下倾-立管系统中严重段塞流实验研究.pdf

投稿网址：http：/辽宁石油化工大学学报JOURNAL OF LIAONING PETROCHEMICAL UNIVERSITY第43卷 第4期2023 年8月Vol.43 No.4Aug.2023下倾立管系统中严重段塞流实验研究汪星彤，冯程，伍盛一，徐鼎淇，王卫强，杜胜男（辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001）摘要：针对严重段塞流的周期特性，通过下倾立管实验系统进行了实验研究。基于实验数据及管内压力变化情况，分析了严重段塞流周期的变化规律，并与计算模型结果进行了相互验证。结果表明，在不同的下倾管倾斜角度、气相折算速度或液相折算速度等实验参数下，管内的流动状态会发生变化；由于立管高度不变，液塞喷发和液塞回流的时间基本不变，因此严重段塞流周期主要由液塞形成和液塞出流组成，且主要受下倾管倾斜角度、气相折算速度或液相折算速度等参数的影响。关键词：严重段塞流；气液混输；组合立管；实验研究中图分类号：TE832；O359 文献标志码：A doi：10.12422/j.issn.16726952.2023.04.012Experimental Study of Severe Slugging in Downward RiserWang Xingtong，Feng Cheng，Wu Shengyi，Xu Dingqi，Wang Weiqiang，Du Shengnan（College of Petroleum Engineering，Liaoning Petrochemical University，Fushun Liaoning 113001，China）Abstract:Aiming at the periodic characteristics of severe slug flow an experimental study was carried out through the downwardriser system.Based on the experimental data and the variation of pressure in the pipe,the variation rule of the severe slug flow period was analyzed and verified reciprocally with the calculation model results.It turned out that the flow state in the tube would change under different experimental parameters such as the inclination angle of the downdip tube,the gas phase conversion velocity or the liquid phase conversion velocity.The time of the slug eruption and slug reflux was basically changeless on account of the height of the riser was invariant,so the period of severe slugging depends on the time of slug formation and slug outflow stages.And it was mainly affected by the inclination angle of downward riser,gas superficial velocity or liquid superficial velocity.Keywords:Severe slug flow；Gasliquid transportation；Composite pipelineriser system；Experimental study海洋油气资源的开采、运输过程常用到下倾立管系统。由于海底地形起伏不定，立管中通常会出现严重段塞流现象。严重段塞流的非稳定特性给正常的工业生产带来较大的负面影响1，其主要表现为：当管道内发生严重段塞流、液塞喷发后，迅速降低管道系统压力，使油井产量降低；由于液塞喷发和液塞形成交替出现，会造成与出口连接的设备不满流或溢流，加重设备或管道磨损，甚至迫使停产；产生的压力差还会导致管道系统振动、增压设备发生汽蚀现象。1973 年，B.T.Yocum2最早发现了严重段塞流现象。1980年，Z.Schmidt等3设计小规模实验装置模型，并提出了一个简单的严重段塞流理论预测模型；通过实验和预测模型，分析了严重段塞流现象的产生机理；发现了两种段塞流流型，并根据实验数据建立了其流型图。A.Be4、B.F.M.Pots等5通过实验或理论模型的方法，研究了严重段塞流的特性。王鑫等6为了简化计算采用了漂移流模型，但由于模型未考虑液塞回流的自由落体过程，存在一定的误差。何利民等7根据实验数据和经验公式，通过多元回归拟合得到了严重段塞流周期的相关式，但是此式没有考虑气相折算流速与严重段塞流周 期 之 间 的 关 系。王 玉 博 等8通 过 Lockhart Martinelli参数法和 BeggsBrillg 公式法计算了气液文章编号：16726952（2023）04007806收稿日期：20220313 修回日期：20220408基金项目：辽宁省教育厅科学研究经费项目（L2020027）。作者简介：汪星彤（1997），女，硕士研究生，从事油气长距离管输技术研究；Email：。通信联系人：杜胜男（1984），女，博士，副教授，从事油气输送技术研究；Email：。第 4 期汪星彤等.下倾-立管系统中严重段塞流实验研究两相流的含气率，结果表明后者的精度较高。段金龙等910通过对比实验结果和一维瞬态特性理论模型的方法，研究了严重段塞流发生的机理和特性。H.L.Zhou 等11通过实验的方法研究了严重段塞流的频率特性。李梓萌等12建立数学模型和物理模型，得到了严重段塞流周期随下倾角度变化的拟合关系式。张雪梅等13结合实验结果与概率密度函数(PDF)和功率谱密度分布(PSD)的方法进行分析，得出了气液流速对严重段塞流周期特性的影响规律。S.G.Nnabuife等14深入研究了严重段塞流引起的流动及压力振荡，有效提升了对段塞流的控制。在海洋工程中，实际地形非常复杂，模型实验因场地和设备等的限制很难按相似比进行缩小，也无法做到严重段塞流流体物性及环境等因素与真实情况完全一致。为了突破场地和设备的限制，对严重段塞流开展更为全面的研究，本文采用实验研究与数学计算模型相结合的方法，对下倾立管段塞流的形成机理和周期规律进行了分析。在实验过程中，改变下倾管的倾斜角度以及流体流速，观察并分析了段塞周期变化特点。同时，对模拟实验的结果和计算模型的结果进行相互验证，进一步了解了段塞流的形成条件及普遍规律。1 严重段塞流周期特性实验 1.1 实验系统实验系统由油罐、离心泵、涡轮流量计、液塞收集器、热式气体质量流量计、螺杆空气压缩机、冷冻式压缩空气干燥器、储气罐和实验管段等组成。其中，实验管路主要采用内径为 45.0 mm 的不锈钢管段、相同内径的立管和倾斜管玻璃管段；立管高度为 2.5 m，倾斜管长度为 2.0 m，下倾管的倾斜角度为；实验管路上布置 4 个测压点 P109、P110、P111 和P112，其中测压点 P109 位于离管底 10.0 cm 的上方，在测压点 P109 上方 70.0、150.0、230.0 cm 处分别设置测压点 P110、P111 和 P112。实验装置及流程图如图 1所示。油品从油罐进入离心泵加压后，通过涡轮流量计计量；空气由螺杆空气压缩机压缩，经过冷冻式压缩空气干燥器后进入储气罐，再由热式气体质量流量计计量；气液进入水平管混合后流向倾斜管，再进入立管；流入液体收集器后，气体从收集器上端排入大气，油沿着管路回到油罐循环使用。1.2 实验条件实验介质选用石蜡油和空气。石蜡油的密度为 845 kg/m3，黏度为 25.5 mPas；环境温度为 15，气液相介质温度与环境温度相同；实验管段气相折算速度（vsg）为 0.029 50.062 6 m/s，液相折算速度（vsl）为 0.052 40.069 9 m/s；下 倾 管 的 倾 斜 角 度（）为 1014。记录各测压点的压力，汇总实验结果；通过 Origin软件处理，分析严重段塞流的周期变化规律。2 实验结果及分析 通过模拟实验，观察气、液相流量较低的条件下液体在倾斜管内的分层流动情况。由于重力的作用，液体在倾斜管与立管连接处积聚形成液塞，图 1实验装置及流程图79辽宁石油化工大学学报第 43 卷立管内液塞高度变化带来的压力增幅大于气体被压缩所产生的压力增幅，使液塞堵住立管底部；随着气液不断流入，气体不断被压缩，液柱也不断增长，当立管内液塞长度高于立管高度时，液塞沿着立管顶部流出，立管底部却因液塞的封闭作用不断积累气体压力，当立管内出口静压小于气体压缩所产生的压力时，液体被气体夹带着高速喷出；在喷发末期，系统内的压力降至最小，少量的液体因重力的原因回落至立管底部，液体又在立管底部发生聚集。在下倾立管系统中，这种现象具有很明显的周期性。2.1 测压点对严重段塞流周期变化的影响当下倾管的倾斜角度=10、气相折算速度vsg=0.029 5 m/s、液 相 折 算 速 度 vsl=0.052 4 m/s时，4 个测压点的压力周期性变化曲线如图 2 所示。由图 2可以看出，立管底部测压点 P109处压力波动最大，最大波动幅值为 0.190 MPa，波动周期约为81.0 s；立管出口测压点 P112与外界空气相连接，压力波动不明显，在液塞喷发初期，立管底部测压点P109 及立管中间测压点 P110 和 P111 处的压力先微小幅度地增加后迅速减小，立管底部压力增加最不明显；因立管高度一定，液塞长度固定，液塞喷发和液塞回流这两个阶段时长基本不变；在液塞形成阶段，立管内的压力增加趋势近似为线性；在液塞出流时，立管有小幅度的震动，管内压力小幅度波动，总体上可视为基本不随时间变化。2.2 下倾管角度对严重段塞流周期变化的影响在气相折算速度（vsg=0.069 9 m/s）和液相折算速度（vsl=0.062 6 m/s）一定的情况下，设置下倾立管的倾斜角度 为 10和 14，探究了立管底部压力随下倾管角度的变化情况，结果如图 3所示。由图 3可以看出，当下倾管的倾斜角度=10时，严重段塞流周期平均为 35.5 s；当下倾管的倾斜角度=14时，严重段塞流周期平均为 35.0 s，严重段塞流周期随着倾斜角度增加而减少；下倾管的倾斜角度增加，液塞形成阶段和液塞出流阶段时间缩短；随着下倾管的倾斜角度的增加，严重段塞流周期中管底处最小压力有微小增加，但管底处最大压力基本不变。2.3 流体流速对严重段塞流周期变化的影响2.3.1气相折算速度对严重段塞流周期的影响 当下倾管的倾斜角度=12、液相折算速度vsl=0.052 4 m/s 时，将气相折算速度设置为 vsg1=0.029 5 m/s 和 vsg2=0.062 6 m/s，研究了立管底部压力随气相折算速度的变化，结果如图 4 所示。由图 4 可以看出，当 vsg1=0.029 5 m/s 时，严重段塞流周期的平均值为 80.0 s；当 vsg2=0.062 6 m/s 时，严重段塞流周期的平均值为 36.0 s，严重段塞流周期大幅度减少；随着气相折算速度的增加，严重段塞流周期中管底处最小压力明显减小，管底处最大压力略微增加，液塞喷发时管道震动变得更为剧烈。2.3.2液相折算速度对严重段塞流周期的影响 当下倾管的倾斜角度=12、气相折算速度vsg=0.029 5 m/s 时，将液相折算速度设置为 vsl1=0.052 4 m/s、vsl2=0.069 9 m/s，研究了立管底部压力随液相折算速度的变化，结果如图 5所示。由图 5可图 3立管底部压力随下倾管角度的变化曲线图 4立管底部压力随气相折算速度的变化曲线图 24个测压点的压力周期性变化曲线80第 4 期汪星彤等.下倾-立管系统中严重段塞流实验研究以看出，当vsl1=0.052 4 m/s时，严重段塞流周期的平均值为 80.0 s；当 vsl2=0.069 9 m/s时，严重段塞流周期的平均值为70.5 s，严重段塞流周期随之减少；随着液相折算速度增加，严重段塞流周期中管底处最小压力减小，管底处最大压力略微增加，压力差减小。3 严重段塞流周期实验关联式 很多学者认为，严重段塞流具有很明显的周期性变化特征，每一个循环周期都包括液塞形成、液塞出流、液塞喷发，液体回流等 4 个阶段。J.Fabre等15根据其实验结果指出，下倾管内气液分层流动是严重段塞流的必要条件。在本实验系统模拟严重段塞流的过程中，下倾管中气液流动状态始终为分层流，立管中气液两相交替流出，存在断流现象。同一套实验装置在不改变立管高度时，严重段塞流周期中液塞喷发和液塞回流所需时间基本不随实验参数的改变而改变，Z.Schmidt等3的实验结果中这两段经历时长约为 10.0 s，王鑫等6所得到的时间约为 20.0 s，本实验结果同样验证了这一规律，其经历时间约为 11.5 s。综上可知，严重段塞流周期主要随着液塞形成和液塞出流阶段所需时间而变化。为便于计算，根据实验现象提出如下假设：（1）实验中所用的气体为理想气体，因本实验系统中立管长度只有 2.5 m，立管底部压力较小；（2）在严重段塞流循环过程中，下倾管内气液流 动 为 光 滑 分 层 流，且 下 倾 管 截 面 含 气 率 保 持不变；（3）在液塞形成和液塞出流阶段，假设气体全部被液塞堵在下倾管，系统入口即下倾管入口的气液流量保持恒定。由上述假设可知，在液塞形成阶段，管道内的液塞会持续增长直至立管顶端出口；在立管底部形成液塞开始，气体被液塞封住，无法进入立管。液塞开始形成时下倾管示意图如图 6所示。由理想气体方程可得液塞形成阶段下倾管内气体质量及气体体积的表达式：m1=Mgp1V1RKg（1）V1=LA（2）式中，Mg为气体摩尔质量，kg/mol；p1为液塞形成时段下倾管内气体压力，Pa；V1为液塞形成时段下倾管内气体体积，m3；R 为通用气体常数，J/(molK)；Kg为气体温度，K；L 为下倾管长度，m；A 为下倾管截面面积，m2；为下倾管截面含气率；m1为液塞形成期间下倾管内气体质量，kg。在液塞出流阶段，立管内液塞长度等于立管高度。液塞即将喷发时刻下倾管示意图如图 7所示。由理想气体方程可得液塞出流阶段下倾管内气体质量及气体压力的表达式：m2=Mgp2V2RKg（3）p2=p0+lgH（4）式中，V2为液塞出流时段下倾管内的气体体积，m3；p2为液塞出流时段下倾管内的气体压力，Pa；l为液体密度，kg/m3；g 为重力加速度，取值 9.81 m/s2；H图 5立管底部压力波动随液体折算速度变化图 7液塞即将喷发时刻下倾管示意图图 6液塞开始形成时下倾管示意图81辽宁石油化工大学学报第 43 卷为立管高度，m；p0为大气压力，Pa；m2为液塞出流阶段下倾管内气体质量，kg。实验使用的液塞分离器为开口容器，因此 p1等于本地的大气压力 p0，即 p1=p0。由假设条件可知，下倾管内流体一直处于分层流动状态，且下倾管内截面含气率保持不变，因此可将液塞出流时气体体积与液塞形成时气体体积视为相同，即 V2=V1。整理后可得下倾管中气体质量增量：m=MglgHLART（5）根据假设（3），下倾管中气体质量增量为这段时间气体进入下倾管的质量，即：m=mgt=Qggt（6）式中，mg为气体质量流量，kg/s；Qg为流入下倾管的气体体积流量，m3/s；g为气体密度，kg/m3；t为下倾管液塞形成和液塞出流时间之和，s。实验中下倾管路液塞喷发和气体回流所经历时间约为 11.5 s，故严重段塞流周期 T可表示为：T=t+11.5（7）整理后可得：T=MglgHLARTgQg+11.5（8）其中，下倾管截面含气率 通过 MukherjeeBrill 关联式计算：=1-exp(-1.33+4.808sin+4.172 sin2+56.262N21)N0.08gwN0.505lw（9）Ngw=vsg(lg)0.25（10）Nlw=vsl(lg)0.25（11）Nl=l(gl3)0.25（12）式中，下倾管倾斜角度 取负值；Nl为液相性质准数；Ngw为气相折算速度准数；Nlw为液相折算速度准数；为气液相间的表面张力，N/m；l为液体动力黏度，Pas。在实验系统中，下倾管长度为 2.03 m，立管长度为 2.5 m，管道内径为 0.045 m，下倾管截面积为1.5910-3 m2；气体温度（室内温度）为 298 K；气体密度（空气密度）为 1.293 kg/m3，空气摩尔质量取28.96310-3 kg/mol，空 气 的 气 体 常 数 为 8.314 J/(molK)；液相密度（石蜡油密度）为 845 kg/m3；重力加速度取值 9.81 m/s2。严重段塞流实验和计算模拟结果见表 1。通过 MukherjeeBrill 关联式，求解了下倾管截面含气率。结果表明，下倾管截面含气率随气相折算速度的增加而增大，随液相折算速度增大而减小，随下倾管倾斜角度的增大（1410）而增大，计算结果与实验结果一致。分析表 1可知，严重段塞流实验结果与计算结果相对误差平均值为10.73%；当气相折算速度较小时，实验测得的周期与计算结果更相近。这是因为：当气相折算速度增加时，加重管内压力差波动，在液塞喷发阶段管道震动更为剧烈，影响实验结果的精度。因此，在气相折算速度较小时，计算模型对严重段塞流周期的计算结果较为准确。4 结 论（1）严重段塞流周期含液塞形成、液塞出流、液塞喷发以及液塞回流等 4 个阶段，且具有明显的周期性。（2）实验结果表明，实验室立管高度不变时，液塞喷发以及液塞回流阶段的时间基本不变，下倾管倾斜角度、气相折算速度或液相折算速度主要影响严重段塞流周期内液塞形成以及液塞出流阶段；当下倾管倾斜角度、气相折算速度或液相折算速度中两个因素不变，增加任意一个因素的数值，都会使严重段塞流的周期变短，其中气相折算速度的影响对严重段塞流周期最明显。（3）通过实验现象和结果，分析了严重段塞流各阶段的流动状态及状态参数，构建了严重段塞流周期实验关联式。（4）在气相折算速度较小时，严重段塞流周期计算结果与实验结果较为接近。本文由 MukherjrrBrill关联式求得截面含气率，同时考虑了气相折算速度、液相折算速度和下倾管倾斜角度对其影响，因此本文的计算模型比明渠流模型计算更加准确。表 1严重段塞流实验和计算模拟结果vsg/（ms1）0.029 50.062 60.029 50.062 6vsl/（ms1）0.052 40.052 40.069 90.069 9实验值 T/s=1079.036.070.535.0=1481.036.071.035.5计算值 T/s=1074.841.374.541.2=1474.941.474.741.382第 4 期汪星彤等.下倾-立管系统中严重段塞流实验研究参 考 文 献1吴晓，王兆婷，史瑶.水平管气液段塞流流动特征模拟 J.石油化工高等学校学报，2020，33（3）：8085.2Yocum B T.Offshore riser slug flow avoidance：Mathematical models for design and optimizationC/SPE European Meeting.London：s.n.，1973.3Schmidt Z，Brill J P，Begsss H D.Experimental study of 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