boelter, T.H.M. Taylor, E.G. Tomson, Moen R. H. // Trans. Amer. Soc. Mech. Engrs. 1944. -V. 66. -№ 2. - PP.139-151.

35. Minami, K. Transient two-phase flow behavior in pipelines: experiment and modeling / K. Minami, O. Shoham // International Journal of Multiphase Flow. 1994. - V. 20. - № 4. - PP.739-752.

36. Moore, T.V. Experimental measurement of slippage in flow trough vertical pipes / T.V. Moore, H.D. Wilde // Trans. Amer. Inst. Mining and Met. Engrs. 1931. - № 92. - PP. 296-313.

37. Norwegian Petroleum Technology. A success story : collected articles / Edit, by H. Keilen. Trondheim : NTVA, 2005. - 89 pp.

38. Petalas, N. Mechanistic Model for Multiphase Flow in Pipes / N. Petalas, K, Aziz // Journal of Canadian Petroleum Technology. 2000. - V. 39. - № 6. - PP. 43-55.

39. Sylvester, N.D. A mechanistic model for two-phase vertical slug flow in pipes / N.D. Sylvester // Journal of Energy Resources Technology. 1987. - V.109. - №4. - PP. 206213.

40. Taitel, Y. A model for predicting flow regime transitions in horizontal and near horizontal gas-liquid flow / Y.A. Taitel, A.E. Dukler, // AIChE Journal. 1976. - V. 22. -№ 1. - PP. 47-55.

41. Taitel, Y. Simplified transient solution and simulation of two-phase flow in pipelines / Y. Taitel, O.Shoham, J.P. Brill // Chemical Engineering Science. 1989. - V. 44. - № 6. -PP.1353-1359.50.