水下臥式采油樹油管掛出油口角度的優(yōu)化設(shè)計(jì)

秦 蕊，李清平，羅曉蘭，段夢(mèng)蘭

(1. 中海油研究總院，北京 100028；2. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)海洋油氣研究中心，北京 102249)

水下臥式采油樹油管掛出油口角度的優(yōu)化設(shè)計(jì)

秦 蕊1，李清平1，羅曉蘭2，段夢(mèng)蘭2

(1. 中海油研究總院，北京 100028；2. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)海洋油氣研究中心，北京 102249)

針對(duì)減少流動(dòng)損失這一工程問(wèn)題，通過(guò)分析油管懸掛器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，綜合考慮其在水下臥式采油樹中的位置和功能，基于阻力系數(shù)方法提出了油管懸掛器出油口角度的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。同時(shí)，采用FLUENT軟件對(duì)不同出油口角度下的油管懸掛器內(nèi)部流體流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，為理論設(shè)計(jì)方法提供證明和依據(jù)。最終得到的理論計(jì)算結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果均表明：出油口角度在11°～12°之間時(shí)流動(dòng)損失最小。

海底管道；水下臥式采油樹；油管掛；出油口角度；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引 言

隨著海上油氣田開發(fā)的推進(jìn)，深水油氣田的開發(fā)逐步成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。水下生產(chǎn)系統(tǒng)作為適于深水油氣田開發(fā)的主要模式之一，在巴西、挪威等地的海域均有廣泛應(yīng)用[1-2]。在水下生產(chǎn)系統(tǒng)中，采油和外輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備是水下采油樹，因此，世界各國(guó)的學(xué)者、專家在技術(shù)理論、數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面均對(duì)水下采油樹進(jìn)行了深入的探索和研究。但國(guó)內(nèi)在這方面的研究剛剛起步。

在水下臥式采油樹正常生產(chǎn)期間，其內(nèi)部流體的能量是否足以滿足整個(gè)流程的動(dòng)力需求，這是水下臥式采油樹面臨的最主要工程問(wèn)題之一。水下臥式采油樹的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括油管懸掛器、主閥、翼閥、采油樹本體和出油管等部件，其中油管懸掛器直接決定著水下采油樹的整體性能及外輸能力。本文給出了油管懸掛器出油口角度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以減少水下臥式采油樹內(nèi)流體的流動(dòng)阻力，從而使得采油樹內(nèi)部流體的能量滿足動(dòng)力需求。

1 水下臥式采油樹油管懸掛器的結(jié)構(gòu)

油管懸掛器位于水下臥式采油樹內(nèi)，如圖1所示[3]。油管懸掛器與位于水平通道上的生產(chǎn)主閥和生產(chǎn)翼閥以及采油樹本體和出油管等部件組成了水下臥式采油樹的過(guò)流部件，是井下流體向外輸送的唯一通道。

油管懸掛器的結(jié)構(gòu)可分為外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)兩部分，如圖2所示[4]。其中外部結(jié)構(gòu)按照功能、作用的不同可分為鎖定機(jī)構(gòu)、密封機(jī)構(gòu)和定向機(jī)構(gòu)；內(nèi)部結(jié)構(gòu)則包括內(nèi)部通路(包括數(shù)量和尺寸兩個(gè)影響因素)和內(nèi)部型面兩個(gè)方面。

圖1 油管懸掛器的位置Fig.1 Position of the tubing hanger

圖2 油管懸掛器的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the tubing hanger

2 油管掛出油口角度的優(yōu)化設(shè)計(jì)

水下臥式采油樹油管掛與采油樹本體之間組成一個(gè)彎曲的管路，使得生產(chǎn)流體的流向發(fā)生改變，從而產(chǎn)生離心力。離心力的出現(xiàn)使得彎管內(nèi)外壁處流體流速發(fā)生相對(duì)變化，即在外壁處流速減小，而在內(nèi)壁處流速相應(yīng)增大，從而形成渦流副，造成壓力損失，影響流體的流動(dòng)。另外，內(nèi)壁處流速增大還會(huì)使流體對(duì)油管掛出油口處的沖擊變大。那么，在何種轉(zhuǎn)彎角度下可以使得壓力損失最小，并減小沖擊呢？這便是本文所研究的油管懸掛器出油口角度優(yōu)化的目的與判斷標(biāo)準(zhǔn)。

壓力損失的多少與彎管中阻力系數(shù)的大小有關(guān)，因此，采用阻力系數(shù)法對(duì)不同出油口角度的阻力系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，從而得到流動(dòng)損失最小的出油口角度。

油管懸掛器內(nèi)部通路的簡(jiǎn)化模型如圖3所示，可近似看為帶盲管的銳角邊粗糙壁彎管與不帶盲管的銳角邊粗糙壁彎管的合成，如圖4和圖5所示。

圖3 油管懸掛器內(nèi)部通路簡(jiǎn)圖Fig.3 Internal pathway of the tubing hanger

圖4 帶盲管的銳角邊彎管Fig.4 Acute angle bending pipe with blind tube

圖5 不帶盲管的銳角邊彎管Fig.5 Acute angle bending pipe without blind tube

彎管中的阻力系數(shù)與流體雷諾數(shù)、管壁相對(duì)粗糙度、轉(zhuǎn)角θ及相對(duì)曲率半徑等因素有關(guān)。彎管總阻力系數(shù)ζ為摩擦阻力系數(shù)ζTP與局部阻力系數(shù)ζM之和[5]：

(1)

ζ=κΔκReCAζM(0°<θ<180°).

(2)

圖6 A和ζM的值Fig.6 Values of A and ζM

對(duì)于帶盲管的銳角邊粗糙壁彎管，阻力系數(shù)的計(jì)算公式為

ζ1=1.2ζ=1.2κΔκReCAζM(0°<θ<180°).

(3)

因此，總阻力系數(shù)可近似用以下公式表示：

(4)

(5)

在油管懸掛器中，φ與θ為互余的關(guān)系，由式(4)和式(5)計(jì)算可得到ζ0與θ的關(guān)系，如圖7所示；進(jìn)而可以得到ζ0與φ的關(guān)系，如圖8所示。

圖7 ζ0與θ的關(guān)系Fig.7 Relation between ζ0 and θ

圖8 ζ0與φ的關(guān)系Fig.8 Relation between ζ0 and φ

從圖7可以看出，當(dāng)角度θ為78°(與垂直方向的角度差)時(shí)，總阻力系數(shù)最小，流動(dòng)最順暢，即當(dāng)油管掛出油口角度為12°(與水平方向的角度差)時(shí)，油管掛結(jié)構(gòu)最佳。

3 油管掛出油口角度的數(shù)值模擬

在水下臥式采油樹研究的初期，沒有確定的理論模型或者公式來(lái)分析其內(nèi)部流動(dòng)情況，因此，需要借助模擬軟件對(duì)水下臥式采油樹及其組成部件內(nèi)部流體的流動(dòng)特性進(jìn)行模擬，從而優(yōu)化水下臥式采油樹過(guò)流部件——油管懸掛器的設(shè)計(jì)方案。本文采用FLUENT軟件，分別對(duì)不同出油口角度(0°、8°、10°、11°、12°、15°、17°、18°、20°、25°、30°和35°)下的油管懸掛器內(nèi)部流動(dòng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬研究，以驗(yàn)證油管掛出油口角度優(yōu)化設(shè)計(jì)理論推導(dǎo)的結(jié)果。下面分別介紹數(shù)值模擬的物理模型、邊界條件、網(wǎng)格劃分和計(jì)算結(jié)果。

針對(duì)舉升到同一水平位置的不同出油口角度進(jìn)行數(shù)值模擬，其物理模型如圖9所示。其中，油管懸掛器的內(nèi)徑為115 mm，高度為1.5 m，出油口直徑為102 mm，出油口水平通道距油管掛底部高度為1 m。

圖9 物理模型Fig.9 Physical model

圖10 油管懸掛器的網(wǎng)格劃分Fig.10 Meshing of the tubing hanger

圖11 速度矢量圖Fig.11 Velocity vector

在油管掛的計(jì)算模型中，底面定義為速度入口“VELOCITY_INLET”，速度為1.5 m/s；右側(cè)出油管出口定義為流體出口“OUTFLOW”，其余邊設(shè)置定義為“WALL”。

油管掛的網(wǎng)格劃分如圖10所示，采用Tet/Hybrid四面體網(wǎng)格形式。

對(duì)出油口角度分別為0°、8°、10°、11°、12°、15°、17°、18°、20°、25°、30°和35°共12種工況下油管懸掛器內(nèi)的流動(dòng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到不同出油口角度下的水平出油口處平均速度，結(jié)果如表1所示。

以出油口角度為10°、11°、12°、15°、17°和18°為例，它們的速度矢量圖如圖11所示。根據(jù)表1結(jié)果繪制出圖12。

彎管的流動(dòng)損失可以看做是在一段長(zhǎng)度為l的管路中由沿程摩擦阻力造成的，如下式所示[6]：

(6)

式中：λ為沿程摩阻系數(shù)，與雷諾數(shù)和管壁粗糙度有關(guān)；d為管道內(nèi)徑；v為管道有效截面上的平均速度。在油管懸掛器中，沿程摩阻系數(shù)為一定值，由式(6)可知，當(dāng)平均速度越大時(shí)，彎管的流動(dòng)損失越大，則壓力損失越大。從表1和圖12可以看出：當(dāng)出油口角度為11°(與水平方向角度差)時(shí)，平均速度最小，即壓力損失最小。因此，數(shù)值模擬的結(jié)果表明出油口的最優(yōu)角度為11°。綜合考慮基于阻力系數(shù)法的計(jì)算結(jié)果，油管懸掛器最佳的出油口角度應(yīng)在11～12°之間。

表1 不同出油口角度下的計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation results for different outlet angles

圖12 不同出油口角度下的平均速度Fig.12 Average speeds for different outlet angles

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)油管掛出油口角度設(shè)計(jì)的理論研究和數(shù)值模擬，取得下述成果：

(1) 水下臥式采油樹油管掛出油口角度的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以采用阻力系數(shù)法。

(2) 對(duì)油管懸掛器內(nèi)部流動(dòng)情況的數(shù)值模擬結(jié)果表明，當(dāng)出油口角度為11°時(shí)為最優(yōu)角度。綜合考慮阻力系數(shù)法的計(jì)算結(jié)果，油管懸掛器出油口角度在11°～12°之間時(shí)流動(dòng)損失最小，即此時(shí)角度最佳。同時(shí)，在油管懸掛器的加工制造中，需將拐角處做圓滑處理，使阻力進(jìn)一步降低。

[1] Eric D, Larson P E, Kevin G K. Marginal subsea development with existing subsea trees[C]. OTC, 2004：16533.

[2] Lafitte J I, Perrot M, Lesgent J, et al．Dalia subsea production system：presentation and challenges[C]. OTC, 2007:18541.

[3] Picciani F, Luce R. North Bardawil development project[C]. SPE, 2010:130281.

[4] ABB. HT subsea horizontal tree general presentation[R]. 2008.

[5] 華紹曾,楊學(xué)寧.實(shí)用流體阻力手冊(cè)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1985.

[6] 楊莜蘅,張國(guó)忠.輸油管道設(shè)計(jì)與管理[M].東營(yíng):石油大學(xué)出版社,1996.

OptimizationDesignofTubingHangerOutletAngleofHorizontalTree

QIN Rui1, LI Qing-ping1, LUO Xiao-lan2, DUAN Meng-lan2

(1.CNOOCResearchInstitute，Beijing100028，China; 2.OffshoreOil/GasResearchCenter，ChinaUniversityofPetroleum，Beijing102249，China)

Aiming at the engineering problem of flow loss, an optimization design method of tubing hanger outlet is proposed on the basis of drag coefficient method, which considers the structural characteristics of tubing hanger, as well as the position and function of tubing hanger. By using the FLUENT software, a finite element model for tubing hanger is developed and the fluid flow in the tubing hanger is simulated. The results obtained by the drag coefficient method and the numerical results show that the best tubing hanger outlet angle is between 11° and 12°.

subsea pipeline; horizontal tree; tubing hanger; outlet angle; optimal design

TE973.92

A

2095-7297(2015)01-0050-05

2014-09-29

國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05026-004)、國(guó)家863計(jì)劃(2012AA09A205)

秦蕊(1985—)，女，博士，主要從事海洋石油設(shè)施的設(shè)計(jì)方法與理論方面的研究。