射流清管器运动特性与清管段塞耗散分析

陈建恒, 何利民, 吕宇玲, 李晓伟

(中国石油大学(华东) 油气储运安全省级重点实验室，山东 青岛 266580)

射流清管器运动特性与清管段塞耗散分析

陈建恒, 何利民, 吕宇玲, 李晓伟

(中国石油大学(华东) 油气储运安全省级重点实验室，山东 青岛 266580)

为了分析射流清管器的运行规律与清管段塞的耗散特性，对一实际深水气田进行射流清管动态模拟，通过改变清管器的压降系数和旁通率，分析清管器速度波动特点以及清管段塞耗散规律。研究表明，清管器速度随压降系数呈幂律分布，在敏感区间，压降系数的微小变化使清管器速度大幅波动。清管器平均速度随旁通率的增加线性下降，通过改变旁通率可实现清管器速度的控制。利用射流气体对前方积液的吹扫和携带，可有效地减小积液堆积，降低运行阻力，避免清管器在立管底部出现停滞。旁通的存在使清管段塞沿程耗散，段塞体液相分率下降，液膜区增长，终端的清管段塞量显著降低。射流清管器旁通率的优选需要综合考虑合适的清管器速度波动范围，同时确保清管段塞量处于捕集器的处理范围内。

射流清管； 压降系数； 旁通率； 清管器速度； 清管段塞

图1 传统清管与射流清管的对比

Fig.1Comparisonbetweenconventionalandbypasspigging

清管器运行速度决定清管效果[1-3]，射流清管器在降低速度的同时，需要寻求驱动力与阻力的平衡[12]，若旁通孔过大，将造成驱动力难以克服阻力，使清管器发生卡堵。因此，旁通率的设计是射流清管技术的关键。由于清管器旁通结构逐渐呈现多样化，单一的旁通率已无法完全描述射流过程的能量转换机制，因此压降系数[13-18]的提出为解决复杂旁通结构的清管模拟提供了更加准确的参数。在对特定气田进行射流清管器优化设计时，模拟软件的计算至关重要，多相流软件LedaFlow是可行性分析阶段的重要工具。本文对一实际深水气田，通过LedaFlow的动态仿真对射流清管技术的应用进行研究，旨在分析射流清管器的运行规律及清管段塞的耗散特性，依此指出射流清管技术的应用前景。

1 模型建立

1.1射流清管器的运动方程

水平管内清管器运动过程受力分析如图2所示。

图2 射流清管器受力分析

Fig.2Forceanalysisofbypasspig

对图2的射流清管过程进行受力分析可得：

式中，m为清管器质量, kg；Vpig为射流清管器运行速度, m/s；Apipe为管道的横截面积, m2;Ab为旁通孔的横截面积, m2;Pu、Pd分别为清管器前后的压力, Pa;Fer为气体对旁通孔壁的剪切拖曳力, N;Ffric为作用于清管器上的摩擦力, N。

考虑旁通孔内流动的准稳态过程，则Fer可由式(2)计算：

式(2)中的τh为壁面剪切力，N/m2;d、Lpig分别为清管器的旁通孔直径和长度, m。

定义旁通孔的压降系数K，则旁通孔内的压降方程可由式(3)表示[13-18]：

式中，ρbp为旁通孔内气体的密度，kg/m3；Vbp为旁通孔内气体的速度，m/s。

Vbp可根据气体的连续性方程[13, 19]求解：

定义射流清管器的旁通率：φ=Ab/Apipe，则通过联立式(1)—(4)可求得射流清管器的运动方程：

由式(5)可知，射流清管器运行速度Vpig与旁通孔的压降系数K、清管器旁通率φ，以及清管器与管壁间的摩擦力Ffric等清管器结构参数有关，这些参数对清管器运行规律具有重要影响。

1.2软件计算的模型

对一深水气田外输管线进行研究，管线路由如图3所示。水平管段长77 500 m，管线高程为1 445 m。在Ledaflow中建立管线路由模型，并设置合适的进出口边界条件，合理地划分网格节点，添加射流清管模块。通过改变清管器的相关参数，研究射流清管器的速度波动及终端积液的流出特性。

图3 管线路由

Fig.3Routeofpipeline

2 清管器速度波动分析

2.1压降系数的影响分析

压降系数反映了射流孔结构对压降的影响，是射流清管模型区别于传统清管模型的重要表征。本研究利用LedaFlow进行压降系数的敏感性分析，维持入口气量Qsg=60 Sm3/s、清管器旁通率φ=6%不变，研究不同压降系数下清管器速度的变化规律，结果如图4所示。

图4 不同压降系数下清管器速度的变化

Fig.4Variationsofpigvelocityindifferentpressuredropcoefficients

由图4(a)可知，随着压降系数的增加，清管器的运行速度增大，到达终端的时间减小。当压降系数较大时，从式(3)可知清管器的驱动压差ΔP=Pu-Pd提高，从而清管器具有较大的驱动力，当运行阻力不变时，清管器的运动趋于受力平衡状态，因此自调节过程使Vpig不断增加，从而减小与后方气体之间的速度差Vg-Vpig，使驱动压差ΔP下降，直至与摩擦阻力相平衡，维持一定的速度运行。因此，压降系数的增加最终导致清管器速度的增加。当压降系数处于较小区间时，其微小变化使清管器速度大幅增加，若继续增大压降系数，速度的增长趋势明显变缓，此时压降系数对速度的影响降低。结合式(3)、(4)进行分析，对两式合并，有：

对式(6)右边除K外的其余项采用常数化处理，可绘制Vpig—K图，结果如图5所示。

图5 清管器速度与压降系数的关系

Fig.5Relationshipbetweenpigvelocityandpressuredropcoefficient

由图5可知，清管器速度随压降系数呈幂律分布，清管器速度对压降系数具有敏感性，在敏感区间，压降系数的微小变化将导致清管器速度的较大波动。由于压降系数主要是结构参数的函数[13-14]，因此在确定清管器旁通结构后，需要考察此结构是否处于敏感区间，否则错误的计算压降系数将导致动态模拟的严重偏差。

图4(b)反映了清管器速度随运行距离的变化。图中表明无旁通的清管器到达立管底部时，速度明显降低甚至停滞。而有旁通的清管器运行通畅，无明显的降速。由于无旁通清管器运行时，积聚于清管器前方的液塞随清管器到达立管底部而充满立管，液柱静压力的增加导致清管器在立管底部出现降速和停滞。而有旁通的射流清管器充分利用气体对前方积液进行吹扫和携带，有效地避免了液塞的堆积，使立管内液量显著下降，因此清管器可顺利地通过立管系统。由此也体现了射流清管对于液塞控制的优势。

2.2旁通率的影响分析

旁通率的优选是射流清管技术的核心，也是对一个特定油气田进行清管可行性分析的首要任务。过大的旁通率将导致清管器速度过低，运行驱动力过小，难以克服运行阻力。而过小的旁通率又难以达到降速的目的，无法满足积液控制的要求。因此，最佳旁通率是使清管段塞量满足终端段塞流捕集器的处理能力，且使清管器的速度合适，不存在卡堵风险。为了研究不同旁通率下清管器速度的波动特性，固定清管器的压降系数为1.6，所得结果如图6所示。

由图6可知，随着旁通率的增加，清管器的整体运行速度降低，清管时间延长，运行稳定性增加。旁通的存在可以实现清管器速度的控制。根据式(3)、(4)可知，旁通率的增加可以显著地降低射流气速，从而降低驱动压差，使清管器的速度下降，直至达到驱动力与阻力之间的平衡后，速度不再下降，维持稳态运行。因此旁通率的增加最终使清管器速度得到降低。然而不能一味地追求降低速度而持续地增加旁通率，一般工程上以1 m/s为界[2]，当清管器速度低于此值时，应降低旁通率，避免卡堵风险的发生。

图6 不同旁通率下清管器速度的变化 Fig.6 Pig velocity versus time in different bypass fractions

清管器平均速度与旁通率的关系曲线如图7所示。曲线表明，除无旁通的数据点外，曲线的线性程度较好，通过对除旁通率为0以外的四个点进行拟合，效果显著，即清管器平均速度随旁通率的变化呈线性关系。

图7 清管器平均速度随旁通率的变化Fig.7 Average pig velocity in different bypass fractions

3 清管段塞耗散分析

清管段塞的消除效果是衡量射流清管技术优劣的重要指标，因此对清管段塞随清管器的耗散过程及终端积液的流出特性进行研究。

无旁通的清管过程如图8所示。投入清管器前，管道内的积液量如图8(a)所示，积液基本分布于管线的低洼段。当清管器进入管段后，积液逐步堆积于清管器的前端，形成清管段塞体，如图8(b)所示，此时段塞体内的液相分率约为0.97，即液塞体内几乎全是液体，随着清管器的向前推进，清管器前方管道内的积液被不断地拾起进入段塞体内，因此对于无旁通的清管过程，清管段塞量逐渐增长，段塞以清管器速度向管道终端运移，直至段塞头部到达立管顶部，清管液塞开始进入终端处理设备，如图8(c)所示。由于无旁通清管器运行速度很快，进入终端的段塞体将在短时间内迅速进入处理设备，极易引发生产事故。

旁通率为12%的射流清管积液运移过程如图9所示。清管器未进入状态见图9(a)，随着清管器的进入，管道内的积液在清管器的推动下分布状态如图9(b)所示，在射流气体的携带下，清管器前方的积液分布范围变长，截面的液相分率显著下降，最大值仅为0.34，未存在满管液塞。随着清管器的运动，段塞呈现沿程耗散的特点，液膜区逐渐增长，直至液塞头部到达立管出口，如图9(c)所示，由于射流清管器的速度得到降低，因此，在清管液塞头部到达立管出口前，管道内一部分原始积液量已被气体携带出管道，清管液塞量下降，使终端设备的负荷降低，且拥有了更多的处理时间。

图8 无旁通时的清管段塞运移过程

Fig.8Transportofpig-generatedslugvolumewithoutbypassfraction

图9 旁通率12%清管段塞运移过程Fig.9 Transport of pig-generated slug volume with bypass fraction of 12%

图10为管道出口的瞬时液塞流量随压降系数与旁通率的变化。较小的压降系数和较大的旁通率均使瞬时液塞流量得到显著下降，从而减小了液体对下游设备的冲击。

图10 终端瞬时液塞流动特性Fig.10 Flow characteristics of terminal outflow liquids

图11为不同旁通率下，清管器发射后，终端累计流出的液体总量。

图11 不同旁通率下的累计流出液量

Fig.11Accumulatedoutflowliquidsindifferentbypassfractions

曲线的第一个突变点对应液塞头部到达终端的时刻，斜率陡增曲线对应清管段塞的流出过程，最后的水平拐点对应清管段塞尾部流出终端。通过尾部与头部时间点对应的累计排液量之差计算清管段塞量。计算结果如图12所示。结果表明，随着旁通率的增加，清管器平均速度降低，清管段塞量得到了显著的缓解。因此，射流清管器正是利用旁通射流机制，降低清管器运行速度，从而使前方积液具备了更多的时间自流出管道，避免堆积于清管器前方，有效地减少了清管段塞所带来的生产风险。

图12 清管段塞量的变化

Fig.12Variationsofpiggeneratedslugvolume

通过以上分析，射流清管技术在气田应用效果显而易见。在实际应用过程中，前期应做好充分的可行性分析，根据精确的射流清管动态模拟结果，分析沿线可能存在的卡堵风险。通过准确计算射流清管器的压降系数、运行摩擦力，为旁通率的优选模拟提供前提条件。在旁通率的优选中，需要综合考虑清管器的速度波动范围及终端清管段塞量的大小，确保其处于段塞流捕集器的处理范围内，同时要求清管器速度大小合适，足够克服卡堵工况。

4 结论

(1) 清管器运行速度随压降系数的变化呈幂律分布，随着压降系数的增加，清管器的运行速度增大，到达终端的时间减小。清管器速度的变化对于压降系数具有敏感性，在敏感区间，压降系数的微小变化将导致清管器速度的大幅波动。

(2)无旁通清管器由于积液的堆积，在立管底部出现降速和停滞现象。而射流清管器充分利用气体对前方积液的吹扫和携带，有效地避免了积液堆积，可顺利地通过立管系统。

(3)旁通率的增加使清管器的整体运行速度降低、清管时间延长，且运行稳定性增强。清管器平均速度随旁通率变化呈线性关系变化，旁通的存在可实现清管器速度的控制。

(4)射流清管段塞沿程耗散，终端清管段塞量随旁通率的增加显著降低。旁通率优选时需要综合考虑清管器的速度波动范围及终端清管段塞量的大小，确保其处于段塞流捕集器的处理范围，且清管器速度大小合适。

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Analysis on the Movement Characteristics of Bypass Pig and Pig-Generated Slug Dissipation

Chen Jianheng, He Limin, Lyu Yuling, Li Xiaowei

(ProvincialKeyLaboratoryofOil&GasStorageandTransportationSafety，ChinaUniversityofPetroleum(EastChina)，QingdaoShandong266580，China)

In order to analyze the movement rules of bypass pig and the characteristics of pig-generated slug dissipation, a dynamic bypass pigging simulation for a real deep-water gas field was conducted. The movement characteristics of pig velocity and the pig-generated slug dissipation were analyzed through changing the pressure drop coefficient and bypass fraction. The study shows that the pig velocity turns out to be power-law distribution with the change of pressure drop coefficients, and within the sensitive range, a small change of the pressure drop coefficient will lead to a huge fluctuation of the pig velocity. The average pig velocity has the tendency of linear reduction with the rise of bypass fraction, the change of which helps to control the pig velocity. By taking advantage of bypass gases to carry and sweep the liquid loading in front of the pig，the running resistance can be reduced, thus the stick phenomena of the pig at the bottom of the riser is avoided. The existence of bypass fraction makes the pig-generated slug dissipate along the pigging period. With the increase of the bypass fraction, the hold up of liquid in the slug is reduced, and the liquid film zone is prolonged, thus making the pig-generated slug volume decrease remarkably. For the optimization of the bypass fraction, an overall consideration should be given to the reasonable scope of pig velocity variations and the pig-generated slug volume, making sure it's within the processing capacity of a slug catcher.

Bypass pigging； Pressure drop coefficient； Bypass fraction； Pig velocity； Pig-generated slug

1006-396X(2017)05-0066-06

投稿网址：http://journal.lnpu.edu.cn

TE832

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2017.05.013

2017-08-22

2017-08-30

十三五国家科技重大专项(2016ZX05028-004-003)。

陈建恒(1992-)，男，硕士研究生，从事多相管流及油气田集输技术方面的研究；E-mail：s15060742@s.upc.edu.cn。

何利民(1962-)，男，博士，教授，从事多相管流及油气田集输技术方面的研究；E-mail：helimin@upc.edu.cn。

(编辑 王戬丽)

清管是管道流动安全保障的重要措施，是深水气田安全维护的重要环节。定期清管对减小管内积液堆积[1-5]、砂沉积[6]，提高管输效率具有重要意义。由于深水开发的高难度与复杂性，显得安全清管操作尤为重要。深水气田所处的高压低温环境以及复杂多变的管线路由易造成管内积液堆积。采用传统清管器进行清管，如图1(a)所示，在后方气体驱动下，积液逐渐堆积于清管器前方，随清管器快速运移，短时间内一并到达终端，易造成下游捕集器的溢流。基于此，射流清管器开设旁通孔，如图1(b)所示，使前后气体流通，从而减小驱动压差，降低清管器速度，使前方积液在射流气体的携带作用下，自流出管道，有效地减小了积液的堆积，可实现不降低气体输量的前提下，满足积液的控制要求，消除生产延期与溢流风险，对深水气田的开发与维护具有重要意义[1-5, 7-11]。