Modeling Pipeline Hydraulics WhitePaper

8/17/2019 Modeling Pipeline Hydraulics WhitePaper

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一种在集输与生产系统中对管道流体流动建模的集成方法

行业白皮书

Aspen Technology, Inc

工程解决方案产品推广部

Luisa Herrmann



摘要

近年来，由于油气田变得不易开采，再加上它们的烃类质量降低且多变，要维持或提高生产水平已经

成为油气田开采的一个关键目标。要达到该目标最突出的一项挑战是管理集输系统所属的复杂管道中各类

流体，以及从井口运输油气到加工设施的管道系统。随着新油气田中使用的管道变得越来越长，其在海中

布放得变得越来越深，以及使用年限越来越长，渐渐成为了勘探与生产公司面临的严峻问题。因此他们需

要更好的性能预测和故障排除工具。从商业的角度来看，解决这些技术挑战变得日益重要，因为建造和改

造集输系统的资本支出在开发成本中占的比例很大，但与因输送中断导致的油气田亏损相比却微不足道。

本文概述了新的管道流体流动学建模功能，无需另外采用第三方管道流体力流动计算工具。在一个工

具中对整个集输和生产系统建模（无论是离岸、陆上、海上平台等）有许多好处，不仅能够从资本和能源

角度优化设计，同时也确保了整体系统安全。

Aspen HYSYS®已被广泛用于对油气田的许多方面进行建模，包括分离系统、环境控制系统、气体脱

水、 H2S 和 CO2 脱除等等。 HYSYS 用于确定热量和物料平衡、分离性能和工艺的合规性，以及其他

关键性能标准的首选工具（Gulbraar ，2011年）。过去，第三方流体流动学计算软件会与 Aspen HYSYS

一起或分开使用，以解决设计某一特定方面的问题。然后该数据需要导入 HYSYS 模型中，这本身就是一种很低效的方法。而现在整个集输系统和生产系统实现了集成。

Aspen HYSYS 内提供两个功能块，用于精确且严格地对复杂的管道水流动建模： Aspen HYSYS

Pipe Segment 和 Aspen HYSYS Upstream Hydraulics 。有了这两种产品，公司可以模拟简单的管道或

复杂的管网，他们可以动态模拟流经管道的多相流体，并实施流动保证措施，以减少侵蚀、腐蚀、沉积物

的形成。这两种产品使得制造商得以从井口到加工设施，从工厂开车到停车，从油气田生命周期一开始到

结束，以稳态或动态模拟管道网络，使设计时间从数月缩短到3天或更短的时间（2.Genesis石油和天然气，

2011年）。本文演示了该解决方案及其功能。

需要精确进行流体流动模拟计算

现代能源生产的一个关键期望是可靠性。在工业化社会，对可靠能源的需求是最重要的，因此需要可

靠的源头是根本。这种可靠性始于油气田的勘探阶段。由于这些油气田的形成是一种自然现象，所产生的

组分是未知的。不过，即使组成不可知，勘探与生产(E&P)公司也可以利用一些工具来可靠地这些资源。

任何集输系统和生产网络的设计必须与各种不断变化的业务优先级和工程上的限制相抗衡，其中，可

靠性是不变的目标。系统必须实现最久的正常运行时间和性能，以有效地完成预期的生产量。第二个目标

是支持不断变化的烃类成分，这类成分不但在油气田的整个生命周期内会发生自然变化，还会由于新的和

非传统的生产流动被送入集输网络，而发生不可预知的变化。

尽管典型的生产涉及到油相、气相以及水相，有时固体例如沙子和碎石也混入到流股中，这取决于油

气田的地质状况和生产年限。制定策略和开发管道集输网络时所有这些因素都必须考虑到。管网的设计是

根本，确保从油气田的物流是一致、稳定的，从而使下游加工可以同样稳定和不间断地进行。综合考虑管网及其流体流动水力，以及分离和生产系统是很关键的，这样确保了安全操作可正确地内置于设计中。

管网的设计必须符合行业标准，如 API 、 ANSI 和 ASME 以及环境（EPA）、安全（OSHA）和任

何国家、州、地区或地方法规。工程设计必须考虑到预期的温度、压力和流经管道的混合物的体积、运送

产品所涵盖的整个地理和环境条件，以及沿路的限制。随着越来越多的油气田位于海上或难以到达的地区，

管道越来越长，周围环境越来越多样化，需要更好地模拟这些新的特性。同样重要的是要考虑油气田生命

周期内可能发生的成分的变化，管道壁杂质的沉积，如蜡和沥青质，以及管道的腐蚀和段塞流。随着老化

管道遍布世界各地，决定如何更好地延长油气田的寿命，以及决定保养是否足够，或者是否需要更换管道

时，这些因素就变得非常重要。

要确保管道可靠，另一个重要的因素是流动保证，或者确保含油气的多相混合物不断流动，以保证生

产和避免损坏下游设备，如泵和阀门。这对于深水油气井而言特别困难，因为在管道中任何必要的维护都很昂贵，并且会导致重大生产损失。对所有这些因素加以考虑，不难看出为什么正确的管道设计是非常重

要的。事实上，管道在深水油气田开发成本中所占比例是第二高的（30％），仅次于海底油井的钻探和开



采。建造管道的成本很高，每口井大约1000万美元，但与由于设计不当导致整个生命周期产生上百亿美元

的潜在生产损失相比，也只不过是九牛一毛。（John & MacFarlan，2008年）

安全性和可控性也是设计管道的重要考虑因素。瞬时操作很常见—包括石油和天然气管道内温度、成

分和压力的变化，并且必须考虑到这点。此外，对于动态模型的稳态条件，必须考虑开车、停车和下游生

产要求的变化。

所有这些要求，使管道流体流动成为油气田开发计划中极为重要的一步。因此，管道的精确建模以及

为实现中游和上游加工管道与设备之间的连接对确保整个油气田生命周期最佳的流动及生产，以及整个网

络的安全操作至关重要。该模型可用于优化新的生产、改造或在现有过程中增加新的资产。

管道建模解决方案概述

为了满足这些行业需求， Aspen Technology 在 Aspen HYSYS 中提供了两种管道流体流动建模方法。

两者都具有类似的功能，并且都支持对瞬时流动状态提供动态建模支持，但一个使用简化的求解器以更快

地得出结果，而另一个对复杂的管道设计提供更严格的建模。

The Pipe Segment是可以为划分成多个部分的单独的管道提供建模解决方案。通常情况下，这些管段

依据管道沿途的地形或环境变化而定，其中必须使用不同的流动相关性，从而更精确地对管道建模。第二

种方法， Aspen Hydraulics —这是 Aspen HYSYS Upstream 的一部分—设计用于管网建模，如海上生产。在这种情况下，开采具有不同特性的多个油气井，所得的管网与多相流动混合则要求更严格地建模。

这两种方法都支持使用动态模拟， Aspen Hydraulics 支持更严格地管网计算。这两种方法与 Aspen

HYSYS 集成，不仅能够对管道建模，还能在中游和上游设施对管道和加工设备之间的接口建模。再加上

动态模拟，使得开采过程更安全，适应了油气田和管道的使用年限，这些工具对世界各地的管道操作都至

关重要。

流体模拟的基础知识

管道建模时，设计上要考虑几个重要的因素，其中最重要的是压降、流量、流体的几何形状和不断变

化的流动模式。对流经管道的任何流建模时，基本的必要输入是入口和出口压力、质量或摩尔流量。各种变量都会影响压降，这使它成为考虑管道计算时一个复杂而又非常重要的变量。这些变量包括流经管道的

混合物的所有成分的热力学性质，它们的相互作用以及接口处的管道材料。还要考虑可压缩性、密度差以

及流中不同成分的空间排列。

流体流动相关性

在 Aspen HYSYS中利用 Aspen Hydraulics 或者 Pipe Segment 对管道建模时，所涉及到的各种变

量使得使用流动相关性成为可能。这两种产品都提供了各种行业公认的流动相关性计算方法，可以用于不

同的流动特性。这些相关性可以是经验的（使用无量纲参数，以适应实验数据）或机械的（发展到对特定

流动模式模拟）。经验和机械相关性都不是“万能钥匙”，因为它们是针对特定组的流动特性所开发的。因

此，选择相关模型时，重要的是要知道最合适的一个，这取决于流动方向和对流图和持液率建模的必要性，

如表1所示。

表格中的最后一个模型是由塔尔萨大学流体流动工程（TUFFP）创建， TUFFP 是由会员企业和政

府机构支持的行业和大学合作的研究小组。（塔尔萨大学，2013年）。该小组的成立主要是为了，针对会员

企业遇到的有关管道中多相流体流动的问题研究和开发解决方案。该团体已在其他活动中构建物理试验床，

他们持续测试管段中油气流动的行为。 Aspen Technology 是该小组的成员，并因此可以接触小组在持续

研究中获得的最新成果，并利用该成果为多相管道提供更精确的流动相关性。 Aspen Technology 已将最

新的 TUFFP 相关性纳入 Aspen HYSYS 的水力建模功能中。

模型水平流垂直流持液流动图

Aziz, Govier &Fogarasi

否是是是



Baxendell & Thomas 慎用是否否

Beggs & Brill (1973) 是是是是

Beggs & Brill (1979) 是是是是

Duns & Ros 否是是是

Gregory, Aziz,Mandhane

是否是是

Hagedorn & Brown 否是是否

HTFS 均质是是否否

HTFS 液体转差是是是否

OLGAS 2相是是是是

OLGAS 3相是是是是

Orkisewski 否是是是

Poettman & Carpenter 否是否否

Tulsa 99 否是是是

TUFFP 是是是是

表 1：在 Aspen HYSYS Pipe Segment 模型中可用的管道流动相关性

动态建模

多相流在本质上是不稳定的，特别是一根长距离管道横跨了不同的地形，可能会被腐蚀或侵蚀，或可能包含障碍物。因此，重要的是不仅要设计管道稳态模型，考虑到流经管道时流体的变化以及管道本身和

油气田年龄的动态模型也很重要。这种暂态模型不仅对这些变化很重要，对开车、停车以及生产的变化也

是如此。

在 Aspen HYSYS中可使用 Aspen Hydraulics and Pipe Segment Model进行动态模拟。唯一的区别

是， Aspen Hydraulics 内执行的动态建模更严格，因此，适用于更复杂的情况，例如由带汇合点的管网

服务于多个油气田。 Aspen HYSYS 动态模型使用与稳态模型相同的物性，而且稳态模型很容易转换为

动态模型。软件有一个动态建模助手，确保在没有不满足自由度定义或者超过自由度定义的情况下轻松实

现稳态模型向动态模型的转变。这种方法最大化稳态模型的价值，并降低了创建和集成一个单独的动态模

型的费用和复杂性。工程师应始终考虑采用动态建模，以实现最佳设计，从而满足流动保障和网络可靠性。

流动保障

可靠管道的关键是确保从生产现场到加工现场连续流动，尽可能接近设计流量。流动保障涵盖流经管

道的多相生产流体的热力学水力学设计和评估，以及流动中断的预测、预防和整治。目的是为了确保多相

流体从储层到销售点的有效且经济的流动。流动中断可能会导致生产中断和加工设备损坏，炼油厂的收入

损失可达数百万美元。事实上，由于流动保障问题导致生产损失的成本使整个管道的安装费用与之相比微

不足道。因此，在设计生产管道时，考虑这些因素很重要。

流动中断可能是由管道材料的腐/侵蚀、多相流动的不稳定性或者在管道中堵塞的形成（物理或化学反

应，如形成水合物）引起的。多相流动的不稳定性，通常被称为滞流，可因气相和液相的相互作用引起管

道显著压力差，这是由于地形变化所致。管道中的堵塞是由流体中发现的固体颗粒沉积造成的，其中最常

见的是蜡、水合物和沥青质。，这些沉积发生在可以的温度过低的条件下，而修复通常需要停止生产，所

以要使用正确的动态工具来设计管道，以尽量减少这些问题。



Aspen HYSYS V8 可用性

虽然流体流动建模功能早于 Aspen HYSYS V8 （发布于2012年12月）推出，但强烈建议工程师在进

行本文档所述建模时使用 Aspen HYSYS V8.0 或以上版本。在较新版本的 Aspen HYSYS 中引入了全新

设计的用户环境，以及 Office 2010“Ribbon”模式和工作流/工作区，使这种功能更方便新用户使用。

图 1： Aspen HYSYS V8 流程图管段实例。面板左侧可选择管道，右侧有流动保证和动力选择。

Aspen Pipe Segment模型

专为基本的管道设计开发， Aspen HYSYS 包含一个称为 Aspen 管段模型的工具。此工具的使用类

似 Aspen HYSYS 的其它单元操作，它在“common”对象面板中可用，并且可以添加到主流程图（见图

1）中。它主要用于建模无混相的单一管道，并使用简单的求解器更快地计算。

使用 Pipe Segment 时，整个管道根据每个管段的特性被分成更小的管段，以确保更精确地建模。每个管段可以具有不同的流动相关性，如可以适应不同的地理特征（见图2）。

使用 Pipe Segment 模型时，只需指定以下两项：进口压力、出口压力，或质量/摩尔流量；一旦指

定两个变量后，第三个变量便可计算得出。其它指定的输入包括管段长度、标高变化、管道外径和内径、

管道材料和增量数。该设计还包括基于管内热损失、出口温度和传热系数的热损失模型。根据模拟的特性，

这可能有助于禁用某些管段，同时解决流程图的其余部分，而管段模型允许使用“忽略”选项完成。

图 2 ：管段内水平、垂直和斜管流动的多项相关性选择。



管段模型还可进行流的动态计算，以说明管道变化以及管道老化。进行流动保证分析、在 Aspen

HYSYS 中使用特定工具检查 CO2 腐蚀、管道侵蚀、段塞流分析、结蜡和水合物的形成时这些计算也很

重要（见图3）。这些工具对于评估允许流动中断的条件，特别是油气田（和管道）年龄，然后最大限度地

减少发生的风险至关重要。

工程建筑公司设计油气田生产系统时，可使用 Aspen Pipe Segment 模型进行模拟，以预测油气井内

流体流经管道时不同距离和时间所产生的变化。该模型还可使油气田操作员预测和避免对管道进行定期维

护时可能发生的流动中断，从而提高产量和延长油气田的寿命。

图 3：管段（左）的流动保证选项卡（右），显示管道流速相关的侵蚀计算。

Aspen HYSYS Hydraulics子流程图

不同于管段模型， Aspen HYSYS Hydraulics 是子流程图，属于 Aspen HYSYS Upstream

Operations 上游模块的一部分（见图4）。这意味着，子流程图可以添加到更广泛的 Aspen HYSYS 流程图中，并与流程图中的其它设备相连接，同时还可谓流程图中包含的所有专门设备提供严格计算。

图 4： Aspen HYSYS V8 （左）上游面板中的 Aspen Hydraulics 子流程图， Aspen Hydraulics 子流程图（ HYDR-1）可集成到更广泛的 Aspen

HYSYS 流动图（右）中。

Aspen Hydraulics面板中的单元操作包括单管段模式、复杂管道、阀门、节流孔、弯管、 U 型管和T

型接合混合器和分离器（见图5）。子流程图可以添加到更完整的 Aspen HYSYS 流程图中，创建从井口

到销售点的完整的管网和生产工厂模型。

Aspen Hydraulics 子流程图将复杂的管道分解成片段，从而可以在单一的流程图中模拟由多个流股分

支组成的复杂管网。这是通过在流体模型中引入混合器和分离器实现的，从而显著地增加了确定系统的压

力和流动变量。因此，用户可指定更多的边界条件。 Aspen Hydraulics 系统非常灵活，有多种压力和流组合，用户能够灵活指定流程图的边界条件。



图 5 ： Aspen HYSYS V8 （左）中的 Aspen Hydraulics 子流程图面板和在 Aspen Hydraulics （右）中

管网建设实例。

许多用户定义的和计算的变量都有助于确定多个分支，这使得管道计算更加严格。子流程图中的每根

管道也需要用户指定的成分，以及除了压力降和流量外的热力学状态变量，例如温度、焓、压力或气相分

率。

和 Pipe Segment 相同，使用 Aspen Hydraulics 时可选择性地忽略部分管道以快速实现建模场景，

如那些被切断的油气田。为此， Aspen Hydraulics 管道也允许使用“忽略”选项，选中后模拟将忽略计

算被忽略的管道单元。

Aspen HYSYS Hydraulics子流程图的使用

新兴的非常规天然气（包括页岩气），需要许多公司重新评估其现有的天然气和石油集输管道系统。

在某些情况下，有必要增加管道的容量，而在其它情况下，可能需要延长管道，以到达即将投产的新油气

井。对于这两种情况，充分了解管道内的交互工作，以确定潜在的改进和补充是很重要的。

为了精确评估这些相互作用，对整个管道集输系统建模是很重要的，包括压缩、多相（气，油，水）

管道流体流动和管道的热损失。这对于确定现有功能的瓶颈以及是否需要新管道及其特点至关重要。如果

只改变现有设备是必要的，如排除故障，该模型将省去数百万美元的管道建设费。

考虑到这一点，一家全球性的管道工程建筑公司，随着新油气井的投产，它需要评估其流动管网在运

行上的限制，确定潜在的流动保障问题并解决压缩的要求。为此，他们使用 Aspen Hydraulics 并对其现

有的管道以及他们计划的加装建模（见图6）。通过利用 Aspen Hydraulics功能，公司能够识别和消除管道

内现有的瓶颈，以及减少对泵的动力要求，所有这些都只需最少的资本支出即可完成。



图 6 ：经一家全球工程建筑公司修改后的管道样品，用以建模和增加到他们的页岩气管道中。

另一家全球性工程建筑公司 WorleyParsons ，已在多个勘探与生产应用中采用 Aspen HYSYS 的水

力功能，从精确测量贯穿一系列复杂的气体加工单元的压力降的压力降，从而海底集输系统的安全设计。

（Gomez，2013年）

广阔前景

在 Aspen HYSYS 中进行管网流体流动建模只是勘探与生产设施概念设计的广阔前景的一部分。集

成的 aspenONE 工程解决方案为过程建模人员提供了灵活和全面的工程工作流，这些在 Aspen HYSYS

中全都能找到。图7提供了 aspenONE 工程的概述。

在 Aspen HYSYS 中建模生产系统和 Aspen HYSYS 的管道建模功能中建模集输系统后，启动了其

它几项主要工程任务，它们有助于更有效地实现优化设计。具体包括：

使用 Aspen HYSYS 激活的能源分析功能对整个系统进行能源分析，从能源和碳排放的角度优化设

计

使用 Aspen HYSYS 集成的严格的换热器设计模型在系统内对所有换热器进行严格设计

使用 Aspen HYSYS 激活的经济评估功能初步估算设计的生产系统和集输网络的成本和运营成本



图 7 ： aspenONE 工程的集成工作流

结论

由于石油和天然气行业需要更精确和全面的管道流体流动建模功能， Aspen Technology 推出了两款

产品直面该挑战： Pipe Segment Model 和 Aspen HYSYS Hydraulics 。两者都是行业领先的石油和天然气建模软件 Aspen HYSYS 的一部分，能简单、准确地实现与现有的 Aspen HYSYS上游生产和中游加

工模型的集成。

Pipe Segment Model 和 Aspen Hydraulics 利用变量，包括压降、流量、管材料、传热、流动相关

性、高度变化等，模拟管道流动。 Aspen Hydraulics 利用其它变量在子流程图格式中提供了更严格的建

模，而 Pipe Segment Model 可以作为一个模块添加到 Aspen HYSYS 的任何流程图中，以便快速进行

管道计算。两者都支持动态建模，以说明瞬时流动条件，例如开车和停车阶段，同时还支持关键的流动保

障计算。

通过利用这些功能，石油和天然气行业的客户可以在 Aspen HYSYS 模型中轻松且精确地模拟管道，

不仅可用于稳态操作时，在动态评估油气田和管道老化。根据 Aspen HYSYS 模型所提供的资料，这些

公司可以在排除故障和流动保证方面节省数百万美元的建设和维护成本，并且防止油气田在生命周期内出现高达数十亿美元的生产损失。这使得 Aspen HYSYS 管道水力建模解决方案成为现代石油和天然气行

业的关键。

参考文献 Gomez, Kevin (March 2013). “Engineering Software Enables Designing for the Deep.” PACE,March 2013, PP 13-15 and online at www.pacetoday.com.au

Gulbraar, Arne (May 2011). “Overpressure Protection of Oil and Gas Production Facilities.” BillingtonProcess Technology at AspenTech OPTIMIZE™ 2011 Conference, Washington, D.C.

John, A., & MacFarlan, G. (May 19, 2008). "Prospects for Deepwater Drilling 2008-2012." E&P

Magazine.

Jones, A. (May 2011). "Integrating Pipelines and Topsides Modeling." Genesis Oil and Gas Consultantsat AspenTech OPTIMIZE 2011 Conference, Washington, D.C.

经济评估

设备设计

基础工程

安全分析

运营与计划

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过程开发

概念工程

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University of Tulsa (2013). Tulsa University Fluid Flow Projects (TUFFP) http://www.tuffp.utulsa.edu/

其他资源

有关工作流或本文中包含的任何产品的更多信息，请咨询：

公共网站：

aspenONE Engineering http://www.aspentech.com/products/aspenone-engineering/

Aspen HYSYS http://www.aspentech.com/products/aspen-hysys.aspx

Aspen HYSYS Upstream http://www.aspentech.com/products/aspen-hysys-upstream.aspx

Aspen HYSYS Upstream Dynamic http://www.aspentech.com/products/aspen-upstream-dynamics.aspx

点播在线研讨会：

应用于水力和流动保证的全新 Aspen HYSYS

利用多相流建模优化管道水力

记录的演示文稿 Brainsharks ：

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AspenTech 公司支持网站：(http://support.aspentech.com)

该支持网站提供有关 aspenONE 产品和解决方案的全面且不断更新的知识库。

联系方式

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