立管高度对严重段塞流的影响分析

刘 欣，孙 策，阿斯汗，张天宇，杨千一

（1. 中国石油管道建设项目经理部，北京 100101； 2. 辽宁石油化工大学，辽宁 抚顺 113001；3. 新疆石油勘察设计研究院（有限公司）， 新疆 乌鲁木齐 830000； 4. 辽河石油勘探局油田建设工程一公司，辽宁 盘锦 124000）

立管高度对严重段塞流的影响分析

刘 欣1，孙 策2，阿斯汗2，张天宇3，杨千一4

（1. 中国石油管道建设项目经理部，北京 100101； 2. 辽宁石油化工大学，辽宁 抚顺 113001；3. 新疆石油勘察设计研究院（有限公司）， 新疆 乌鲁木齐 830000； 4. 辽河石油勘探局油田建设工程一公司，辽宁 盘锦 124000）

随着我国对石油需求量的增加，海上油气开发越来越受到重视，并且将成为我国石油工业未来的主要增长点。在海上油气田开采过程中，经常会遇到立管系统严重段塞流问题，给安全流动保障带来严峻挑战。通过改变海洋立管高度，对立管高度对严重段塞流的影响进行了深入分析，得到了不同立管高度情况下，严重段塞流的特征参数分布规律，并分析了产生机理。研究结果对于未来海洋石油开采中的立管设计可以提供一定依据。

立管系统；严重段塞流；数值模拟；特征参数；输送安全

随着我国陆上主要油田陆续进入开采中后期，我国未来的石油工业增长点主要来自海洋[1,2]。大力开发海上油气资源将成为我国未来数年内的主要发展方向，已经出台的《国家“十二五”科学和技术发展规划》提出：“十二五”期间，中国海洋石油产量将增一倍，并且将向水深500～2 000 m的南中国海海域甚至更深的水域发展，并建成2～3个深水油气田。

早在1973年，Yocum[3]首先发现了严重段塞流现象，但是并没有对其进行定义，仍称之为段塞流。其后，Schmidt[4,5]将这种现象定义为“严重段塞流”，高嵩[6,7]、程冰[8]、陈森林[9]、邱伟伟[10]等人都对严重段塞流进行了相关数值研究，并得出了一些有意义的结论。

本文主要采用数值模拟方法，对立管系统严重段塞流进行数值模拟，对周期、压力、累积液量等特征参数进行了详细分析，所得结果可以为实际生产提供有益指导。

1 守恒方程

1.1 质量守恒方程

一、质量守恒方程：

对于气相，质量守恒方程如下：

对于靠近管壁的液膜，质量守恒方程为：

对于靠近气相中夹带的液滴，质量守恒方程为：

式中：Vg、VL、VD—分别为气相、液膜、液滴的体积分数，并且

Vg+VL+ VD=1；

ρ—密度，kg/m3；

ν—速度，m/s；

A—管过流横截面积，m2；

ψg—两相之间质量传递速率，以液相蒸发为正；

ψc、ψd—液滴夹带、沉积速率, m/s；

Gf—f相的质量源, kg/s；

下标g、L、D—分别代表气相、液膜、液滴。

1.2 动量守恒方程

式中：α—管轴线与垂线的夹角，度；

P—压力，Pa；

νr—相对速度，m/s；

Sg、SL、St—气相、液膜、气液相主体之间的界面湿周，m；

下标i—气、液相主体之间的界面。

1.3 能量守恒方程

式中：E—单位质量的内能, J；

h—高程, m；

HS—质量源的焓, J；

U—管壁的传热量, J。

2 压力分析

对不同立管高度下的立管系统根部压力特性进行了分析，曲线如图1。

图1 立管底部压力特性曲线Fig.1 The characteristic parameter curves of the bottom of the riser pipeline

由立管底部压力特性曲线可知，发生严重段塞流时立管内压力波动幅度很大，并且呈现出一定的周期特性。立管高度为30、60和90 m时分别对应第一类严重段塞流、过渡型严重段塞流和第二类严重段塞流。

由第一类严重段塞流曲线，可以观察到四个典型的周期阶段，分别为：液塞形成、液塞流出、液气喷发、液体回流四个阶段。此外，由压力特性曲线可知，随着立管高度增加，立管内严重段塞流的循环周期越来越大，这主要是因为立管高度增加使得液塞形成阶段的时间更长导致的。

3 持液率分析

如图2所示，严重段塞流发生时，随着压力的周期波动，立管出口处的持液率波动也具有周期性规律，其中第一类严重段塞流时的液气流出阶段持液率比较大，并且持续时间更长。随着严重段塞流由第一类流型变化到过渡流型和第二类严重段塞流流型，立管出口处的持液率也逐渐减小，并且有较多液体流出的时间变得更短。

图2 立管出口处持液率曲线Fig.2 The liquid holdup curves of the outlet of the riser pipeline

4 累积液量分析

通过对管路系统内累积液量特性进行分析，当立管高度为30 m时，管路累积液量变化具有严格的周期特性，累积液量能达到的最大值为5.8 m3,波动幅值约为4 m3；当立管高度为60 m时，管路内累积液量依然具有较为严格的周期性，波动幅值增大到8 m3；当立管高度为90 m时，管路内累积液量周期波动变得不规律，并且波动幅度加大(图3)。

图3 管路系统累积液量特性曲线Fig.3 The accumulated liquid volume curves of the pipeline system

在实际生产中，管线立管高度有时会高达几百米甚至是上千米，所以累积液量将变得很大，对下游处理设备带来严重的工作负荷，危害储运系统流动安全保障。应采取相应措施避免严重段塞流的发生。

5 结 论

（1）对不同立管高度时立管系统发生严重段塞流时立管底部的压力进行了分析，得到了严重段塞流的压力呈周期波动的结论，并且压力波动幅值随着立管高度的增加而增大。三种严重段塞流流型的压力波动规律有一定的差异。

（2）在实际生产中，管路出口处的持液率是一个非常重要的参数，对设备选型和操作具有重要影响。对立管出口处的持液率分析得到其变化具有周期性，并且随着严重段塞流由第一类流型变化到过渡流型和第二类严重段塞流流型，立管出口处的持液率逐渐减小，有较多液体流出的时间变得更短。

（3）对立管系统内的累积液量值随立管高度变化的情况进行了分析，得出严重段塞流发生时，管路内累积液量随着立管高度增加而增大，且立管高度越小，周期性越明显，波动幅值越小。

（4）通过对海洋立管系统内发生严重段塞流的情况进行模拟，得到了压力、持液率、累积液量特性参数的变化规律及产生机理，为实际生产操作和理论研究提供了一定指导。

［1］马华伟. 组合立管系统中严重段塞流特性及其消除方法研究[D]. 东营：中国石油大学（华东），2008.

［2］谭练武..组合管线-立管系统严重段塞流特性实验研究[D].上海：上海交通大学，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.下倾管-立管水气严重段塞流数值模拟[J].力学学报，2011，43（3）：468-475.

［7］高嵩，李巍，尤云祥，等.气液混输管线与立管系统严重段塞流数值研究[J].物理学报，2012，61（10）：252-263.

［8］程兵，喻西崇，李清平，等.深水立管严重段塞流控制方法及其模拟分析[J].天然气工业，2011，31（4）：89-94.

［9］陈森林，郭烈锦.严重段塞流压力及持液率周期特性模拟研究[J].工程热物理学报，2012，33（3）:437-440.

［10］邱伟伟，徐孝轩，宫敬.深海立管中严重段塞流特性模拟研究[J]科学技术与工程，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

刘欣（1985-），男，黑龙江齐齐哈尔人，助理工程师，研究方向：石油、天然气长输管道建设和管理。E-mail：fkf5277@163.com。