油气水多相流海底立管中严重段塞流的控制方法研究进展.doc

中国工程热物理学会 学科： 多相流 2003年学术会议 编号： 036005 油气水多相流海底立管中严重段塞流的 控制方法研究进展 喻西崇1’2吴应湘1安维杰2李清平2 1．中国科学院力学所，北京，100080 2．中国海洋石油研究中心，北京，100027 作者简介：喻西崇(1973一)，男(汉族)，四川自贡人；1999年毕业于石油大学(华 东)油气储运专业，获硕士学位；2002年7月毕业于西南石油学院油气储运专业，获博 士学位，现为中科院力学所和中海石油研究中心联合培养的博士后，目前主要从事于多 相流动规律方面的研究。 联系电话：010Emai l： Y坚苎￡h壁垒凸QQ曼：￡Q婴：￡卫 通讯地址：北京市朝阳区东三环京信大厦25层中海石油研究中心博士后工作站 邮 编：100027 摘要：在油气水多相流海底管线立管中经常会出现严重段塞流，危害极大；本文从立管中严重段 塞流产生的机理以及控制的途径出发，对国内外提出的各种控制严重段塞流的方法进行归纳、总结和 评价。本文主要分析了节流法、气举法、接泵法、节流阀门和差压变送器组合法、带小分离器的控制 法、自供气举法、动态控制法等7种段塞流控制法．分析了各种控制方法的基本原理、优点、缺点以 及现场应用情况．最后对严重段塞流的控制方法提出了未来研究的重点和方向． 关键词：海底；多相管流；严重段塞流；控制；研究进展 引言 在海上油气田的开发中，海底输送管道是一项重要设施，投资巨大，平均每公里的 造价为100万美元左右。目前我国在海上油气水多相长距离输送中，一般采用在中心平 台将水脱去，将油气进行分离，然后采用油气分输的方式，这样势必增加海上平台的设 施，多增加一条长距离输送管线，如果采用多相混输管线比单相管线至少节约费用约 30％以上，因此社会效益是巨大的。在我国海洋油气田未来几年大开发的背景下，开采 海上石油和天然气需要向深海领域发展，势必出现长距离的油气水多相流海底输送管 线，特别是立管段的垂直高度可达几百米甚至上千米；由于长距离海底多相流管线中， 在水平海底管线中经常出现水力段塞流，在立管段常出现严重段塞流；水力段塞流通常 是由分层流发展而来，当管道中流型为分层流时，如果受到意外振动或气液流量发生变 化时，液体发生波动，液膜向前移动，分层流演变为段塞流：而立管中严重段塞流的产 生通常是由立管段低洼处的液体积聚在弯道处阻碍气体的通过，使液塞长度越积越长， 甚至会出现液塞长度大于立管高度的段塞流。通常立管段严重段塞流是一种压力波动最 大、管道出口气液瞬时流量变化最大的段塞流，对管道和管道下游相应设备正常工作危 害晟大；相比之下水力段塞流的危害要小得多【1“。因此本文首先从立管中严重段塞流 产生的机理以及控制的途径出发，对国内外提出的各种控制严重段塞流的方法进行归 纳、总结和评价。 立管中严重段塞流的出现会带来以下危害[3-5j：(1)使管路压降急剧增大：(2)加剧 管壁腐蚀，特别是加剧立管的腐蚀；(3)造成终端分离器溢流或断流现象，使段塞流捕 集器出现不稳定工作和难操作等问题：(4)造成管线接头和支柱的机械损坏，使增压设 备(如多相泵和压缩机)在泵送过程中发生气蚀现象，降低输送泵效和可靠性等等：(5) 导致水合物的形成：随着压降的增大，使得Joule．Thomson效应产生的温降较大，有可 能使流体温度低于环境温度，从而导致水合物在管道中形成，阻塞管道；(6)增大井口 19  回压，降低油气井产量。因此研究控制段塞流的有效方法具有重要的意义。 1严重段塞流控制的机理 1．1严重段塞流形成的机理 严重段塞流(Severe Slug Flow)：通常 在两海洋平台间的连接管道上发生，定义为 液塞长度大于立管高度的段塞流。这是一种 压力波动最大、管道出口气液瞬时流量变化 最大的段塞流，对管道和管道下游相应设备 正常工作危害最大的一种段塞流；和地形起 伏诱发段塞流相似，常在低气液流量下发 生。典型的立管示意图如图1所示。 图1典型的立管示意图 严重段塞流由四个基本过程组成的周期性行为，如图2所示。 图2严重段塞流的四个周期性过程 在图2中第l和第2个过程为立管底部液体积聚过程。由于气液流量较低，液体在 立管中回落积聚在立管的底部低洼处，积聚的液体阻塞气体通过，底部低洼处前的气体 被压缩，压力升高，如果此时气体的压力大于立管中积聚液体的静压力，则气体会把液 体举升到立管的上部，从而将液体带出立管进入分离器；但如果此时气体的压力小于立 管中积聚液体的静压力，则在立管底部低洼处的液体会越积越多，液体还会进入立管底 部上游的水平段或下倾段和立管底部下游终端分离器前的水平段，造成液塞长度大于立 管高度，甚至会数倍于立管高度9“J。 在图2中第3个过程为立管中液体开始排出立管的过