混合立管系统严重段塞流流动特性的实验研究

深海油气田开采过程中混合立管系统会出现严重段塞流,造成系统流动特性参数周期性剧烈波动,严重危害海洋开发系统。在混合立管系统的模拟装置上,实验研究了混合立管系统严重段塞流的流动特性。研究结果表明：混合立管严重段塞流的1个周期分为液塞形成、液塞生产、液气喷发和液体回流4个阶段,立管的垂直管段与U形柔性管段的流动特性稍有不同,U形柔性管段在液气喷发阶段产生剧烈抖动;严重段塞流周期随气液相折算速度的增大而减小;立管压力波动幅度随气相折算速度的增大先增大后减小;液塞长度随气相折算速度的增加而减小,且下倾管增加缓冲容积时液塞长度明显增大,减小出油管长度有利于抑制严重段塞流;在深水混合立管系统结构尺寸变化范围内,垂直管高度和U形柔性管尺寸对严重段塞流的发生范围及特性影响不大。该研究结果将为混合立管的设计提供一定的参考依据。     

深水油气田水下生产系统双管输送流动安全研究——以流花21-2油田为例北大核心CSCD

深水油气田水下生产系统采用双管输送,海管路由和立管构型的不同、管汇生产井布置、各井产量的差异、流体物性及流型等因素都可能导致两侧管道输量分配不均,给管道安全流动带来风险。以流花21-2油田水下生产系统双管输送为例,采用OLGA软件建立了从水下井口到FPSO分离器的双管输送模型,分析了双管输送偏流和段塞流形成的原因,并对提高管道运行背压、压力与液位高选控制以及管道出口温差控制等3项措施对偏流和段塞流的控制效果进行了对比分析。结果表明:对气油比较低的油气田,提高管道运行背压可消除段塞流,但偏流仍严重;采用压力和液位高选控制,可有效减弱偏流和消除段塞流,气、液偏流率分别降至6.3%、9.6%,且管道输送系统和分离器运行稳定;而采用出口温差控制,对偏流和段塞流控制效果不佳。因此,流花21-2油田最终采用了压力和液位高选控制措施对该油田双管输送进行控制。本文研究为类似油气田双管输送工程设计和生产操作提供了借鉴。     

立管系统中严重段塞流的一维瞬态模型

严重段塞流主要出现在下倾管段、紧接有一上倾管段或立管段的气、液两相混输海底管道中。根据严重段塞流形成的4个阶段,从一维瞬态流体力学方程出发,建立了一个简化的、准平衡态的严重段塞流数学模型,该模型考虑了流体的物性及流动瞬态效应,可对严重段塞长度、段塞周期、流动速度、压力等特性参数的变化进行模拟。与其他瞬态多相流模型相比,本文模型具有数学模型简单、计算效率高的特点。数值模拟结果表明:当管径较小时,无论介质是空气和水,还是空气和油,由本文模型计算得到的段塞周期和压力结果都与实验数据吻合较好;当管径较大时,若介质为空气和水,则本文模型计算结果与OLGA软件模拟结果较接近;若介质为石油和天然气,在模拟工况范围内,除了小气量工况下偏差较大外,本文模型计算结果与OLGA软件模拟结果相比,段塞周期偏差在25%以内,压力偏差在10%以内;此外,用本文模型计算液塞生长阶段时间t1比Saga-tun模型模拟结果更接近实测结果。     

不同立管结构下严重段塞流特性的对比实验研究

研究了两种不同上升立管结构下的严重段塞流特性,包括严重段塞流发生区域、立管底部压力波动、周期以及液塞长度,并将所得S型柔性立管中气水两相流流型图与典型的严重段塞流流型转变准则进行了比较。实验发现:两种立管结构下严重段塞流流动过程类似,S型柔性立管中的流动比竖直立管中多出压力二次增长过程;与竖直立管中的流动相比,S型柔性立管中流动的周期更长而相对液塞长度较小;S型柔性立管中严重段塞流发生区域比竖直立管中发生区域小。     

柔性管段对立管严重段塞流特性的影响

严重段塞流是深海混输立管面临的流动安全问题之一,开展混输立管严重段塞流研究对立管的流动安全及实际生产具有重要意义。在中国石油大学（北京）原立管系统实验装置及改造后的混合立管系统实验装置上进行的不同工况下的严重段塞流特性实验结果表明,柔性管严重段塞流特性不同于垂直管段。在立管总高度相等条件下,利用L型立管和混合立管的流型图、压力、周期和液塞等数据分析了柔性管的存在与否对立管严重段塞特性的影响。相对于L型立管,柔性管存在会在一定程度上缩小严重段塞流I的范围,同时使立管底部最大压力增大约15%～20%,严重段塞周期减小约12.09%,液塞长度减小约1.38%,液塞速度增加约2.93%。在立管总高度等几何参数一定的情况下,对柔性管跨度和长度变化对严重段塞流特性的影响进行了分析。结果表明,柔性管跨度对严重段塞流特性的影响较小;柔性管长度增加,会同时增大严重段塞流的周期和立管底部最大压力。     

卧底管-悬链线立管严重段塞流判定数学模型

随着油气开采不断向深海迈进,有必要对卧底管-悬链线立管中产生的严重段塞流现象进行深入研究。针对结构参数、生产参数多变的卧底管-悬链线立管集输系统,工程上缺少灵活、便捷、准确的判定严重段塞流产生的宏观理论模型。对卧底管采用分层流理论模型,着重考虑喷发阶段结束后的立管回流质量,结合漂移流速度模型,建立了卧底管-悬链线立管系统严重段塞流判定数学模型,将严重段塞流判定数学模型的判定结果与文献中的实验结果进行对比验证。结果表明,数学模型判定结果与实验结果吻合良好,可实现对卧底管-悬链线立管系统严重段塞流的产生进行宏观预判;同时对严重段塞流流型转换边界进行预测,分析了各流型间的转换特性。以现场卧底管-悬链线立管集输系统为例,预判某油田正常生产参数下将不会产生严重段塞流,并给出产生严重段塞流时的产液量及气液比范围。该模型的建立可为深海油气田开采过程中严重段塞流的宏观预判及预防提供理论依据,具有工程实际意义。     

气举法控制深水混合立管严重段塞流实验研究

利用深水混合立管系统模拟流动实验装置进行了严重段塞流的注气控制模拟实验,结果表明,在立管底部进行气举法控制可以减小流型图中不稳定流区域,并能明显减小管内压力大小和波动幅度,但过大的注气量会增大柔性管段的摩阻损失,使整个立管系统的压力增大,对流动反而不利。根据实验中管内压力随注气量增大的变化趋势的不同,将混合立管系统的气举控制过程分为4个阶段,不同控制阶段垂直立管内流型有所不同;注气控制不能完全消除深水混合立管系统中的不稳定流,但将垂直立管流型控制在段塞流与过渡流分界处时可达到较好的控制效果。     

立管严重段塞流控制方法实验研究

海底管道普遍存在“下倾管-立管”结构,这种结构极易引发立管严重段塞流,影响正常生产。为了研究立管严重段塞流及其控制方法,中国石油大学(北京)多相流实验室建造了一套半U形管实验架。利用该实验架进行了多种工况的模拟实验,分析了半U形管结构对流体流型的影响、立管严重段塞流的形成过程以及立管严重段塞流发生时流体流动参数的变化规律,并进行了阀节流控制实验研究,提出了利用立管末端节流阀抑制段塞流形成的方法,这一方法已在渤海海底管道生产实际中得到应用。     

集输-S型立管中空气-油两相流流型特征实验研究

实验研究了集输-S型立管中空气-油两相流的流型特征。实验管路由119m的水平段,长14m、倾角为-2°的下倾段,高15.3m、长24m的S型立管段组成,管道内径为50.8mm。基于S型立管底部压力、立管顶部持液率两个信号来区分立管内的流型。实验中发现S型立管内存在第二类严重段塞流、过渡型严重段塞流和稳定流动三类流型,其中稳定流动又包括泡状流、弹状流和环状流。与空气-水两相流不同,并没有观察到第一类严重段塞流。第二类严重段塞流下立管顶部持液率呈方波状,其概率密度函数(PDF)分布系以0与1为峰的双峰结构;过渡型严重段塞流下立管顶部持液率针刺状,其PDF分布基本系以0为峰的单峰结构;稳定流动下顶部持液率波动平稳,其PDF分布在0.3~0.8之间。     

海底混输立管段瞬态流动规律及其敏感性分析

利用OLGA 2000软件对某海底混输管道系统立管段瞬态流动规律及其敏感性进行了数值模拟分析,在立管底部、顶部以及管道入口、出口处压力波动很大,容易形成段塞流;采取适当减小立管管径、管道出口节流阀开度、多相流含水率以及增大管道出口压力、降低立管高度和增大多相流气油比等措施,可以在一定程度上减弱或消除立管中严重段塞流的影响。今后应加强数值模拟、试验模拟和理论计算等方法的综合研究,深入探讨海底混输管道立管段严重段塞流的形成机理,并探索经济、有效地控制和消除严重段塞流影响的措施。     

Severe Slugging in a Free-Standing Riser

A series of experiments on air/water two-phase flow in a flowline riser have been performed. The riser has a free-standing form (7 m high) with the flowline of a 2° downward inclination toward the riser-base. Severe slugging flows are described in the free-standing riser (FSR). Then, experimental pressure comparison between the FSR and L-shaped riser is presented, and three differences are analyzed. Finally, the behavior of severe slugging flow in the FSR was simulated with OLGA software. In conclusion, it is difficult to do the theoretical simulation of severe slugging in a FSR.     

深水开发中的几种新型混合生产立管系统

立管是深水油气田开发中的重要组成部分,水深越深、海洋环境条件越恶劣,对深水立管技术的要求也更高,新型立管技术随之不断涌现。对当前世界上几种先进的混合立管技术与应用特点进行了阐述和分析,对比分析了各自的优缺点,并对它们在深水油气田开发中的应用前景进行了分析,以适应我国深水油气田开发的需要。     

深水环境下隔水管的横向变形与弯矩分析

鉴于很少有人对钻井隔水管横向变形和弯矩进行研究的现状,通过对深水隔水管海洋环境载荷分析,获得了波动载荷分布规律,并分析了张力比与船体偏移量对隔水管横向变形和弯矩的影响。建立隔水管模型时忽略波浪的动载效应,按准静态方法处理波浪载荷的作用。分析结果表明,随着顶部张力比增大,隔水管横向变形减小,且最大横向变形处于隔水管的中间部位;近海平面区隔水管弯矩受张力比的影响小,在深水区随着张力比增大,隔水管弯矩减小,变化幅度较大;随着钻井船偏移量增加,隔水管横向变形增大;近海平面区隔水管弯矩受钻井船偏移量影响较小,深水区隔水管弯矩随偏移量的增加而增大。     

深水钻井隔水管时域非线性动态响应分析技术研究

通过深水钻井隔水管时域非线性动态性能的研究,建立了相应的深水钻井隔水管时域非线性动态响应分析模型;基于ABAQUS软件,考虑钻井平台有一定的平均偏移、钻井平台位于不同平均偏移位置且在一阶波浪力作用下随机振动以及长期慢漂运动时钻井平台位于不同平均偏移位置且在一阶和二阶波浪力作用下随机振动等3种主要边界条件,通过实际算例对深水钻井隔水管的随机振动特性进行了仿真分析与对比。研究结论可以为今后深水钻井隔水管的设计与使用提供参考。     

深水立管涡激振动抑制装置的研制

深水立管在海流作用下易产生涡激振动而加速立管的疲劳破坏。研制了涡激振动抑制装置———螺旋列板,通过室内试验确定了螺旋列板的主要结构参数(螺距17.5 D、螺高0.25 D、螺头数3),海上实尺寸试验验证所研制的螺旋列板抑制效率达到80%以上。     

Influence of separator control on the characteristics of severe slugging flow

Due to the special structure of offshore multiphase pipes, it is easy for severe slugging to occur in the riser at low gas-liquid velocity. Violent pressure fluctuations and dramatic changes of flow rate are the main characteristics of severe slugging, leading to the risk of serious damage. In this paper, the separator control is adopted to accurately control the separator liquid level and pressure under severe slugging flow conditions. This indicates that the separator liquid level control alone does not have a significant impact on the upstream flow, but it is beneficial for normal operation and pressure control of the separator. As the separator pressure increases, the peak pressure in the riser apparently diminishes, and the amplitude of pressure fluctuation gradually decreases, which means that severe slugging is inhibited. During the slug blowing out, the gas/liquid slipping in the riser intensifies. The long gas plug quickly flows through the riser, and then tends to morph into short and slowly flowing gas bubbles. The elimination effect of the pressure control strategy on severe slugging is related to the relative rate of the superficial gas/liquid flow.