不同立管結(jié)構(gòu)下嚴重段塞流特性的對比實驗研究

葉 晶，郭烈錦*，陳森林，李清平，李乃良

(1. 西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室，陜西 西安 710049； 2. 中海油研究總院，北京 100028)

不同立管結(jié)構(gòu)下嚴重段塞流特性的對比實驗研究

葉 晶1，郭烈錦1*，陳森林1，李清平2，李乃良2

(1. 西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室，陜西 西安 710049； 2. 中海油研究總院，北京 100028)

研究了兩種不同上升立管結(jié)構(gòu)下的嚴重段塞流特性，包括嚴重段塞流發(fā)生區(qū)域、立管底部壓力波動、周期以及液塞長度，并將所得S型柔性立管中氣水兩相流流型圖與典型的嚴重段塞流流型轉(zhuǎn)變準則進行了比較。實驗發(fā)現(xiàn)：兩種立管結(jié)構(gòu)下嚴重段塞流流動過程類似，S型柔性立管中的流動比豎直立管中多出壓力二次增長過程；與豎直立管中的流動相比，S型柔性立管中流動的周期更長而相對液塞長度較??；S型柔性立管中嚴重段塞流發(fā)生區(qū)域比豎直立管中發(fā)生區(qū)域小。

海底管道；嚴重段塞流；豎直立管；S型柔性立管；流型圖

0 引 言

在海洋石油工業(yè)中經(jīng)常采用集輸-立管系統(tǒng)的管線形式將油氣資源從油井傳輸至處理平臺[1]?？偟膩碚f，這種形式的管線通常包含兩個主要部分:一個部分是曲折蜿蜒在海床表面的管線，從井口到達海底管匯，通常長達十余公里；另一部分是連接海底管匯和平臺的上升立管，其高度隨著海洋深度的不同而不同，同時也按照管道所能承受的應力等條件而采用不同的形式。在集輸-立管系統(tǒng)中，以嚴重段塞流為代表的流動安全問題將會突出成為海洋油田開采中的一個重大問題[2]。

對集輸-立管系統(tǒng)中流型進行研究的重要任務就是識別需要避免的流型和確定它們的流動機理。前人研究[3-4]發(fā)現(xiàn)，這種流型只在流量較小且管線下傾的時候才能發(fā)生。下傾的管線更容易在其中產(chǎn)生分層流，這也是嚴重段塞流產(chǎn)生的一個重要機理性條件。在這種流型下，從油井中產(chǎn)生的氣體會被積累在立管底部的液體阻塞在管線中，從而無法進入立管；而管線和立管中均形成長度極長的液塞。當立管中液體到達立管頂部時，被阻塞的氣體將推動管線中的液塞離開管線進入立管；當管線中的液塞尾部達到立管底部時，氣體開始進入立管并強烈噴發(fā)。嚴重段塞流有很長的液塞，長度從一個立管高度可以變化到多個立管高度，管線中同時伴隨著強烈的壓力波動以及較長周期的氣液間歇流出。這樣的流動過程對于分離器處理長液塞的能力和設備的抗沖擊能力都提出了非常大的挑戰(zhàn)。

豎直立管系統(tǒng)和S型柔性立管系統(tǒng)嚴重段塞流的研究雖然得到了廣泛的關注[4-6]，但很少有實驗對兩者產(chǎn)生的嚴重段塞流的特性進行比較分析。Tin[7]給出了光滑過渡的S型柔性立管中嚴重段塞流的流型劃分，但也未將其與豎直立管中嚴重段塞流的特性進行詳細的對比。本文的主要目的是通過豎直立管和S型柔性立管的對比實驗，研究立管結(jié)構(gòu)對嚴重段塞流的流型圖以及周期和相對液塞長度等特征的影響。

1 實驗系統(tǒng)

1.1 實驗環(huán)路

本文實驗是在西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室油氣水大型實驗環(huán)路上進行的。本實驗環(huán)道所采用的均為內(nèi)徑50 mm的不銹鋼管，全長133 m，下傾管長度隨著立管形式的不同而變化。當立管為豎直上升管時，下傾管長19 m，立管高度為15.3 m；S型柔性立管為內(nèi)徑50 mm的塑料軟管，全長30 m，其中彎管頂部距立管底部高6.2 m，彎管底部距立管底部高2.2 m，立管出口距立管底部高15.3 m。下傾管的角度可以從-5°調(diào)整到+5°，在本文中為了比較方便，下傾管角度保持在-2°不變，因此，所有立管條件下，立管底部到氣液分離器入口的豎直方向的高度均為15.3 m。

本文使用的工質(zhì)為空氣和水。用雙螺桿壓縮機將空氣壓縮至表壓700 kPa，然后匯合由水箱經(jīng)離心水泵抽出的自來水，并經(jīng)氣水混合裝置混合輸入水平環(huán)路及立管系統(tǒng)。水和空氣在旋風分離器內(nèi)分離，空氣排空，水回水箱循環(huán)利用。

1.2 測量設備

空氣由3套孔板系統(tǒng)測量以適應不同的流量范圍，3套孔板的測量誤差分別為小孔板0.65%，中孔板1.7%和大孔板1.42%。水相由2臺電磁流量計計量，精度為0.5級。為了控制流動的溫度，在每相的流量計之前及立管出口安裝了共3組熱電偶。在立管頂部安裝了1臺伽馬射線密度計用來測量立管出口的持液率變化。同時，在管線關鍵位置上安裝了共19臺壓阻式壓力變送器及3臺差壓變送器，精度分別為0.1%和0.05%。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experiment system

實驗中的信號通過NI PCI-6255M高速采集卡獲得，采樣頻率為200 Hz。為了更好地對實驗數(shù)據(jù)進行處理并獲得準確的流動特征，每組采樣時間設置為20 min。

本研究中，空氣和水的流量覆蓋了較廣的范圍，分別為：水相折算速度ULS=0.09～1.3 m/s；氣相折算速度UGS=0.07～6 m/s。

2 嚴重段塞流流型圖

通過總結(jié)文獻中的流型劃分準則，本研究把實驗中觀察到的流型分為：嚴重段塞流I(SS1)，嚴重段塞流II(SS2)，嚴重段塞流過渡流型(SST)以及穩(wěn)定流型(ST)。在立管中同時也發(fā)現(xiàn)泡狀流和彈狀流。然而，這兩種流型對系統(tǒng)的危險性較小，所以把這兩種流型都歸為穩(wěn)定流型。由于立管中嚴重段塞流研究較多，著重將本文所獲得的S型柔性立管中的實驗流型圖與文獻中的結(jié)果進行了對比。

圖2和圖3分別比較了本文實驗結(jié)果與Taitel等[8]、修正的B?e準則[9-10]、Montgomery[11]和Tin[7]的實驗結(jié)果。各實驗管道內(nèi)徑均為50 mm。其中Wang[10]與Taitel等[8]的準則為豎直立管，Montgomery[11]和Tin[7]的準則為S型柔性立管，下傾管角度均為-2°。

圖2 S型柔性立管氣水兩相流型圖與嚴重段塞流判定準則比較Fig.2 Comparison of gas-water two-phase flow pattern map in S-shaped flexible riser with severe slugging occurrence criteria

圖2中的實線表示Taitel等[8]給出的下傾管內(nèi)分層流的轉(zhuǎn)變準則，因為下傾管內(nèi)的分層流是形成嚴重段塞流的一個重要條件。圖2中的虛線表示改進后的B?e準則，認為當發(fā)生嚴重段塞流時，立管內(nèi)液體的積聚造成的壓力上升速度必須大于集輸管路中因上游輸入氣體造成的壓力上升速度，由此可以推導出嚴重段塞流與其他流型的轉(zhuǎn)換邊界，而嚴重段塞流并不隨立管高度大小而變化，判定標準為

(1)

式中：ρGS為氣相密度；R為氣體常數(shù)；T為溫度；ρL為液相密度；g為重力加速度；l為管線的長度；α為管線中的含氣率；C為修正因子，并且C=2[10]。這兩條準則線內(nèi)的區(qū)域認為是嚴重段塞流區(qū)域。從圖2可見，本文實驗數(shù)據(jù)與修正的B?e準則線符合較好。圖2中的點線為Montgomery給出的集輸-S型柔性立管中的穩(wěn)定性準則線，線內(nèi)為不穩(wěn)定流動區(qū)域，線外為穩(wěn)定流動區(qū)域。由于水平管線很長且其中的空隙率預測并不準確，一些嚴重段塞流轉(zhuǎn)變區(qū)的點也被包含進了準則線內(nèi)。而且，各條準則線的上部也過高地預測了穩(wěn)定流動的區(qū)域。

圖3 S型柔性立管氣水兩相流型圖與Tin實驗結(jié)果比較Fig.3 Comparison of gas-water two-phase flow pattern map in S-shaped flexible riser with Tin’s experimental results

圖3為本文實驗數(shù)據(jù)與Tin實驗數(shù)據(jù)比較示意圖。Tin的實驗采用的下傾段管長為60 m，立管高度為33 m。在氣相調(diào)節(jié)閥門后液相混合點前，安裝一緩沖容器，提高氣體可壓縮空間，而增大壓縮空間相當于增大水平段管長。由式(1)可知，隨著l的增大，嚴重段塞流區(qū)域向氣相折算速度較大方向偏移。因此，如圖3所示，Tin實驗大于本實驗中嚴重段塞流區(qū)域。其中氣相和液相速度數(shù)表達式分別為：

(2)

(3)

式中：σL為表面張力系數(shù)，N/m。

3 立管結(jié)構(gòu)對嚴重段塞流特性的影響

3.1 立管結(jié)構(gòu)對流型變化的影響

圖4給出了立管為豎直結(jié)構(gòu)和S型柔性立管結(jié)構(gòu)下氣水兩相嚴重段塞流發(fā)生區(qū)域的對比圖。圖中的數(shù)據(jù)點為本次實驗所得的50 mm S型柔性立管中嚴重段塞流的數(shù)據(jù)點，藍線為50 mm豎直立管嚴重段塞流區(qū)域，紅線為50 mm S型柔性立管嚴重段塞流區(qū)域。從圖中可以看到，豎直立管下嚴重段塞流區(qū)域比S型柔性立管要大很多?？梢姡琒型柔性立管結(jié)構(gòu)能夠縮小發(fā)生嚴重段塞流的區(qū)域。

圖4 兩種結(jié)構(gòu)下氣水兩相嚴重段塞流區(qū)域?qū)Ρ菷ig.4 Comparison of severe slugging occurrence region in two types of riser shapes

3.2 立管結(jié)構(gòu)對立管底部壓力波動的影響

圖5分別給出了豎直立管結(jié)構(gòu)和S型柔性立管結(jié)構(gòu)下空氣-水兩相壓力波動曲線。不同結(jié)構(gòu)下的壓力變化規(guī)律主要有以下幾點。

首先，從圖5中可以看出，豎直立管發(fā)生嚴重段塞流時，在液塞流出過程中，立管底部壓力保持不變，形成壓力平臺期。S型柔性立管中發(fā)生嚴重段塞流時，在液塞流出過程中，P9[見圖5(b)]也存在平臺期，并在平臺期結(jié)束時發(fā)生了二次增長過程。這是因為S型柔性立管存在一段下降管段，且在這段下降段中存在氣體。在上一周期氣體噴發(fā)后，S彎管下降段內(nèi)和下傾管段類似，發(fā)生液體回流，從而產(chǎn)生一定的液位高度。當氣體進入立管時，氣體穿過S管下部上升管內(nèi)液體后，推動S彎管下降段內(nèi)液位下降，P9壓力會進一步增大，當氣體推動S彎管下降段內(nèi)液位下降到最低點時，氣體開始噴發(fā)。此后過程與豎直立管嚴重段塞流一致。

同時，當發(fā)生典型嚴重段塞流時，S型柔性立管中最大壓力約為285 kPa，而豎直立管對應的最大壓力約為250 kPa。這是因為S型柔性立管存在兩個上升段和一個下降段，由前面的分析可知，下降段內(nèi)液位高度小于下降段的豎直高度，且下降段內(nèi)為層流，因此，S型柔性立管內(nèi)最大壓力大于豎直立管內(nèi)最大壓力。

3.3 立管結(jié)構(gòu)對周期變化的影響

圖6描述了在50 mm豎直立管和S型柔性立管兩種結(jié)構(gòu)下，嚴重段塞流周期隨氣相折算速度和液相折算速度的變化規(guī)律。從圖中可以看出，隨著氣相、液相折算速度的增大，嚴重段塞流周期減小。但在相同的氣相折算速度和液相折算速度條件下，豎直立管結(jié)構(gòu)內(nèi)嚴重段塞流周期更小。

圖5發(fā)生嚴重段塞流時壓力曲線對比(ULS=0.1 m/s，UGS=0.2 m/s)Fig.5 Comparison of the pressure fluctuations of severe slugging (ULS=0.1 m/s, UGS=0.2 m/s)

圖6 兩種結(jié)構(gòu)下氣水兩相嚴重段塞流周期隨各相折算速度變化Fig.6 Variation of gas-water two-phase severe slugging flow periods with superficial velocity in two types of riser shapes

3.4 立管結(jié)構(gòu)對液塞長度變化的影響

圖7描述了豎直立管和S型柔性立管中出口液塞相對長度隨氣相折算速度變化規(guī)律。從圖中可以看出，隨著氣相折算速度的增大，液塞長度減小。而在相同的氣相、液相折算速度條件下，豎直立管內(nèi)液塞長度大于S型柔性立管內(nèi)液塞長度。

圖7 出口液塞相對長度隨氣相折算速度變化Fig.7 Variation of relative length of liquid slug with gas superficial velocity

4 結(jié) 語

本文實驗研究了兩種不同立管結(jié)構(gòu)對嚴重段塞流特性的影響，實驗結(jié)果與經(jīng)典的嚴重段塞流流型轉(zhuǎn)變準則及經(jīng)典流型圖符合較好。研究結(jié)果表明：豎直立管中嚴重段塞流發(fā)生區(qū)域要大于S型柔性立管。由于S型柔性立管長度上比豎直立管要長，因此相對液塞長度也比豎直立管中要小。但是一旦在S型柔性立管中發(fā)生嚴重段塞流，其周期將比相同氣液流量下的豎直立管中的周期要長。

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ComparativeExperimentalStudyonSevereSluggingCharacteristicsinDifferentRiserShapes

YE Jing1, GUO Lie-jin1, CHEN Sen-lin1, LI Qing-ping2, LI Nai-liang2

(1.StateKeyLaboratoryofMultiphaseFlowinPowerEngineering,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an,Shaanxi710049,China; 2.CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

The characteristics of severe slugging flow in two types of riser systems are studied, including occurrence region, pressure fluctuations at riser base, cycle time, and liquid slug length. The flow pattern map in S-shaped flexible riser is compared with the classical severe slugging flow transition criteria. The experimental results show that the severe slugging cycles are similar in two types of risers. However, there is a second growth on the pressure fluctuations in the S-shaped riser compared with the vertical riser. The period duration in the S-shaped riser is longer, but the liquid slug length is shorter. The occurrence region of severe slugging flow in the S-shaped riser is smaller than that in the vertical riser.

subsea pipeline; severe slugging; vertical riser; S-shaped flexible riser; flow pattern map

TE83；O359+.1

A

2095-7297(2015)01-0018-05

2014-10-17

國家科技重大專項(2011ZX05026-004-02)

葉晶(1984—)，男，博士研究生，主要從事油氣水多相流動研究。

*通信作者