一种油气输送管道管内流体密度随机变化的模拟方法

1.本发明涉及油气输送技术领域，特别涉及一种油气输送管道管内流体密度随机变化的模拟方法。


背景技术：

2.地球上71％的面积为海洋，在海洋的底部蕴藏着丰富的石油和天然气。随着陆地上油气资源的开采逐渐枯竭，产量日益减少，人们不断加大了对海洋油气资源的开采。在海洋油气资源的开采中，管道常用于输送石油和天然气，因而得到了广泛的应用，比如海底管线、顶张力立管、钢悬链线立管和缓波型立管等。
3.由于海底地质、化学反应和历史变迁等的不同，在不同海域，海底油气资源的储存可能不同。有些海域储存着大量的天然气，有些海域储存着大量的石油，而有些海域同时储存着天然气和石油。这些油气资源一般采用管道进行输送，管道输送具有效率高、连续性好、输送量大和成本较低等优点。管道对海底产出的天然气进行输送时，由于周围环境温度、压强等的变化，某些重烃将会液化为液体，此时管道内部为气体和液体组成的气液两相流。在另外一方面，管道对海底产出的石油进行输送时，由于周围环境温度、压强等的变化，某些轻烃将会气化为气体，管道内部为气液两相流体。对于同时产出石油和天然气的油气井，管道内部通常输送着气体和液体。
4.由此可见，由气体和液体组成的气液两相流在海洋油气资源输送管道中较为常见。气体和液体在管道内部进行流动时，容易发生变形、分离和混合，管道内部可具有多种流型，比如气泡流、段塞流、泡沫流、环形雾流和雾状流等，而且这些流型极不稳定，容易受到外界干扰而发生变化。管道内部气液两相流流体的总密度、流速和压强等参数将会发生随机性的变化。海洋油气输送管道长达数百米，甚至上千米，具有较强的柔性。在内部流体随机性激励下将会发生振动，管道结构内部的应力应变将会循环变化。在长时间激励下，管道结构容易出现疲劳裂纹，甚至是疲劳破坏。一旦管道发生疲劳破坏，管内石油和天然气就会泄露，从而造成重大的安全事故、严重的环境污染和巨额的经济损失。
5.现有技术对于管内石油和天然气组成的气液两相流做了大量的简化，一般采用单相流模型描述管内流体的流动，亦或者采用稳定的段塞流模型模拟气液段塞流对管道的作用，并未考虑管道内部气体和液体混合流动过程中的随机性变化、管内流体总密度的随机性变化、流体密度随机性变化与管道结构振动的耦合作用等。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，并为此提供一种油气输送管道管内流体密度随机变化的模拟方法，该方法考虑了天然气和石油在管道内部混合流动时流体总密度随机性变化的幅值、随机性变化的频率、随机性变化的流速和随机性变化的初相位，并将密度随机性变化流体的流动与管道结构的运动进行耦合，从而改进了现有技术对管内气液两相流随机性的模拟方法，使得管内气液两相流随机性分析结果更贴近实际情况，提高了海
洋管道结构疲劳使用寿命预报的可靠性和有效性。
7.为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
8.本发明提供一种油气输送管道管内流体密度随机变化的模拟方法，包括以下步骤：
9.根据管道内输送石油和天然气的相关随机参数，构建管内流体密度随机变化模型；
10.通过气液两相流物理模型实验，获得所述相关随机参数的概率分布，并进行随机取值；
11.根据所述管内流体密度随机变化模型以及所述相关随机参数的随机取值，耦合柔性管道结构振动与密度随机变化流体的动力控制方程；
12.采用有限元法或有限差分法，对所述动力控制方程进行求解，求得管道结构振动的动力响应结果及结构内部应力应变的时域响应结果。
13.进一步地，所述管道内输送石油和天然气的相关随机参数包括：
14.石油和天然气在管道内部混合流动时流体总密度随机性变化的幅值、随机性变化的频率、随机性变化的流速和随机性变化的初相位。
15.进一步地，所述管内流体密度随机变化模型为：
[0016][0017][0018]
式中：ρ(s,t)表示管内流体的总密度，s表示拉格朗日坐标，为当前点沿着管道到原点的距离，t表示时间；
[0019]
表示管内流体的平均密度；
[0020]
εj表示第j项管内流体密度变化的幅值；
[0021]
exp[]表示以自然指数e为底的指数函数；
[0022]
i表示虚数单位；
[0023]
kj表示第j项管内流体密度变化的波速，其值与圆频率ωj和流速uj有关；
[0024]
ωj表示第j项管内流体密度变化的圆频率；
[0025]
θj表示第j项管内流体密度变化的初相位；
[0026]
uj表示第j项管内流体密度变化的流速。
[0027]
进一步地，通过气液两相流物理模型实验，获得所述相关随机参数的概率分布，并进行随机取值；包括：
[0028]
通过气液两相流物理模型实验，测量统计石油和天然气在管道内部混合流动时管内流体密度随机性变化的幅值、管内流体随机性变化的频率、管内流体随机性变化的流速和随机性变化的初相位；
[0029]
根据测量统计的概率分布，进行随机取值。
[0030]
进一步地，耦合柔性管道结构振动与密度随机变化流体的动力控制方程；包括：
[0031][0032]
式中：ms表示管道结构单位长度的质量；
[0033]
y表示管道结构振动的横向位移；
[0034]cs
表示管道结构振动的阻尼系数；
[0035]ain
表示管道结构内部横截面的面积；
[0036]
t表示管道结构的轴向力；
[0037]
ei表示管道结构的弯曲刚度。
[0038]
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0039]
该方法考虑了海洋管道内部天然气和石油混合输送时，气液两相流流体总密度随机变化的幅值、随机变化的频率、随机变化的流速和随机变化初相位等因素的影响，采用物理模型实验确定各随机参数的概率分布，耦合管道结构振动与管内流体运动，从而建立了一个新的柔性管道输送密度随机变化流体的模拟方法，为海洋油气输送管道的安全性、可靠性和耐久性分析提供了理论依据和途径。
附图说明
[0040]
图1为本发明实施例提供的油气输送管道管内流体密度随机变化的模拟方法流程图；
[0041]
图2为本发明实施例提供的油气输送管道管内流体密度随机变化的模拟方法原理图。
具体实施方式
[0042]
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
[0043]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0044]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0045]
为了将海底油井产出的石油和天然气快速高效地输送到海上平台上，一般采用管道进行输送。管道对石油和天然气进行输送时，其内部常见为气体和液体组成的气液两相
流。气液两相流在流动的过程中极不稳定，其流动状态很容易受到外界因素的干扰，流体的总质量、总密度、流速和压强等参数将会发生随机性的变化。海洋油气输送管道通常连接着海底油井和海上平台，长达数百米，甚至上千米，具有较高的柔性。在内部油气混合流体随机性变化的激励下，管道将会发生振动，经过长时间的振动，管道结构内部容易出现疲劳裂纹，进而发生疲劳破坏。对于管内油气混合流体对管道的作用，传统的方法是将其简化为单相流，忽略混合流体的随机性变化。所以，计算结果与实际情况相差较大。在海洋管道的设计过程中，通常需要设置较大的安全系数，以保证管道不发生破坏。
[0046]
本发明正是考虑了管道内部石油和天然气组成的混合流体总密度随机性变化的幅值、随机性变化的频率、随机性变化的流速和随机性变化的初相位等因素的影响，提出了油气输送管道管内流体密度随机性变化的模拟方法。
[0047]
参照图1-2所示，本发明提供实施例的一种油气输送管道管内流体密度随机变化的模拟方法，包括以下步骤：
[0048]
s10、根据管道内输送石油和天然气的相关随机参数，构建管内流体密度随机变化模型；
[0049]
s20、通过气液两相流物理模型实验，获得所述相关随机参数的概率分布，并进行随机取值；
[0050]
s30、根据所述管内流体密度随机变化模型以及所述相关随机参数的随机取值，耦合柔性管道结构振动与密度随机变化流体的动力控制方程；
[0051]
s40、采用有限元法或有限差分法，对所述动力控制方程进行求解，求得管道结构振动的动力响应结果及结构内部应力应变的时域响应结果。
[0052]
该方法包括建立管内流体密度随机变化模型、基于物理模型实验确定模型中的随机参数，并耦合管道结构振动与管内流体流动的动力控制方程等。该方法充分考虑了管道内部气体和液体混合输送时流体总密度随机变化的幅值、随机变化的频率、随机变化的流速和随机变化初相位等因素的影响，采用物理模型实验确定各随机参数的概率分布，耦合管道结构振动与管内流体运动，从而建立了一个新的柔性管道输送密度随机变化流体的模拟方法，为海洋油气管道的安全性、可靠性和耐久性提供了理论依据和分析途径。
[0053]
下面分别对上述各个步骤进行详细的说明：
[0054]
在步骤s10中，管内流体密度随机变化模型为：
[0055][0056][0057]
式中：ρ(s,t)表示管内流体的总密度，单位kg/m3；s表示拉格朗日坐标，为当前点沿着管道到原点的距离，单位m；t表示时间，单位s；
[0058]
表示管内流体的平均密度，单位kg/m3；
[0059]
εj表示第j项管内流体密度变化的幅值，无量纲单位；
[0060]
exp[]表示以自然指数e为底的指数函数；
[0061]
i表示虚数单位；
[0062]
kj表示第j项管内流体密度变化的波速，单位1/m，其值与圆频率ωj和流速uj有关；
[0063]
ωj表示第j项管内流体密度变化的圆频率，单位rad/s；
[0064]
θj表示第j项管内流体密度变化的初相位，单位rad；
[0065]
uj表示第j项管内流体密度变化的流速，单位m/s。
[0066]
在步骤s20中，可通过气液两相流物理模型实验，测量统计石油和天然气在管道内部混合流动时管内流体密度随机变化的幅值、管内流体随机性变化的频率、管内流体随机性变化的流速和随机性变化的初相位。通过测量统计它们的概率分布，比如正态分布、泊松分布和瑞利分布等，随后依据概率分布对它们进行随机取值。
[0067]
在步骤s30中，耦合柔性管道结构振动与密度随机变化流体的动力控制方程：
[0068][0069]
式中：ms表示管道结构单位长度的质量，单位kg/s；
[0070]
y表示管道结构振动的横向位移，单位m；
[0071]cs
表示管道结构振动的阻尼系数，单位n
·
s/m；
[0072]ain
表示管道结构内部横截面的面积，单位m2；
[0073]
t表示管道结构的轴向力，单位n；
[0074]
ei表示管道结构的弯曲刚度，单位n
·
m2。
[0075]
在步骤s40中，采用有限元方法、有限差分法或者其他方法对此控制方程进行求解，可求得管道结构振动的动力响应、结构内部应力应变的时域响应等，为管道结构的疲劳分析、可靠性分析等提供依据。
[0076]
本发明克服了现有技术的诸多不足，其特点是：
[0077]
(1)考虑了油气混合流体总密度的随机性变化
[0078]
海洋管道对石油和天然气进行输送时，管道内部容易出现气体和液体组成的气液两相流。气液两相流在流动的过程中很不稳定，容易受到外界因素的干扰而发生变化。本发明考虑了气液两相流流体总密度的随机性变化，建立了流体密度随机性变化的理论计算模型，该模型满足流体的连续性准则，能够合理分析管道内部石油和天然气组成的气液两相流流体密度发生的变化。
[0079]
(2)通过物理模型实验确定随机性参数的概率分布
[0080]
管道内部石油和天然气的不同组成将使混合流体的总密度具有不同的变化幅值、不同的变化频率、不同的流动速度和不同的初始相位。本发明考虑到流体密度的随机性变化，采用气液两相流的物理模型实验，测量统计流体密度随机变化的幅值、随机变化的频率、随机变化的流速以及随机变化的初始相位等因素的概率分布，在概率分布范围内对这些参数进行取值，使得流体密度随机性变化的模拟更可信。
[0081]
(3)解决了管内流体密度随机变化对管道结构振动的激励问题
[0082]
海洋油气输送管道的长径比较大，柔性较强，在内部流体的激励下管道结构容易
发生振动。经过长时间的振动，管道结构将会出现疲劳破坏。本发明基于欧拉-伯努利梁模型，耦合了管道内部流体密度的随机性变化与管道结构的振动，建立了动力控制方程，对此动力控制方程进行求解，可以获得管道结构振动的动态响应、应力应变变化等，可进一步评估管道结构的疲劳使用寿命和可靠度。
[0083]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。