多相流实验-消除严重段塞流的方法总结

1、.防止或消除严重段塞流的方法一、引言在海洋油气开发中，当海底的混输管线到达海洋平台时，需要与上升管连接。在较低的气液流速下，集输和上升管路组成的系统中会出现称为严重段塞流的特殊有害流型，这种流型给设计和生产带来许多问题，系统压力的剧烈波动和出现长液塞会造成分离器控制困难，甚至出现生产中断，同时在深海油田中严重段塞流现象会产生很高的背压，对油藏造成不利影响，甚至出现死井。因此，深入系统地研究严重段塞流的发生机理和流动特征，探索消除严重段塞流的可行方法，是我国海洋油气工业走向深水油田开发过程中急需解决的科学问题。段塞流是混输管道中经常出现的一种流型，其流动特征表现为间歇出现液塞、压力和流量大幅度变

2、化，是典型的不稳定工况。海上油气田的集输管道多为两相混输管道，其海底水平部分的末端通过立管连接到海洋石油平台上，水平管道与垂直立管构成了类似半 U 形管的“下倾管2立管”结构。对于海洋石油平台，尤其是深海平台的集输管道，这种结构极易引发严重的段塞流，一般称之为“立管严重段塞”或“严重段塞”。当严重段塞发生时，管内瞬时液体流量能增大到平均流量的 520 倍，而气体流量则几乎降为 0 ；当液塞通过后，管内瞬时气体流量同样会激增。管内流量和压力的剧烈波动，往往会迫使下游关闭设备，造成停产，甚至会损坏管道或处理设备。二、消除严重段塞流的方法近年来，随着深海油田的开采，很多研究者对强烈段塞流的消除方法进

3、行了研究，其中Schmidt等人提出了在上升管顶部安装节流装置来消除强烈段塞流；Almeida提出了在上升管底部的上游适当位置安装文丘利管来消除强烈段塞流；Jansen等人提出了采用气举法来消除强烈段塞流；Johal等人提出安装多相泵来消除强烈段塞流。很明显，前两种方法属于节流法；后两种方法属于扰动发。除此之外，还有气举法、泡沫法以及海洋分离法等。其中目前最常用的方法是节流法，即在立管顶端（出口端）安部安装节流装置。（一）节流法节流法已经被证实是一种能成功消弱或消除强烈段塞流的方法，并被成功应用于油田的生产之中。目前，大多数节流装置都安装在立管顶部，称为立管顶部节流法。1.节流法的原理强烈段塞

4、流产生的压力剧烈波动，主要是由超过上升管高度的长液塞的静水压头引起的。因此，需要将上升管底部出现的新液塞在增长至顶部之前就被排出，为举升刚形成的小液塞，并使其向下游分离器流动，上游管中的压力应高于上升管下游分离器的压力。上升管顶部加节流装置可增大管道和分离器之间的压差，有利于上升管内刚形成的小液塞在发展成长液塞之前流出。图1是立管顶部节流装置。图1 立管顶部节流法立管顶部节流法是通过控制管内流量和压力来消除强烈段塞流的,如果节流程度适中可以有效阻止液塞高速喷入分离器,同时背压增加可使管内流体的加速度减小。节流产生的背压的增加量与由于气体窜入立管底部而使液塞产生的加速度成比例 。这样,气体可以不

5、断均匀窜入立管底部,最终稳定流动状态。然而,背压过大会使管中流量下降,因而理想的节流法既要尽量减小立管内的压力水头,又要避免产生过剩的节流背压。当然,在油田实际生产运行中,很难达到这个要求,特别对于深水生产,背压对流量的影响更为严重。所以如果期望通过节流彻底消除强烈段塞流,又不对生产造成负面影响,这在实际生产中是较难实现的。而适当的节流虽然不能完全消除立管中强烈段塞流的流动循环,但可在产生较低背压的情况下,使循环波动的严重程度降低到允许的范围内。（二）气举法根据注气点位置及注气方法的不同,可以分为多种方法。其中,最常见的是立管底部气举法和“自身”气举法。此外,还有人提出将注气点改在立管底部与上

6、游管线连接的弯管上游某一位置,并认为其作用相当于增加上游管内的含气量。1.立管底部气举法立管底部气举法是通过减小立管内液柱的压力水头,使立管内的流体在上游管线中的高压作用下开始流动。图2 为立管底部注气举升法,同立管顶部节流法类似。图2 立管底部注气举升法气举法不仅可以消除强烈段塞流，还可以帮助管线停输后再平稳启动，这可以保证一些低压油井连续安全生产。其不足之处是设备比较复杂且费用较高。该设备不仅需要安装具有一定容积的气体容器，还要配备压缩机，注入的气量要远大于管道内的原含气量才能完全消除强烈段塞流，形成稳定流动状态。因而，一般现场很少使用该方法。2.“自身”气举法Cem Sarica 等人通

7、过理论与试验研究，提出了一种新的消弱或消除强烈段塞流的方案。将上游管内气体通过一条小直径导管导入立管中，该过程不仅能减小立管中的压力水头，还同时降低了上游管线中的压力，这样便会消弱或消除强烈段塞流，使立管中保持稳定流动状态。该方法原理与注气法相同，由于注入的气体来源于上游管线，因而被称为自身气举法。与传统的气举法相比，自身气举法不需配备气体容器、压缩机等设施，大大降低了运行费用，但可能会因为导管较细而发生堵塞或由于导管的插入导致清管球无法通过。3.一种分离器及利用其消除严重段塞流的自气举方法一种分离器及利用其消除严重段塞流的自气举方法，分离器包括壳体，壳体上连接有来流管和出气管，壳体上设置液位

8、传感器和压力传感器，壳体插有上升管并伸到壳体底部，出气管上靠近壳体出口处设置控制阀，出气管与上升管在壳体外连通。将这种分离器安装在气液混输管路和上升管的结合部，通过控制液位信号和压力信号来调节控制阀的开度，使液位和压力稳定，气液在分离器内分离后，液体进入上升管，气体经控制阀通过出气管进入上升管，气液在上升管内混合后流出进入岸上平台装置。这种仪器结构简单，利用其能够很方便地对气液的流动进行准确控制，达到消除严重段塞流的目的。图3 分离器的结构示意图1-来流管线；2-壳体；3-上升管；4-出气管；5-液位传感器；6-控制阀；7-压力传感器；8-混输管线4.立管顶部节流和底部气举相结合法鉴于立管顶部

9、节流法产生过多背压,使流量减小，而立管底部气举法需注入大量的气体等不利因素，Jansen等 提出了一种改进的方法，并进行了试验研究。他们发现将立管顶部节流和底部气举二者相结合可以更有效的消除强烈段塞流。节流将立管中的流体流速控制在较低范围内，以保证气液相流体在较小速度波动范围内稳定连续流动;注气使立管内不断注入气泡，连续举升小液注，使液塞长度减小。与前2 种方法比较，减小了节流程度和注气量及注气导致的压力损失和Joule - Thompson 冷却效应影响，但还是需要额外配备注气系统。目前，该方法只是作为一种可行的方法被学术界提出，还未见到有关其应用于油田生产的报道。（三）扰动法强烈段塞流产生

10、的条件是管道中的气液相流量较小，且管道中气液相流体以分层流形式进入下倾管底部，才会在上升管底部发生积聚扰动法的原理是通过扰动装置使管道中的气液相流体流速发生变化，导致管道中的流型由分层流转化为其它流型，也就是使产生强烈段塞流的有利流型条件发生变化，导致液体在上升管底部不易积聚，不形成桥塞现象，最终达到消除强烈段塞流的目的。但由于重力的作用，形成的新流型是不稳定的，经过一段距离又要恢复到原来的分层流形式，因而，维持扰动后的流态到达上升管底部是能否有效消除强烈段塞流的关键。（四）泡沫法该方法由 Hassanein 和 Fairhurst 提出，适合的泡沫剂的选用及其如何成功形成泡沫是2 个难题。（

11、五）海底分离法采用海底分离器和海下液塞捕集器，将气液相分离，分别输送。该方法虽然不会使生产系统产生背压，但却需要铺设2 条管线，使平台上增加许多设备，费用太高，生产中一般较少采用。（六）控制流量法该方法通过操纵一个控制阀来保持气液混合流率恒定。试验发现当系统达到稳定流态时，将产生 3倍的背压。对于深水生产，由于立管底部压力增大以及由于立管较长使信号由底部到顶部的传播时间增长，导致控制系统反应滞后，最终影响输量。（七）立管底部注入气液混合物举升法该方法是将一条混输管线附近的另一条高产混输管线中的部分气液混合物引入其立管底部，既达到了消除强烈段塞流的作用，又有利于停输后再启动。该方法要优于立管底部

12、注气法，既避免了 Joule -Thompson冷却效应，也不需要额外配备注气系统，但需要额外利用一条高产混输管线，因而只能应用于特殊情况。（八）立管底部安装表面控制阀法该方法成功应用于 Totals Dunbar 16 管线系统（Courbot）,其原理类似于节流法，但有关数据表明，该方法会导致生产压力过大。这样，对于深水生产可能会影响其输量。三、总结上面几种消除严重段塞流的方法，各有优缺点，都不是特别的完善。但是，由于节流方法比较简单，易于控制，是目前最常用的方法。节流法和扰动法都能显著地起到消除强烈段塞流的作用。虽然两种方法的工作原理不同，但当选择相同的直径比的节流或扰动孔板时，达到的限

13、制强烈段塞流发生区域的效果基本一致。节流或扰动都能使管道入口压力波动幅度减小，达到稳定。但这两种方法都会引起管道入口压力明显增大，其中节流法引起的压力增加更显著。对于上升管顶部压力，通过节流或扰动，其波动也会明显减小，达到稳定可见，若从节流法和扰动法引起的压力变化的角度来看，扰动法使上游管道中产生的背压比节流法小很多，具有一定的优点。节流程度适当时可以彻底消除强烈段塞流。然而，节流程度较小时不仅不会消除强烈段塞流,还会导致压力波动更大、周期更长，带来更严重的危害。扰动程度适当时同样可以消除强烈段塞流。扰动程度较小时虽然不会使管道中流体达到稳定流动状态，但能使压力波动的幅度变小、周期变短，削弱强

14、烈段塞流的危害。当选择相同的直径比的节流孔板或扰动孔板时，扰动法使上游管道中产生的背压比节流法产生的背压小。采用上升管下部注气的方法（气举法）可以消除严重段塞流现象，实现管道出口气液的稳定流动，减小系统的最高压力，同时可以防止上游水平管内出现高频率的长液塞流动。但是消除严重段塞流需要的注入气体流量很大实验分析发现, 气举法所需的最佳注入气量可以采用流型图来判断和计算；消除严重段塞流的条件是注入气体流量增大到上升管中的流型转变为块状流型。；.参考文献1 罗晓明，何利民，赵超越上升管中强烈段塞流消除方法实验研究J工程热物理学报2006，27（3）：1446-4492 赵超越，彭汉修，吴大亮，何利民

15、强烈段塞流消除方法的试验研究进展J管道技术与设备2004（4）：1-53 李晓平，宫敬，沈建宏立管严重段塞流控制方法实验研究J中国海上油气2005，17（6）：416-4204 赵超越，何利民，陈超奋，耿相海严重段塞流压力及持液率波动特性试验分析J中国海上油气2006，17（5）：416-4205 王鑫，郭列锦气举消除严重段塞流方法的实验J程热物理学报2007，28（4）：607-6106 EA.Severe slugging characteristics,selected topics in two-phase flow.NTH,Trondheim,Norway,1981.7 FABRE J，PERESSON L L，CORTEVIL LE J，et al. Severe slugging in pipeline/riser systems.SPE16846，1987 5 :113 - 128.8 TAITEl Y. Stability of severe slugging. Int.J. Multiphase Flow,1986，12（2）:203 - 217.9 SCHMIDT Z,BRILL J P,BEGGS HD. Experimental studyof severe slug-ging in a two-phase flow pipeline