海洋立管系统严重段塞流研究进展

闫容菊, 王卫强, 李梓萌， 伍盛一， 杨小辰

(辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺113001)

海洋立管系统严重段塞流研究进展

闫容菊, 王卫强, 李梓萌， 伍盛一， 杨小辰

(辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺113001)

随着海洋石油工业的日益发展，出现了各种各样的立管。由于管道形状和海底复杂地形等因素，经常出现严重段塞流这种特殊的流型，这种特殊的流型会造成设备损坏和产量降低等诸多危害。因此，对海洋立管系统的严重段塞流进行研究有很重要的意义。总结了立管系统严重段塞流的国内外研究现状，包括研究方法、产生机理、特性参数和理论模型等，以期为进一步研究立管系统严重段塞流提供参考。

立管系统； 严重段塞流； 研究现状； 海洋立管； 地形起伏

我国海洋油气田的开采物多数情况下为多相混合物，从降低成本、方便安装维修和加快开发速度等方面考虑，通常采用多相混输的方法运输油气产物[1-2]。但是，油气混输时存在相界面效应，管道内部的流动会变得很复杂，再加上海底的复杂情况，立管系统中极易出现严重段塞流。

严重段塞流存在如下危害：一是管内压力剧烈波动，管路内压降迅速上升，使井口的回压增大，气井产能降低50%左右；二是液塞长度可以达到几个立管高度，使立管出口处液体流量波动大，后续分离器出现溢流或断流；三是出口处的气液两相流交替流出[3-6]，有可能造成设备和管道的损坏或停产；四是管路内的非稳态流动可能引起管道的振动，长此以往，就会造成接头、支柱等构件的机械损害[7]。

国内外学者主要从实验研究、理论研究和数值模拟的方法对段塞流进行研究。

1 实验研究

国内外学者对各种立管形式下的严重段塞流进行了实验研究[8-24]，国内外立管流动实验研究统计情况见表1。

1.1 严重段塞流的生成机理及判定准则

1973年，B.T.Yocum[9]发现了严重段塞流流动现象，并将其命名为段塞流。Z.Schmidt[10]率先建立了小型实验装置，发现了两种段塞流流型：①气液流速较大时，管道沿线任何位置都可能产生的水力段塞流；②气液流速较小时，下倾的卧底管线容易出现分层流，液体在弯管处聚集，阻塞气体，进而形成液塞，液塞逐渐加长，直到高于立管的高度，将其命名为严重段塞流。Z.Schmidt等[11]认为，立管内液体累积产生的压力增量大于水平-下倾管中气体的压力增量，是严重段塞流形成的原因，其主要特点是管路内的压力急剧波动，管道出口处气液流量波动较大。M.A.Farghaly[4]得出的结论与Z.Schmidt等的结论相似，在气体流量很低或管路起伏不定的情况下极易出现严重段塞流，使管内压力、出口处的气液流量等参数波动剧烈，导致油气田生产能力大幅度下跌，甚至下跌1/2左右。Z.Schmidt等[10-12]采用理论与实验相结合的方法，将严重段塞流分为严重段塞流Ⅰ型和严重段塞流Ⅱ型，总结了产生严重段塞流的三个条件：①进口处气液流速比较低；②卧底管线倾斜角为负；③气液两相不稳定流动。

表1 国内外立管流动实验研究统计情况

A.Bøe[13]根据立管内部液相累积产生压力的增量大于卧底管线中的气体压力，总结了垂直立管管线严重段塞流的判定准则，其表达式见式(1)。

(1)

式中，ωg为气相流速，m/s；ωL为液相流速，m/s；R为气体常数，J/(mol·K)；T为流体的温度，K；M为气相的摩尔质量，g/mol；Ip为立管的高度，m；α为立管中的含气率，无量纲；g为重力加速度，m/s2。

B.F.M.Pots等[14]通过实验得出的结果与A.Bøe类似，并从卧底管线的倾斜角度、流体黏性等方面进行分析，结果表明，流体黏性对段塞流的形成机理没有影响；气液两相的相间分离是严重段塞流产生的必备条件，而分层流并不是严重段塞流产生的必要条件。J.Fabre等[15]根据所进行的实验结果否定了B.F.M.Pots等的结论，指出卧底管内气液分层流动是严重段塞流产生的必要条件。M.A.Farghaly[4]通过实验以及现场观测得出，不是只有在下倾管系统才会出现段塞流现象，不同几何结构的卧底管线也会出现严重段塞流现象，这一发现说明严重段塞流产生的机理非常复杂。Y.Taitel等[16]认为气液两相的不稳定流动才是严重段塞流产生的原因，并根据此研究结果给出了新的严重段塞流判定准则，其表达式见式(2)。

(2)

王鑫[17]进行了严重段塞流实验。实验结果表明，流体黏性影响严重段塞流的产生，且管路内即使气液相稳定流动，仍可发生严重段塞流，于是，将这种现象解释为不规则严重段塞流。马华伟等[18-19]通过实验研究得出的严重段塞流的形成机理与王鑫相近，同时在水平卧底管线-立管系统内监测到了严重段塞流。

1.2 严重段塞流的流动特性

国内外学者的研究结果表明，严重段塞流的周期存在严格的四个阶段：液体在立管底部附近积累直到完全充满整个截面，阻塞气体流入立管，此时立管出口处几乎没有气液出流，呈现断流状态，此阶段被称为液塞形成阶段；卧底管内的气体压力比立管中液体静压力更低，气体开始堆积并不断推动液塞流出，此阶段被称为液体流出阶段；卧底管内气体随着压力增加到大于液体静压力，气体进入立管，出口处气液交替流出，立管内部气液流动相互交替，直到喷发结束，此阶段被称为气体喷发阶段；在重力作用下，管壁上的液体回流到立管底部，变为新的循环周期内的液塞，此阶段被称为液体回流阶段。

严重段塞流的周期特性通常是国内外学者研究的重点，Z.Schmidt[10]及王鑫[17]通过实验得出，在同一个实验系统中，液气喷发和液体回流过程所用时间与实验条件无关，但马华伟[20]得出了不同的结论：液塞生成的时间与卧底管线内气体压缩空间的大小有关，液气喷发、液体回流过程所用的时间与实验条件也有关系，即严重段塞流的压力波动存在一定的周期性。马华伟[20]还研究了管路内压力波动幅度与管路入口气液折算速率的关系，并进行归纳总结，得出了压力波动幅值的等高线图。

严重段塞流的液塞长度和运动速度对下游处理设备的设计起决定性作用。Z.Schmidt等[10-12]通过实验发现，最长的液塞为立管高度的3倍，但J.P.Brill等[21]通过大量实验及现场观察发现，液塞长度可以是立管高度的66倍。赵越超等[22]在立管的不同位置安装电导探针，当产生严重段塞流时，立管的截面含气率波动幅度远远大于其稳定流动时的截面含气率波动幅度。何利民等[23]和罗小明等[24]认为液塞在形成时是匀速运动，喷发时转化为加速运动，当液塞尾部到达立管出口的一瞬间，速度达到最大。

2 模拟研究

2.1 自建模型

由于在实际生产过程中受各种因素的影响，建立能反映严重段塞流的形成机理与特性参数的理论模型很困难。Z.Schmidt[10]通过大量的实验研究，建立了简单的理论模型，在忽略液相流态变化和液塞加速等因素的前提下，对严重段塞流的四个阶段进行了计算，其中倾斜管内持液率和立管回流过程均由实验关联式计算而得。M.A.Farghaly[4]对Z.Schmidt[10]的理论模型进行完善，根据在现场实际观测的液塞流出规律，忽略了液相流态变化和液塞加速。Y.Taitel等[25]依旧不考虑液相流态变化和液塞加速这两个因素，将气体密度和含气率作为常数，提出了一个能计算严重段塞流特性参数和判定严重段塞流类型的简单理论计算模型。J.Fabre等[15]基于大量实验和计算提出了一种隶属于拉格朗日漂移流模型的严重段塞流瞬态模型，将气液两种流态作为单一的弹状流型并且不考虑相间摩擦及传质传热，该模型无法求解管路内单相流动情况。C.Sarica等[26]改良了J.Fabre等[15]的方法，仍然不考虑气液两相间的流型变化，使该方法能够较好地处理液塞生成阶段的不连续过程，但该模型不易收敛。B.T.Yocum[9]也没有考虑气液相之间的流型变换及加速过程，通过实验得出了一个理论模型，该模型可以预测立管管路内压降。李明等[27]提出了基于质量守恒方程和动量守恒方程的一维瞬态流动模型，但该模型计算的特性参数与实验数据相比存在一定的误差。J.L.Balino等[28]采用连续性方程、简化的动量方程，结合漂移模型，建立卧底管-立管系统严重断塞流的瞬态理论模型，其中立管可以是垂直立管、悬链立管等。由于该理论模型的初始条件采用了基于垂直立管的经验模型，因此对非垂直立管的模拟精度较低。张灿等[29]对卧底管系统采用分层流理论模型，立管系统采用分相流理论模型，考虑立管内摩擦压降，结合漂移流速度模型，对初始条件提出一种不需要经验模型的方法，建立了卧底管-立管系统气液严重段塞流的一维瞬态理论模型，该模型同样存在一定的局限性。

2.2 软件模拟

2.2.1 严重段塞流的流动特性 陈森林等[30]用不同阀门开度的简化的节流模型，对严重段塞流的周期性规律进行了数值模拟，模拟结果与实验结果相吻合。邱伟伟等[31]构筑简化的严重段塞流水力学模型，耦合相平衡计算和温度计算，得出严重段塞流的组分并用OLGA软件进行模拟，计算结果与模拟结果偏差不大。高嵩[1]将三维管道等效为二维管道系统的CFD数值模拟，得出立管入口气体折算速度的变化规律和理论模型，提出了立管系统内流型的预测方法。吕明琦等[32]将三维管路模型等效为二维的管道系统并进行模拟，所得结果与高嵩[1]的实验结果基本一致，悬链立管有气液混合的液塞形成。鞠鹏鹏等[33]结合实际工程，用OLGA软件模拟出不同工况下严重段塞流的特性规律。刘欣等[34]采用OLGA软件模拟了不同立管高度的海洋立管系统严重段塞流的特性参数并总结了其规律。王琳等[35]运用CFD软件对海洋立管系统的严重段塞流进行模拟，模拟出严重段塞流的四种流型并进行实验验证，对严重段塞流的瞬态流动进行分析，为严重段塞流危害的准确评估提出了指导意见。宋博等[36]采用OLGA软件分析了严重段塞流的流动特性，得出气液流量对严重段塞流的形成及参数变化有一定影响的结论。

2.2.2 消除方法 消除严重段塞流的目的是使立管底部出现的新液塞在未增长至顶部之前就被减小或消除，从而使气液相在立管中以气泡流、小段塞流等状态连续流动，最终达到稳定流动的目的。目前，国内外常用以下几种方法消除严重段塞流：①减小立管中液体所占的比例，从而降低液体静压力，如气举法、泡沫法等；②增大立管上游管道中气体的压力，如节流法、增加背压法等；③改变进入立管底部流体的流型，消除严重段塞流出现的有利条件，如扰动法等。

张国栋等[37]采用 OLGA软件运用节流法对某油田实际工况进行模拟，结果显示节流法可以很好地减缓严重段塞流现象的产生。程兵等[38]利用某深水油气田的海管和立管资料，对典型年份的段塞流采用节流法、气举法及节流和气举相结合等方法，通过OLGA 软件进行了模拟。结果表明，气液流量大的出现严重段塞流的概率较低，而严重段塞流现象主要发生在油气田产量较低的时期；节流法适用于油气田生产早期；在气源充足的情况下，最好采用气举法削弱段塞流；与单纯使用节流法或气举法相比，将节流法和气举法联合起来使用对严重段塞流的控制效果更好，但提高油气产量的效果没有单纯气举法好。邢兰昌等[39-40]利用CFD软件对严重段塞流进行二维数值模拟，把三维模拟和一维模拟相结合，模拟了波浪形管段对立管系统中严重段塞流的消除作用。J.Ø.Tengsdal[41]建立了自供气举法的物理模型，该模型是基于漂移流模型建立的一维重力模型，同时结合试验环道验证了其准确性。但是，由于该方法需要选择合适的取气和注气位置并且安装复杂，所以很难投入到生产中。

3 结束语

由于受场地的限制，实验研究不能很好地、完全成比例地模拟实际管线的情况，而理论研究需要大量且高质量的实验数据与实际参数，且通过数值模拟无法得到有用的边界条件，也没有经过实验验证，所以缺乏一定的适用性和准确性，不能得出很好的结论。因此，对于严重段塞流，最好以实验结合数值模拟的方式进行研究。现如今，很多学者对严重段塞流进行深入研究，并采取多种措施削弱严重段塞流所产生的危害。目前，严重段塞流理论尚不成熟，有诸多需要改进之处。在理论预测模型的推导过程中进行了较多的简化，不能完全满足深海立管的预测需求，需要进一步研究，对于各种立管下的严重段塞流和震荡流仍需进一步研究，如考虑弹性基础的立管耦合振动分析。

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Progress of Severe Slugging in Marine Riser System

Yan Rongju， Wang Weiqiang， Li Zimeng， Wu Shengyi， Yang Xiaochen

(CollegeofPetroleumEngineering，LiaoningShihuaUniversity，FushunLiaoning113001，China)

With the development of marine petroleum industry, marine risers appeared a variety of forms. Due to pipe shapes and the complex seabed terrain factors, severe slugging often happened. This special flow pattern damaged the equipment, production and so on. Therefore, the simulation and the research for the severe slug flow of the marine riser system had very important significance. The research was summarized by the domestic and foreign scholars on the severe slug flow of the multi-phase flow riser system, including its research methods, mechanism and characteristic parameters and theoretical model, etc,which provided a reference for further study of severe slug flow in riser system.

Riser system； Severe slugging； Research Status； Marine risers； Slug flow

1672-6952(2017)05-0026-05

投稿网址：http://journal.lnpu.edu.cn

2016-10-11

2016-12-02

辽宁省科技厅项目(2015020604)。

闫容菊(1991-)，女，硕士研究生，从事长距离管道技术研究；E-mail：844306389@qq.com。

王卫强(1974-)，男，博士，教授，从事油气输送技术研究；E-mail：wwq920285@163.com。

TE53

A

10.3969/j.issn.1672-6952.2017.05.006

(编辑 宋锦玉)