立管高度對(duì)嚴(yán)重段塞流的影響分析

劉 欣，孫 策，阿斯汗，張?zhí)煊睿瑮钋б?/p>

（1. 中國(guó)石油管道建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)理部，北京 100101； 2. 遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001；3. 新疆石油勘察設(shè)計(jì)研究院（有限公司）， 新疆 烏魯木齊 830000； 4. 遼河石油勘探局油田建設(shè)工程一公司，遼寧 盤(pán)錦 124000）

立管高度對(duì)嚴(yán)重段塞流的影響分析

劉 欣1，孫 策2，阿斯汗2，張?zhí)煊?，楊千一4

（1. 中國(guó)石油管道建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)理部，北京 100101； 2. 遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001；3. 新疆石油勘察設(shè)計(jì)研究院（有限公司）， 新疆 烏魯木齊 830000； 4. 遼河石油勘探局油田建設(shè)工程一公司，遼寧 盤(pán)錦 124000）

隨著我國(guó)對(duì)石油需求量的增加，海上油氣開(kāi)發(fā)越來(lái)越受到重視，并且將成為我國(guó)石油工業(yè)未來(lái)的主要增長(zhǎng)點(diǎn)。在海上油氣田開(kāi)采過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到立管系統(tǒng)嚴(yán)重段塞流問(wèn)題，給安全流動(dòng)保障帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。通過(guò)改變海洋立管高度，對(duì)立管高度對(duì)嚴(yán)重段塞流的影響進(jìn)行了深入分析，得到了不同立管高度情況下，嚴(yán)重段塞流的特征參數(shù)分布規(guī)律，并分析了產(chǎn)生機(jī)理。研究結(jié)果對(duì)于未來(lái)海洋石油開(kāi)采中的立管設(shè)計(jì)可以提供一定依據(jù)。

立管系統(tǒng)；嚴(yán)重段塞流；數(shù)值模擬；特征參數(shù)；輸送安全

隨著我國(guó)陸上主要油田陸續(xù)進(jìn)入開(kāi)采中后期，我國(guó)未來(lái)的石油工業(yè)增長(zhǎng)點(diǎn)主要來(lái)自海洋[1,2]。大力開(kāi)發(fā)海上油氣資源將成為我國(guó)未來(lái)數(shù)年內(nèi)的主要發(fā)展方向，已經(jīng)出臺(tái)的《國(guó)家“十二五”科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》提出：“十二五”期間，中國(guó)海洋石油產(chǎn)量將增一倍，并且將向水深500～2 000 m的南中國(guó)海海域甚至更深的水域發(fā)展，并建成2～3個(gè)深水油氣田。

早在1973年，Yocum[3]首先發(fā)現(xiàn)了嚴(yán)重段塞流現(xiàn)象，但是并沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行定義，仍稱之為段塞流。其后，Schmidt[4,5]將這種現(xiàn)象定義為“嚴(yán)重段塞流”，高嵩[6,7]、程冰[8]、陳森林[9]、邱偉偉[10]等人都對(duì)嚴(yán)重段塞流進(jìn)行了相關(guān)數(shù)值研究，并得出了一些有意義的結(jié)論。

本文主要采用數(shù)值模擬方法，對(duì)立管系統(tǒng)嚴(yán)重段塞流進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)周期、壓力、累積液量等特征參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析，所得結(jié)果可以為實(shí)際生產(chǎn)提供有益指導(dǎo)。

1 守恒方程

1.1 質(zhì)量守恒方程

一、質(zhì)量守恒方程：

對(duì)于氣相，質(zhì)量守恒方程如下：

對(duì)于靠近管壁的液膜，質(zhì)量守恒方程為：

對(duì)于靠近氣相中夾帶的液滴，質(zhì)量守恒方程為：

式中：Vg、VL、VD—分別為氣相、液膜、液滴的體積分?jǐn)?shù)，并且

Vg+VL+ VD=1；

ρ—密度，kg/m3；

ν—速度，m/s；

A—管過(guò)流橫截面積，m2；

ψg—兩相之間質(zhì)量傳遞速率，以液相蒸發(fā)為正；

ψc、ψd—液滴夾帶、沉積速率, m/s；

Gf—f相的質(zhì)量源, kg/s；

下標(biāo)g、L、D—分別代表氣相、液膜、液滴。

1.2 動(dòng)量守恒方程

式中：α—管軸線與垂線的夾角，度；

P—壓力，Pa；

νr—相對(duì)速度，m/s；

Sg、SL、St—?dú)庀唷⒁耗ぁ庖合嘀黧w之間的界面濕周，m；

下標(biāo)i—?dú)狻⒁合嘀黧w之間的界面。

1.3 能量守恒方程

式中：E—單位質(zhì)量的內(nèi)能, J；

h—高程, m；

HS—質(zhì)量源的焓, J；

U—管壁的傳熱量, J。

2 壓力分析

對(duì)不同立管高度下的立管系統(tǒng)根部壓力特性進(jìn)行了分析，曲線如圖1。

圖1 立管底部壓力特性曲線Fig.1 The characteristic parameter curves of the bottom of the riser pipeline

由立管底部壓力特性曲線可知，發(fā)生嚴(yán)重段塞流時(shí)立管內(nèi)壓力波動(dòng)幅度很大，并且呈現(xiàn)出一定的周期特性。立管高度為30、60和90 m時(shí)分別對(duì)應(yīng)第一類(lèi)嚴(yán)重段塞流、過(guò)渡型嚴(yán)重段塞流和第二類(lèi)嚴(yán)重段塞流。

由第一類(lèi)嚴(yán)重段塞流曲線，可以觀察到四個(gè)典型的周期階段，分別為：液塞形成、液塞流出、液氣噴發(fā)、液體回流四個(gè)階段。此外，由壓力特性曲線可知，隨著立管高度增加，立管內(nèi)嚴(yán)重段塞流的循環(huán)周期越來(lái)越大，這主要是因?yàn)榱⒐芨叨仍黾邮沟靡喝纬呻A段的時(shí)間更長(zhǎng)導(dǎo)致的。

3 持液率分析

如圖2所示，嚴(yán)重段塞流發(fā)生時(shí)，隨著壓力的周期波動(dòng)，立管出口處的持液率波動(dòng)也具有周期性規(guī)律，其中第一類(lèi)嚴(yán)重段塞流時(shí)的液氣流出階段持液率比較大，并且持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。隨著嚴(yán)重段塞流由第一類(lèi)流型變化到過(guò)渡流型和第二類(lèi)嚴(yán)重段塞流流型，立管出口處的持液率也逐漸減小，并且有較多液體流出的時(shí)間變得更短。

圖2 立管出口處持液率曲線Fig.2 The liquid holdup curves of the outlet of the riser pipeline

4 累積液量分析

通過(guò)對(duì)管路系統(tǒng)內(nèi)累積液量特性進(jìn)行分析，當(dāng)立管高度為30 m時(shí)，管路累積液量變化具有嚴(yán)格的周期特性，累積液量能達(dá)到的最大值為5.8 m3,波動(dòng)幅值約為4 m3；當(dāng)立管高度為60 m時(shí)，管路內(nèi)累積液量依然具有較為嚴(yán)格的周期性，波動(dòng)幅值增大到8 m3；當(dāng)立管高度為90 m時(shí)，管路內(nèi)累積液量周期波動(dòng)變得不規(guī)律，并且波動(dòng)幅度加大(圖3)。

圖3 管路系統(tǒng)累積液量特性曲線Fig.3 The accumulated liquid volume curves of the pipeline system

在實(shí)際生產(chǎn)中，管線立管高度有時(shí)會(huì)高達(dá)幾百米甚至是上千米，所以累積液量將變得很大，對(duì)下游處理設(shè)備帶來(lái)嚴(yán)重的工作負(fù)荷，危害儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)流動(dòng)安全保障。應(yīng)采取相應(yīng)措施避免嚴(yán)重段塞流的發(fā)生。

5 結(jié) 論

（1）對(duì)不同立管高度時(shí)立管系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重段塞流時(shí)立管底部的壓力進(jìn)行了分析，得到了嚴(yán)重段塞流的壓力呈周期波動(dòng)的結(jié)論，并且壓力波動(dòng)幅值隨著立管高度的增加而增大。三種嚴(yán)重段塞流流型的壓力波動(dòng)規(guī)律有一定的差異。

（2）在實(shí)際生產(chǎn)中，管路出口處的持液率是一個(gè)非常重要的參數(shù)，對(duì)設(shè)備選型和操作具有重要影響。對(duì)立管出口處的持液率分析得到其變化具有周期性，并且隨著嚴(yán)重段塞流由第一類(lèi)流型變化到過(guò)渡流型和第二類(lèi)嚴(yán)重段塞流流型，立管出口處的持液率逐漸減小，有較多液體流出的時(shí)間變得更短。

（3）對(duì)立管系統(tǒng)內(nèi)的累積液量值隨立管高度變化的情況進(jìn)行了分析，得出嚴(yán)重段塞流發(fā)生時(shí)，管路內(nèi)累積液量隨著立管高度增加而增大，且立管高度越小，周期性越明顯，波動(dòng)幅值越小。

（4）通過(guò)對(duì)海洋立管系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重段塞流的情況進(jìn)行模擬，得到了壓力、持液率、累積液量特性參數(shù)的變化規(guī)律及產(chǎn)生機(jī)理，為實(shí)際生產(chǎn)操作和理論研究提供了一定指導(dǎo)。

［1］馬華偉. 組合立管系統(tǒng)中嚴(yán)重段塞流特性及其消除方法研究[D]. 東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)（華東），2008.

［2］譚練武..組合管線-立管系統(tǒng)嚴(yán)重段塞流特性實(shí)驗(yàn)研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2011.

［3］Yocum B T. Offshore riser slug flow avoidance： mathematical models for design and optimization [A]. Presented at SPE European Meeting [C]，London，April， 1973，SPE4312.

［4］Schmidt Z， Brill J P，Beggs，H D. Choking can eliminate severe pipeline slugging [J]. Oil& Gas J，1979b(12)： 230-238.

［5］Schmidt Z.，James P. Brill. Experiment Study of Severe Slugging in a Two-Phase-Flow Pipeline-Riser Pipe System[J]. SPE 8306，10-1980.

［6］高嵩，尤云祥，李巍，等.下傾管-立管水氣嚴(yán)重段塞流數(shù)值模擬[J].力學(xué)學(xué)報(bào)，2011，43（3）：468-475.

［7］高嵩，李巍，尤云祥，等.氣液混輸管線與立管系統(tǒng)嚴(yán)重段塞流數(shù)值研究[J].物理學(xué)報(bào)，2012，61（10）：252-263.

［8］程兵，喻西崇，李清平，等.深水立管?chē)?yán)重段塞流控制方法及其模擬分析[J].天然氣工業(yè)，2011，31（4）：89-94.

［9］陳森林，郭烈錦.嚴(yán)重段塞流壓力及持液率周期特性模擬研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2012，33（3）:437-440.

［10］邱偉偉，徐孝軒，宮敬.深海立管中嚴(yán)重段塞流特性模擬研究[J]科學(xué)技術(shù)與工程，2013，13（19）:5264-5469.

Analysis on Impact of Riser Height on Severe Slugging

LIU Xin1, SUN Ce2, A Si-han2, ZHANG Tian-yu3, YANG Qian-yi4
（1. PetroChina Pipeline Construction Administration Department，Beijing 100101, China；2. Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China；3. Xinjiang Petroleum Investigation Design and Research Institute (Co.,Ltd.)，Xinjiang Wulumuqi 830000, China；4. Liaohe Petroleum Exploration Bureau No.1 Oilfield Construction Engineering Company，Liaoning Panjin 124000, China）

With the increase of oil demand in China, exploitation of offshore oil and gas is becoming more and more important; it will become the main growth point of our country’s oil industry. In the exploitation process of offshore oil and gas, the problem of severe slugging in the riser system is often encountered, which brings serious challenge for the flow assurance. In this paper, through changing the height of the riser pipeline, effect of the riser height on the severe slugging was deeply analyzed, and the distribution law of characteristic parameters of the slugging under different riser height was obtained, and the mechanism of producing the severe slugging was analyzed. The research results can provide the basis for design of the riser pipeline in the future exploitation process of offshore oil and gas.

Pipeline riser system; Severe slugging; Numerical simulation; Characteristic parameters; Transportation security

TE 357

A

1671-0460（2014）11-2385-04

2014-04-22

劉欣（1985-），男，黑龍江齊齊哈爾人，助理工程師，研究方向：石油、天然氣長(zhǎng)輸管道建設(shè)和管理。E-mail：fkf5277@163.com。