王怡

摘 要： 油、气、水三相混合物的流动规律较单相或气液两相流动更为复杂，然而目前主要采取单相流方法来计算三相节流阀的流通能力。为了更精确地对油气水三相节流阀流通能力进行计算，以油气水三相介质流过节流阀时的能量守恒方程为基础，考虑节流时的临界流动和亚临界流动两种状态，建立了油气水三相节流阀流通能力计算模型；采用二分法对模型进行了求解，并编制了相应的计算软件。以此为基础，结合番禺35-1气田的实际油气生产数据，分析对不同开度，不同节流前压力和不同节流后压力下流经阀门的总质量流量，验证了方法的准确性。

关 键 词：三相节流阀；流通能力；流量；计算

中图分类号：TQ 052 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）04-0813-03

Abstract： The flow rule of oil-gas-water three-phase flow is more complex than single-phase flow and two-phase flow. However， now calculation method of three-phase flow is the same as the calculation method of single-phase flow. In order to calculate the flow capacity of three-phase flow through throttle valve more accurately， the calculation method of three-phase flow was established based on fluid mechanics and thermodynamics. Dichotomy was used to solve the model and the calculation software was developed. Using this method， a lot of calculations were conducted for the production data of PY35-1 gas field. The results show that there is a proximate linear positive correlation between the opening of the value and the flow capacity. With the increase of the pressure before throttling， the flow capacity increases， while decreases with increasing of the pressure after throttling.

Key words： Three-phase throttle valve； Flow capacity； Flow； Calculation

为了缓解目前日趋紧张的油气资源供应情况，降低油气资源的对外依存度，我国的海洋油气开发已逐渐向水深为300～1 500 m的区域发展[1]。例如，荔湾3-1、番禺35-1、番禺35-2均是我国南海重要的深水天然气田。深水气田产出的介质一般都是由凝析油、天然气和水组成的三相混合物[2]。为了对生产井的产量进行灵活的调整和控制，往往需要在井口安装油气水三相节流阀[3，4]。因此，在一定的地层压力和温度下，油气水三相的产量是与节流阀的紧密相关的。如何准确预测不同开度下的油气水产量是气田生产过程中必须要解决的问题。

对于流经阀门的单相流动，可基于流体在流经阀门时的连续性方程、动量方程、能量方程以及阀门特性曲线方程进行计算，并获得较为准确的结果。但是，对于油、气、水三相混合物而言，油气水三相之间的速度差异（相间滑脱）就会影响到混合物在阀门处的流通量，从而使得流过阀门的介质总量与单相流之间存在较大的差异。因此，不能采用单相流方法来计算油气水三相节流阀的流通能力。

为了准确掌握油气水三相节流阀的开度与阀门过流量之间的关系，本文根据已有的研究成果，基于流体力学和热力学原理，建立了油气水三相节流阀流动能力计算模型，研究了求解方法。在此基础上编制了相应的计算软件并对影响因素进行了分析，并结合PY35-1气田的现场油气生产数据进对模型参数的影响进行了分析。

1 油气水三相节流阀流通能力模型

图1为此建立油气水三相节流阀流通能力数学模型所用节流阀如图1所示。图中编号1为节流阀上游管段，2为节流阀喉部，3为节流阀喉部出口，4为节流阀下游管段。

当含有天然气的介质流经阀门处时，其最大流速不能超过当地声速，即临界流速。所以，阀门下游的压力高于临界压力时的流动称为亚临界流动；下游压力小于或等于临界压力时的流动成为临界流动[5]。为了精确地预测油气水三相介质流经阀门的量，首先就需要判断计算阀门下游的临界压力。

Perkins等[6，7]基于三相流动流经阀门时的能量平衡方程推导了临界压力计算公式，如式（1）所示。

式中： ρ为三相流中各组分密度， ；P为流体压力， ； 为流体比容， ；f为三相流中各组分的质量百分率；k为气体比热比； 为临界压力比，P1/P2； 为流通面积， ； 为流体等熵流动过程流量， ； 为流体比热容，J/（kg·K）； 为气体的压缩因子； 为摩尔气体常数，取 ； 为气体摩尔质量， ；下标 代表油相；下标 代表气相；下标 代表水相参数；下标1代表节流阀上游管段；下标2代表节流阀喉部。

当已知油气水三相的比例、密度、比热容、天然气组分，以及上游管段、节流阀喉部、节流阀下游的流通面积以后，可采用二分法求解式（1）中唯一的变量临界压力比Pr。进而根据Pr的定义计算出上游压力一定的情况下，下游的临界 P2。若P2小于节流阀喉部出口3处的压力，则流动为亚临界流动，取Pr=P1/P3；反之则为临界流动，取Pr=1。

Perry等提出，在已知节流阀上游管段和下游管段压力，以及阀门喉部流通面积的情况下，可采用式（5）计算3处的压力。

式中，d为直径。

根据Perkins等人的方法，在获得临界压力比以后，可采用式（6）计算得到一定开度下阀门的流通能力。

2 模型求解

根据模型的特点，求解油气水三相节流阀流通能力数学模型的流程如图2所示。

3 实例分析

根据以上模型和求解流程，采用Visual C# 2010语言编制了油气水三相节流阀流通能力计算程序。以该程序为基础，结合我国南海番禺35-1气田的实际生产数据，进行实例计算，并对模型参数的影响因素进行了分析。

气井的生产数据如表1所示，天然气的组成如表2所示。其中凝析油的密取800 kg/m3，水的密度为996 kg/m3，天然气的密度采用PR状态方程进行计算。阀门上游油管径均为1.995英寸，阀门全开时的流通直径为0.687英寸。

3.1 阀门开度对流通能力的影响

假设阀门开度-流通面积关系为线性关系，采用以上方法计算得到的到阀门开度与流经阀门的油气水三相的总质量流量之间的关系如图3所示。

由图可知，阀门开度与阀门流量之间近似成线性关系，随阀门开度的增加，阀门的流量增大，即流通能力增强。

3.2 节流前压力对流通能力的影响

根据实际生产数据，改变节流阀节流前的压力，其它参数保持不变，得到三组阀门流量与节流前的压力之间的关系曲线如图4所示。由图可知，随节流阀节流前压力的增加，节流阀的流量增大，流通能力增强。

3.3 节流后压力对流通能力的影响

根据实际生产数据，改变节流阀节流前的压力，其它参数保持不变，得到三组阀门流量与节流前的压力之间的关系曲线如图5所示。由图可知，随节流后压力的增加，节流阀的流量减小，节流阀的流通能力减弱。

以上计算结果均是以阀门开度与流通面积为线性关系的假设为基础而得到的。对于快开阀、等百分比阀，虽然其流通特性与上述结果存在一定的差异，但是也可采用本文所述的方法进行计算。

4 结 论

（1）以油气水三相介质流过节流阀时的能量守恒方程为基础，考虑节流时的临界流动和亚临界流动两种状态，建立了油气水三相节流阀流通能力计算模型。采用二分法对模型进行了求解，并编制了相应的计算软件。

（2）以番禺35-1气田的实际生产数据为基础，分析对不同开度，不同节流前压力和不同节流后压力下流经阀门的总质量流量，证明了本文所提出方法的可行。

（3）本文的研究成果为合理油气水三相节流阀的选型、运行、管理提供了可靠的理论和技术支撑。

参考文献：

[1]吕东， 梁成浩. 海洋油气平台风险评估系统的研究进展[J]. 当代化工， 2006， 35（5）： 318-321.

[2]徐孝轩， 宫敬. 海底油气管道多相流动中的若干技术[J]. 油气储运， 2007， 26（12）： 1-7.

[3]刘勇峰， 刘俊， 李瑜， 等. 气井井下节流器冲刷腐蚀数值计算[J]. 当代化工， 2013， 42（4）： 510-512.

[4]叶长青， 刘建仪， 吴革生， 等. 气井井下双节流油嘴设计方法[J]. 天然气工业， 2007，27（10）：73-74.

[5]蒋代君， 陈次昌， 钟孚勋， 等. 天然气井下节流临界状态的判别方法[J]. 天然气工业， 2006， 26（9）： 115-117.

[6]Perkins T K. Critical and subcritical flow of multiphase mixtures through chokes[J]. SPE Drilling & Completion， 1993， 8（04）： 271-276.

[7]Khorzoughi M B， Beiranvand M S， Rasaei M R. Investigation of a new multiphase flow choke correlation by linear and non-linear optimization methods and Monte Carlo sampling[J]. Journal of Petroleum Exploration and Production Technology， 2013， 3（4）： 279-285.