集輸-S型立管中空氣-油兩相流流型特征實(shí)驗(yàn)研究

李文升，郭烈錦*，李乃良，程 兵，姚海元

(1. 西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049；2. 中海油研究總院，北京 100027)

集輸-S型立管中空氣-油兩相流流型特征實(shí)驗(yàn)研究

李文升1，郭烈錦1*，李乃良1，程 兵2，姚海元2

(1. 西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049；2. 中海油研究總院，北京 100027)

實(shí)驗(yàn)研究了集輸-S型立管中空氣-油兩相流的流型特征。實(shí)驗(yàn)管路由119 m的水平段，長(zhǎng)14 m、傾角為-2°的下傾段，高15.3 m、長(zhǎng)24 m的S型立管段組成，管道內(nèi)徑為50.8 mm?；赟型立管底部壓力、立管頂部持液率兩個(gè)信號(hào)來區(qū)分立管內(nèi)的流型。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)S型立管內(nèi)存在第二類嚴(yán)重段塞流、過渡型嚴(yán)重段塞流和穩(wěn)定流動(dòng)三類流型，其中穩(wěn)定流動(dòng)又包括泡狀流、彈狀流和環(huán)狀流。與空氣-水兩相流不同，并沒有觀察到第一類嚴(yán)重段塞流。第二類嚴(yán)重段塞流下立管頂部持液率呈方波狀，其概率密度函數(shù)(PDF)分布系以0與1為峰的雙峰結(jié)構(gòu)；過渡型嚴(yán)重段塞流下立管頂部持液率針刺狀，其PDF分布基本系以0為峰的單峰結(jié)構(gòu)；穩(wěn)定流動(dòng)下頂部持液率波動(dòng)平穩(wěn)，其PDF分布在0.3～0.8之間。

嚴(yán)重段塞流； 集輸-S型立管； 空氣-油兩相流； 流型

0 引 言

嚴(yán)重段塞流現(xiàn)象是海洋油田海底混輸管線中經(jīng)常遇到的流型，此類流型可能引發(fā)數(shù)倍于立管高度的長(zhǎng)液塞，并伴隨著劇烈的液塞噴出現(xiàn)象，因而會(huì)引起分離器效率的降低、油田產(chǎn)量的減少、管線的振動(dòng)以及管內(nèi)壁腐蝕的加劇等問題，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致死井。因而，對(duì)嚴(yán)重段塞流現(xiàn)象的研究是海底管線流動(dòng)安全保障的重要方面。隨著海洋油田的開采逐步向深海邁進(jìn)，立管長(zhǎng)度不斷增加，立管結(jié)構(gòu)也更多地采用S型柔性立管，因此研究S型立管中的嚴(yán)重段塞流流型的發(fā)生區(qū)域有非常重要的意義。

自Yocum[1]1973年發(fā)現(xiàn)集輸-立管內(nèi)的嚴(yán)重段塞流現(xiàn)象以來，已有很多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了深入的實(shí)驗(yàn)研究[2-6]，但以上研究大多基于垂直立管，工質(zhì)多采用空氣-水。Tin等[7]認(rèn)為柔立管嚴(yán)重段塞流的壓力變化特征不同于垂直立管，但Montgomery等[8-9]的研究也發(fā)現(xiàn)，柔性立管與垂直立管中嚴(yán)重段塞流具有相似的特性，每個(gè)周期都可以劃分為4個(gè)階段：積液、排液、氣液噴發(fā)和液體回落。可見對(duì)S型柔性立管內(nèi)的嚴(yán)重段塞流的認(rèn)識(shí)尚有分歧。同時(shí)，實(shí)際海洋油田管道中流動(dòng)的也并非簡(jiǎn)單的空氣-水兩相流。因此，進(jìn)一步對(duì)不同工質(zhì)在S型立管中的流型特征的深入研究具有重要的意義。

本文在S型立管內(nèi)空氣-水兩相流研究的基礎(chǔ)上，采用空氣-油為工質(zhì)，深入研究了集輸-S型立管內(nèi)兩相流的流型特征，并采用S型立管底部壓力信號(hào)與頂部持液率信號(hào)對(duì)不同的流型進(jìn)行了區(qū)分，得到了立管內(nèi)不同流型的詳細(xì)特征規(guī)律。結(jié)合以往文獻(xiàn)[5-6]的研究結(jié)果，本文將集輸-立管內(nèi)的流型分為四類[10]：

(1) 第一類嚴(yán)重段塞流(SS1)：立管底部壓力能夠達(dá)到最大值，且有穩(wěn)定的液塞排出階段(平臺(tái)期)。

(2) 第二類嚴(yán)重段塞流(SS2)：立管底部壓力能夠達(dá)到最大值，但沒有平臺(tái)期。

(3) 過渡型嚴(yán)重段塞流(TRS)：立管底部壓力沒有達(dá)到最大值便開始噴發(fā)。

(4) 穩(wěn)定流動(dòng)：包括泡狀流、彈狀流與環(huán)狀流三類。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是在西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的常壓油氣水實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上取得的。實(shí)驗(yàn)管道為內(nèi)徑50.8 mm的不銹鋼管，水平段長(zhǎng)度為114 m，傾斜段長(zhǎng)度為19 m，傾斜角度可在0°～5°之間調(diào)整，當(dāng)傾角為-2°時(shí)，立管高度為15.3 m。實(shí)驗(yàn)工質(zhì)包括空氣、水、白油。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the experimental facility

油、水兩相經(jīng)齒輪泵加壓后泵出，其流量分別由電磁流量計(jì)與Micro Motion質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量，空氣經(jīng)空氣壓縮機(jī)穩(wěn)壓后經(jīng)孔板流量計(jì)計(jì)量。油氣水三相經(jīng)混合器后進(jìn)入管道，在水平段充分發(fā)展后進(jìn)入下傾管段及立管，然后進(jìn)入氣液分離器，空氣排空，油水兩相進(jìn)入液液分離器進(jìn)一步分離后進(jìn)入油箱與水箱循環(huán)利用；壓力、壓差信號(hào)由Keller公司的壓力、壓差傳感器計(jì)量，立管上裝有伽馬射線密度儀用以測(cè)量立管出口處的持液率，立管頂部裝有電動(dòng)球閥用來節(jié)流；信號(hào)采集由NI的Labview軟件以及PCI-6255采集卡完成。本文采用的工質(zhì)為空氣-油(白油：LP-14)。

2 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)中，采用S型立管底部的壓力以及頂部的持液率信號(hào)作為區(qū)分不同流型的直觀依據(jù)，并采用Jones等[11]提出的使用相含率的概率密度函數(shù)(PDF)分布區(qū)分水平和垂直管內(nèi)的典型流型作為進(jìn)一步流型區(qū)分的重要依據(jù)。PDF分布可以得到任一離散隨機(jī)信號(hào)的概率分布。對(duì)于一段采樣時(shí)間足夠長(zhǎng)且長(zhǎng)度為N的數(shù)據(jù)，若在區(qū)間[x-x/2,x+x/2]內(nèi)的變量個(gè)數(shù)為n，則其PDF分布的計(jì)算公式為

(1)

為便于信號(hào)的處理與區(qū)分，對(duì)頂部持液率信號(hào)作標(biāo)準(zhǔn)化處理：

(2)

處理之后，持液率信號(hào)HL在0與1之間變化，HL為0時(shí)表示管道充滿氣體，HL為1時(shí)表示管道充滿液體。

3 結(jié)果分析

典型嚴(yán)重段塞流是一種周期性非常強(qiáng)烈的流型。其每個(gè)周期可分為四個(gè)階段：液塞生長(zhǎng)、液塞排出、氣體噴發(fā)和液體回落。在液塞生長(zhǎng)階段開始時(shí)，立管底部被回流液體堵塞，入口來流液體會(huì)使立管與下傾管內(nèi)的液位高度不斷升高，立管底部壓力隨之持續(xù)升高，與此同時(shí)，封在下傾管內(nèi)的氣體的壓力也在持續(xù)升高；待立管液位達(dá)到立管頂部時(shí)，下傾管段液位開始降低，直到下傾管氣泡頭部達(dá)到立管底部，此即液塞排出階段，此時(shí)立管底部壓力保持不變；一旦氣泡進(jìn)入立管，下傾管內(nèi)高壓氣體迅速噴發(fā)，立管底部壓力迅速降低，直至氣體壓力減小到一定值，立管內(nèi)剩余液體由于重力作用回流到立管底部。圖2為相同實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)下采用空氣-水為工質(zhì)得到的第一類嚴(yán)重段塞流流型，由于S管中包含兩段上升管，因此在排液階段會(huì)觀測(cè)到明顯的二次噴發(fā)現(xiàn)象。其中UGSO為標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣相的表觀速度，ULS為液相的表觀速度。

圖2 第一類嚴(yán)重段塞流立管底部壓力曲線(UGSO=0.1 m/s， ULS=0.15 m/s)Fig. 2 Pressure profile of severe slugging of type 1 at the riser base. UGSO=0.1 m/s，ULS=0.15 m/s

圖3 第二類嚴(yán)重段塞流流型特征(UGSO=0.1 m/s， ULS=0.15 m/s)Fig. 3 Measurements giving the characteristics of severe slugging of type 2. UGSO=0.1 m/s， ULS=0.15 m/s

然而，本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，集輸-S型柔性立管內(nèi)的空氣-油兩相流流型可分為三類：第二類嚴(yán)重段塞流、過渡型嚴(yán)重段塞流和穩(wěn)定流動(dòng)；在相同的氣、液相表觀速度下，并沒有觀測(cè)到空氣-水兩相流動(dòng)時(shí)的第一類嚴(yán)重段塞流。三類流型的詳細(xì)特征如下。

3.1 第二類嚴(yán)重段塞流

與空氣-水兩相流SS2流型相似，由于不存在穩(wěn)定的排液階段，空氣-油兩相SS2的周期由三個(gè)階段組成。圖3所示為入口氣液表觀速度分別為UGSO=0.1 m/s和ULS=0.15 m/s時(shí)SS2流型的流動(dòng)特征?？梢钥闯?，SS2也具有強(qiáng)烈的間歇性，其持液率曲線近似為方波狀，在氣液噴發(fā)階段相間界面結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，相應(yīng)的PDF系以HL=0和HL=1為峰的雙峰分布。

3.2 過渡型嚴(yán)重段塞流

空氣-油兩相流TRS的周期性顯著。其周期由液塞形成階段、氣泡進(jìn)入立管、氣液噴發(fā)和液體回落三個(gè)階段組成。與SS2不同的是，TRS下氣泡會(huì)在液塞頭部到達(dá)立管頂部之前進(jìn)入立管，因此立管底部最大壓力小于SS2時(shí)的最大壓力。

圖4給出了入口氣液表觀流速分別為UGSO=0.25 m/s以及ULS=0.04 m/s時(shí)TRS的特征。可以看出，TRS下立管底部壓力最大值要小于SS2，立管頂部持液率為針刺狀，其PDF分布基本系以HL=0為峰的單峰分布。

圖4 過渡型嚴(yán)重段塞流流型特征(UGSO=0.25 m/s，ULS=0.04 m/s)Fig. 4 Measurements giving the characteristics of transition flow. UGSO= 0.25 m/s, ULS= 0.04 m/s

3.3 穩(wěn)定流動(dòng)

圖5給出了穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的流型特征，包括泡狀流、彈狀流和環(huán)狀流三類。三類流型的詳細(xì)流型特征如下。

3.3.1 泡狀流

空氣-油兩相泡狀流的氣液相界面結(jié)構(gòu)特征與空氣-水兩相泡狀流特征相似。由于直徑很小，氣泡離散分布在連續(xù)的油相中。油相中偶爾會(huì)有尺寸較大的氣泡出現(xiàn)，但其直徑遠(yuǎn)小于管道內(nèi)徑。由于管內(nèi)持液率較高(HL約為0.68)且波動(dòng)平穩(wěn)，立管底部壓力圍繞一個(gè)較高的壓力小幅無序地波動(dòng)。此時(shí)持液率PDF分布呈單峰結(jié)構(gòu)，峰值在0.68左右。

3.3.2 彈狀流

管內(nèi)交替出現(xiàn)液塞和Taylor氣泡，因此持液率會(huì)呈現(xiàn)周期性的上下波動(dòng)。但由于液塞區(qū)充滿大量小氣泡，同時(shí)Taylor氣泡與管內(nèi)壁之間存在液膜，因此立管頂部持液率均值在0.55左右；同時(shí)，立管底部壓力也如頂部持液率一般周期性波動(dòng)，但與嚴(yán)重段塞流和過渡流型相比，波動(dòng)幅度很小，周期很短。彈狀流下持液率的PDF分布在0.3～0.8之間，基本為雙峰結(jié)構(gòu)，峰值分別為0.41與0.74。

3.3.3 環(huán)狀流

隨著入口氣體流速的增大，液體無法在立管底部積聚，氣體可以連續(xù)地進(jìn)入立管，同時(shí)帶動(dòng)管壁的環(huán)狀液膜向上運(yùn)動(dòng)，形成環(huán)狀流。由圖5可以看出，立管底部壓力和立管頂部持液率均值較泡狀流與彈狀流明顯降低，波動(dòng)幅度小且穩(wěn)定。持液率對(duì)應(yīng)的PDF在HL=0.4處出現(xiàn)一個(gè)明顯的單峰，而持液率的PDF主峰分布在小于0.5區(qū)域內(nèi)則意味著環(huán)狀流的存在[11]。

圖5 穩(wěn)定流動(dòng)流型特征。泡狀流UGSO=0.4 m/s， ULS=0.7 m/s；彈狀流UGSO=0.7 m/s， ULS=0.7 m/s；環(huán)狀流UGSO=3.0 m/s， ULS=0.4 m/sFig. 5 Measurements giving the characteristics of stable flow. For bubble flow, UGSO=0.4 m/s, ULS=0.7 m/s;for slug flow, UGSO=0.7 m/s, ULS=0.7 m/s; for annular flow, UGSO=3.0 m/s, ULS=0.4 m/s

4 結(jié) 論

采用空氣-油為工質(zhì)，實(shí)驗(yàn)研究了集輸-S型立管系統(tǒng)內(nèi)的兩相流流型特征，得出以下結(jié)論：

(1) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，S型立管內(nèi)存在三類流型：第二類嚴(yán)重段塞流、過渡型嚴(yán)重段塞流和穩(wěn)定流動(dòng)，其中穩(wěn)定流動(dòng)包括泡狀流、彈狀流和環(huán)狀流。與采用空氣-水為工質(zhì)時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同，在相同的氣、液相表觀速度下，并沒有觀測(cè)到空氣-水兩相流動(dòng)時(shí)的第一類嚴(yán)重段塞流流型。

(2) 由立管底部壓力、立管頂部持液率的結(jié)果可以直觀地區(qū)分三類流型；第二類嚴(yán)重段塞流的立管底部壓力達(dá)到最大值，而過渡型嚴(yán)重段塞流的立管底部壓力則不能達(dá)到最大值，同時(shí)，立管頂部持液率也有明顯的區(qū)別，分別為近似方波形與針刺狀。

(3) 采用立管頂部持液率的PDF分布為依據(jù)也能較好地區(qū)分三類流型，同時(shí)對(duì)穩(wěn)定流動(dòng)包含的泡狀流、彈狀流和環(huán)狀流也有較好的分辨能力。

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ExperimentalStudyonAir-OilTwo-PhaseFlowPatternsinaPipeline-RiserSystemwithanS-ShapedRiser

LI Wen-sheng1, GUO Lie-jin1, LI Nai-liang1, CHENG Bing2, YAO Hai-yuan2

(1.StateKeyLaboratoryofMultiphaseFlowinPowerEngineering,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an,Shaanxi710049,China； 2.CNOOCResearchInstitute,Beijing100027,China)

Experiments on flow patterns during air-oil two-phase flow in a long pipeline-riser system with an S-shaped riser are carried out. The test loop with 50.8 mm internal diameter consists of a horizontal pipeline with 119 m in length, followed by a 14 m downward inclined section, and ended at an S-shaped flexible riser with 24 m in length, 15.3 m in height. The inclination angle of the downward section is -2° from the horizontal pipeline. Based on the analysis of the pressure at the riser base and liquid holdup at the riser top, the flow regimes observed are classified into three categories: severe slugging of type 2 (SS2), transition flow (TRS), stable flow (including bubble flow, slug flow and annular flow). In contrast with air-water two-phase flow, there is no sign of severe slugging of type 1 in the present study. As for SS2, the probability density function (PDF) of liquid holdup presents a bimodal distribution with two peaks atHL= 0 andHL= 1, respectively. As for TRS, the PDF curve produced by liquid holdup data presents a unimodal distribution with a single narrow peak atHL= 0. As for stable flow, the PDF of liquid holdup presents a bimodal distribution betweenHL= 0.3 andHL= 0.8.

severe slugging； pipeline-S-shaped riser； air-oil two-phase flow； flow pattern

TE83； O359+.1

A

2095-7297(2014)01-0030-05

2014-01-20

國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05026-004-02)、國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項(xiàng)目(51121092)、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51236007)

李文升(1986—)，男，博士研究生，主要從事油氣水兩相及多相流動(dòng)方面的研究。

*通信作者