集輸-S型立管中空氣-油兩相流流型特征實驗研究

李文升，郭烈錦*，李乃良，程 兵，姚海元

(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 100027)

集輸-S型立管中空氣-油兩相流流型特征實驗研究

李文升1，郭烈錦1*，李乃良1，程 兵2，姚海元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 100027)

實驗研究了集輸-S型立管中空氣-油兩相流的流型特征。實驗管路由119 m的水平段，長14 m、傾角為-2°的下傾段，高15.3 m、長24 m的S型立管段組成，管道內徑為50.8 mm。基于S型立管底部壓力、立管頂部持液率兩個信號來區分立管內的流型。實驗中發現S型立管內存在第二類嚴重段塞流、過渡型嚴重段塞流和穩定流動三類流型，其中穩定流動又包括泡狀流、彈狀流和環狀流。與空氣-水兩相流不同，并沒有觀察到第一類嚴重段塞流。第二類嚴重段塞流下立管頂部持液率呈方波狀，其概率密度函數(PDF)分布系以0與1為峰的雙峰結構；過渡型嚴重段塞流下立管頂部持液率針刺狀，其PDF分布基本系以0為峰的單峰結構；穩定流動下頂部持液率波動平穩，其PDF分布在0.3～0.8之間。

嚴重段塞流； 集輸-S型立管； 空氣-油兩相流； 流型

0 引 言

嚴重段塞流現象是海洋油田海底混輸管線中經常遇到的流型，此類流型可能引發數倍于立管高度的長液塞，并伴隨著劇烈的液塞噴出現象，因而會引起分離器效率的降低、油田產量的減少、管線的振動以及管內壁腐蝕的加劇等問題，嚴重時甚至導致死井。因而，對嚴重段塞流現象的研究是海底管線流動安全保障的重要方面。隨著海洋油田的開采逐步向深海邁進，立管長度不斷增加，立管結構也更多地采用S型柔性立管，因此研究S型立管中的嚴重段塞流流型的發生區域有非常重要的意義。

自Yocum[1]1973年發現集輸-立管內的嚴重段塞流現象以來，已有很多學者對其進行了深入的實驗研究[2-6]，但以上研究大多基于垂直立管，工質多采用空氣-水。Tin等[7]認為柔立管嚴重段塞流的壓力變化特征不同于垂直立管，但Montgomery等[8-9]的研究也發現，柔性立管與垂直立管中嚴重段塞流具有相似的特性，每個周期都可以劃分為4個階段：積液、排液、氣液噴發和液體回落。可見對S型柔性立管內的嚴重段塞流的認識尚有分歧。同時，實際海洋油田管道中流動的也并非簡單的空氣-水兩相流。因此，進一步對不同工質在S型立管中的流型特征的深入研究具有重要的意義。

本文在S型立管內空氣-水兩相流研究的基礎上，采用空氣-油為工質，深入研究了集輸-S型立管內兩相流的流型特征，并采用S型立管底部壓力信號與頂部持液率信號對不同的流型進行了區分，得到了立管內不同流型的詳細特征規律。結合以往文獻[5-6]的研究結果，本文將集輸-立管內的流型分為四類[10]：

(1) 第一類嚴重段塞流(SS1)：立管底部壓力能夠達到最大值，且有穩定的液塞排出階段(平臺期)。

(2) 第二類嚴重段塞流(SS2)：立管底部壓力能夠達到最大值，但沒有平臺期。

(3) 過渡型嚴重段塞流(TRS)：立管底部壓力沒有達到最大值便開始噴發。

(4) 穩定流動：包括泡狀流、彈狀流與環狀流三類。

1 實驗系統

本文的實驗結果是在西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室的常壓油氣水實驗系統上取得的。實驗管道為內徑50.8 mm的不銹鋼管，水平段長度為114 m，傾斜段長度為19 m，傾斜角度可在0°～5°之間調整，當傾角為-2°時，立管高度為15.3 m。實驗工質包括空氣、水、白油。實驗系統示意圖如圖1所示。

圖1 實驗系統示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the experimental facility

油、水兩相經齒輪泵加壓后泵出，其流量分別由電磁流量計與Micro Motion質量流量計計量，空氣經空氣壓縮機穩壓后經孔板流量計計量。油氣水三相經混合器后進入管道，在水平段充分發展后進入下傾管段及立管，然后進入氣液分離器，空氣排空，油水兩相進入液液分離器進一步分離后進入油箱與水箱循環利用；壓力、壓差信號由Keller公司的壓力、壓差傳感器計量，立管上裝有伽馬射線密度儀用以測量立管出口處的持液率，立管頂部裝有電動球閥用來節流；信號采集由NI的Labview軟件以及PCI-6255采集卡完成。本文采用的工質為空氣-油(白油：LP-14)。

2 數據處理

實驗中，采用S型立管底部的壓力以及頂部的持液率信號作為區分不同流型的直觀依據，并采用Jones等[11]提出的使用相含率的概率密度函數(PDF)分布區分水平和垂直管內的典型流型作為進一步流型區分的重要依據。PDF分布可以得到任一離散隨機信號的概率分布。對于一段采樣時間足夠長且長度為N的數據，若在區間[x-x/2,x+x/2]內的變量個數為n，則其PDF分布的計算公式為

(1)

為便于信號的處理與區分，對頂部持液率信號作標準化處理：

(2)

處理之后，持液率信號HL在0與1之間變化，HL為0時表示管道充滿氣體，HL為1時表示管道充滿液體。

3 結果分析

典型嚴重段塞流是一種周期性非常強烈的流型。其每個周期可分為四個階段：液塞生長、液塞排出、氣體噴發和液體回落。在液塞生長階段開始時，立管底部被回流液體堵塞，入口來流液體會使立管與下傾管內的液位高度不斷升高，立管底部壓力隨之持續升高，與此同時，封在下傾管內的氣體的壓力也在持續升高；待立管液位達到立管頂部時，下傾管段液位開始降低，直到下傾管氣泡頭部達到立管底部，此即液塞排出階段，此時立管底部壓力保持不變；一旦氣泡進入立管，下傾管內高壓氣體迅速噴發，立管底部壓力迅速降低，直至氣體壓力減小到一定值，立管內剩余液體由于重力作用回流到立管底部。圖2為相同實驗系統下采用空氣-水為工質得到的第一類嚴重段塞流流型，由于S管中包含兩段上升管，因此在排液階段會觀測到明顯的二次噴發現象。其中UGSO為標準狀況下氣相的表觀速度，ULS為液相的表觀速度。

圖2 第一類嚴重段塞流立管底部壓力曲線(UGSO=0.1 m/s， ULS=0.15 m/s)Fig. 2 Pressure profile of severe slugging of type 1 at the riser base. UGSO=0.1 m/s，ULS=0.15 m/s

圖3 第二類嚴重段塞流流型特征(UGSO=0.1 m/s， ULS=0.15 m/s)Fig. 3 Measurements giving the characteristics of severe slugging of type 2. UGSO=0.1 m/s， ULS=0.15 m/s

然而，本文實驗結果表明，集輸-S型柔性立管內的空氣-油兩相流流型可分為三類：第二類嚴重段塞流、過渡型嚴重段塞流和穩定流動；在相同的氣、液相表觀速度下，并沒有觀測到空氣-水兩相流動時的第一類嚴重段塞流。三類流型的詳細特征如下。

3.1 第二類嚴重段塞流

與空氣-水兩相流SS2流型相似，由于不存在穩定的排液階段，空氣-油兩相SS2的周期由三個階段組成。圖3所示為入口氣液表觀速度分別為UGSO=0.1 m/s和ULS=0.15 m/s時SS2流型的流動特征。可以看出，SS2也具有強烈的間歇性，其持液率曲線近似為方波狀，在氣液噴發階段相間界面結構復雜多變，相應的PDF系以HL=0和HL=1為峰的雙峰分布。

3.2 過渡型嚴重段塞流

空氣-油兩相流TRS的周期性顯著。其周期由液塞形成階段、氣泡進入立管、氣液噴發和液體回落三個階段組成。與SS2不同的是，TRS下氣泡會在液塞頭部到達立管頂部之前進入立管，因此立管底部最大壓力小于SS2時的最大壓力。

圖4給出了入口氣液表觀流速分別為UGSO=0.25 m/s以及ULS=0.04 m/s時TRS的特征。可以看出，TRS下立管底部壓力最大值要小于SS2，立管頂部持液率為針刺狀，其PDF分布基本系以HL=0為峰的單峰分布。

圖4 過渡型嚴重段塞流流型特征(UGSO=0.25 m/s，ULS=0.04 m/s)Fig. 4 Measurements giving the characteristics of transition flow. UGSO= 0.25 m/s, ULS= 0.04 m/s

3.3 穩定流動

圖5給出了穩定流動時的流型特征，包括泡狀流、彈狀流和環狀流三類。三類流型的詳細流型特征如下。

3.3.1 泡狀流

空氣-油兩相泡狀流的氣液相界面結構特征與空氣-水兩相泡狀流特征相似。由于直徑很小，氣泡離散分布在連續的油相中。油相中偶爾會有尺寸較大的氣泡出現，但其直徑遠小于管道內徑。由于管內持液率較高(HL約為0.68)且波動平穩，立管底部壓力圍繞一個較高的壓力小幅無序地波動。此時持液率PDF分布呈單峰結構，峰值在0.68左右。

3.3.2 彈狀流

管內交替出現液塞和Taylor氣泡，因此持液率會呈現周期性的上下波動。但由于液塞區充滿大量小氣泡，同時Taylor氣泡與管內壁之間存在液膜，因此立管頂部持液率均值在0.55左右；同時，立管底部壓力也如頂部持液率一般周期性波動，但與嚴重段塞流和過渡流型相比，波動幅度很小，周期很短。彈狀流下持液率的PDF分布在0.3～0.8之間，基本為雙峰結構，峰值分別為0.41與0.74。

3.3.3 環狀流

隨著入口氣體流速的增大，液體無法在立管底部積聚，氣體可以連續地進入立管，同時帶動管壁的環狀液膜向上運動，形成環狀流。由圖5可以看出，立管底部壓力和立管頂部持液率均值較泡狀流與彈狀流明顯降低，波動幅度小且穩定。持液率對應的PDF在HL=0.4處出現一個明顯的單峰，而持液率的PDF主峰分布在小于0.5區域內則意味著環狀流的存在[11]。

圖5 穩定流動流型特征。泡狀流UGSO=0.4 m/s， ULS=0.7 m/s；彈狀流UGSO=0.7 m/s， ULS=0.7 m/s；環狀流UGSO=3.0 m/s， ULS=0.4 m/sFig. 5 Measurements giving the characteristics of stable flow. For bubble flow, UGSO=0.4 m/s, ULS=0.7 m/s;for slug flow, UGSO=0.7 m/s, ULS=0.7 m/s; for annular flow, UGSO=3.0 m/s, ULS=0.4 m/s

4 結 論

采用空氣-油為工質，實驗研究了集輸-S型立管系統內的兩相流流型特征，得出以下結論：

(1) 實驗結果顯示，S型立管內存在三類流型：第二類嚴重段塞流、過渡型嚴重段塞流和穩定流動，其中穩定流動包括泡狀流、彈狀流和環狀流。與采用空氣-水為工質時的實驗結果不同，在相同的氣、液相表觀速度下，并沒有觀測到空氣-水兩相流動時的第一類嚴重段塞流流型。

(2) 由立管底部壓力、立管頂部持液率的結果可以直觀地區分三類流型；第二類嚴重段塞流的立管底部壓力達到最大值，而過渡型嚴重段塞流的立管底部壓力則不能達到最大值，同時，立管頂部持液率也有明顯的區別，分別為近似方波形與針刺狀。

(3) 采用立管頂部持液率的PDF分布為依據也能較好地區分三類流型，同時對穩定流動包含的泡狀流、彈狀流和環狀流也有較好的分辨能力。

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[11] Jones O C, Zuber N. The interrelation between void fraction fluctuations and flow patterns in two-phase flow[J]. International J Multiphase Flow, 1975, 2(3): 273.

ExperimentalStudyonAir-OilTwo-PhaseFlowPatternsinaPipeline-RiserSystemwithanS-ShapedRiser

LI Wen-sheng1, GUO Lie-jin1, LI Nai-liang1, CHENG Bing2, YAO Hai-yuan2

(1.StateKeyLaboratoryofMultiphaseFlowinPowerEngineering,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an,Shaanxi710049,China； 2.CNOOCResearchInstitute,Beijing100027,China)

Experiments on flow patterns during air-oil two-phase flow in a long pipeline-riser system with an S-shaped riser are carried out. The test loop with 50.8 mm internal diameter consists of a horizontal pipeline with 119 m in length, followed by a 14 m downward inclined section, and ended at an S-shaped flexible riser with 24 m in length, 15.3 m in height. The inclination angle of the downward section is -2° from the horizontal pipeline. Based on the analysis of the pressure at the riser base and liquid holdup at the riser top, the flow regimes observed are classified into three categories: severe slugging of type 2 (SS2), transition flow (TRS), stable flow (including bubble flow, slug flow and annular flow). In contrast with air-water two-phase flow, there is no sign of severe slugging of type 1 in the present study. As for SS2, the probability density function (PDF) of liquid holdup presents a bimodal distribution with two peaks atHL= 0 andHL= 1, respectively. As for TRS, the PDF curve produced by liquid holdup data presents a unimodal distribution with a single narrow peak atHL= 0. As for stable flow, the PDF of liquid holdup presents a bimodal distribution betweenHL= 0.3 andHL= 0.8.

severe slugging； pipeline-S-shaped riser； air-oil two-phase flow； flow pattern

TE83； O359+.1

A

2095-7297(2014)01-0030-05

2014-01-20

國家科技重大專項(2011ZX05026-004-02)、國家自然科學基金創新群體項目(51121092)、國家自然科學基金重點項目(51236007)

李文升(1986—)，男，博士研究生，主要從事油氣水兩相及多相流動方面的研究。

*通信作者