Energy Equation Derivation of the Oil-Gas Flow in Pipelines

Dérivation de l’équation d’énergie de l’écoulement huile-gaz dans des pipelines

¹ Beijing Key Laboratory of Urban Oil and Gas Distribution Technology, China University of Petroleum-Beijing, Beijing, P.R.China, 102249
² South East Asia Pipeline Company Limited, China National Petroleum Corporation, Beijing, P.R.China, 100028
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^⋆ Corresponding author

Abstract

In the simulation of oil-gas pipeline multiphase flow, thermodynamic computation is an important process interacting with the hydraulic calculation and it influences the convergence of the program and the accuracy of the results. The form of the energy equation is the key to the thermodynamic computation. Based on the energy equation of oil-gas flow in pipeline, the Explicit Temperature Drop Formula (ETDF) is derived for oilgas steady state temperature calculation. This new energy equation has considered many factors, such as Joule-Thomson effect, pressure work, friction work and impact of terrain undulation and heat transfer Oil & Gas Science and Technology – Rev. IFP Energies nouvelles with the surroundings along the line. So it is an overall form of energy equation, which could describe the actual fact of multiphase pipeline accurately. Therefore, some standpoints in literatures on the temperature calculation of oil-gas two-phase flow in pipelines are reviewed. Elimination of temperature iteration loop and integration of the explicit temperature equation, instead of enthalpy energy equation, into the conjugated hydraulic and thermal computation have been found to improve the efficiency of algorithm. The calculation applied to both the component model, also applied to the black-oil model. This model is incorporated into the component model and black-oil model, respectively, and two simulations are carried out with two practical pipeline Yingmai-Yaha and Lufeng multiphase pipeline and the temperature results are compared with the simulation calculated by the OLGA and the measured. It is shown that this model has simulated the temperature distribution very well. Finally, we analyzed the influence of the specific heat capacity of oil and gas on the temperature of the mixture of fluids and the influence of the Joule-Thomson effect on the temperature distribution on the pipeline. It is shown that the Joule-Thomson coefficient is a key factor to well describe the oil-gas two-phase flow.

Résumé

Lors de la simulation d’un écoulement multiphasique huile-gaz dans une conduite, le calcul thermodynamique représente un processus important en interaction avec le calcul hydraulique; il influence la convergence du programme et la précision des résultats. La forme de l’équation d’énergie constitue la clef du calcul thermodynamique. Basée sur l’équation d’énergie de l’écoulement huile-gaz dans un pipeline, la formule de chute de température explicite (ETDF; Explicit Temperature Drop Formula) est dérivée pour un calcul de température d’état stable huile-gaz. Cette nouvelle équation d’énergie prend en compte de nombreux facteurs, tels que l’effet Joule-Thomson, le travail de pression, le travail de frottement, ainsi que l’incidence des ondulations de terrain et le transfert de chaleur avec le milieu extérieur le long de la ligne. Ainsi, il s’agit d’une forme globale de l’équation d’énergie, laquelle pourrait décrire précisément la réalité d’un pipeline à phases multiples. Pour cette raison, un certain nombre de points de vue de la littérature à propos du calcul de température d’un écoulement diphasique huile-gaz dans des pipelines sont passés en revue. L’élimination de la boucle d’itération de température et l’intégration de l’équation de température explicite, au lieu de l’équation d’énergie d’enthalpie, dans le calcul conjugué hydraulique et thermique, se sont avérées améliorer l’efficacité de l’algorithme. Le calcul a été appliqué non seulement au modèle de composants mais aussi au modèle Black-Oil. Ce modèle est incorporé respectivement dans le modèle de composants ainsi que le modèle Black-Oil et deux simulations sont effectuées sur deux pipelines en service, les pipelines multiphasiques Yingmai-Yaha et Lufeng; les résultats de température sont comparés à la simulation calculée par OLGA et aux résultats mesurés. Il est montré que ce modèle a très bien simulé la distribution de températures. Enfin, on a analysé l’influence de la capacité thermique spécifique du pétrole et du gaz sur la température du mélange des fluides et l’influence de l’effet Joule-Thomson sur la répartition de température sur le pipeline. Il est montré que le coefficient de Joule-Thomson représente un facteur clef pour décrire correctement un écoulement diphasique huile-gaz.