抑制段塞流專利技術(shù)綜述

張露

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇蘇州215011）

抑制段塞流專利技術(shù)綜述

張露

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇蘇州215011）

隨著海洋油氣開(kāi)采不斷走向深海，氣液混輸組合管線系統(tǒng)嚴(yán)重段塞流已成為深海油氣工程中的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。介紹了海洋嚴(yán)重段塞流產(chǎn)生原因、抑制海洋嚴(yán)重段塞流技術(shù)的起源及發(fā)展趨勢(shì)。

海洋立管；段塞流；抑制

引言

海洋油氣集輸所使用的氣液混輸管線系統(tǒng)通常由臥底管線和立管組成，臥底管線鋪設(shè)于海底，入口端與海底油井相連，并通過(guò)與之相連的立管輸送到海洋平臺(tái)上。當(dāng)管道內(nèi)氣液流量較低時(shí)，液體容易在立管底部積聚并堵住立管入口，阻止氣體進(jìn)入立管，并逐漸在管線中形成長(zhǎng)度可達(dá)一倍甚至數(shù)倍立管高度的長(zhǎng)液塞，同時(shí)在臥底管線中形成一個(gè)氣體壓縮空間。當(dāng)臥底管線中氣體壓力累積到一定程度后會(huì)引發(fā)氣體空間的急劇膨脹，并將管道中的長(zhǎng)液塞高速推向管外，這即為典型的嚴(yán)重段塞流現(xiàn)象。

從控制角度出發(fā)，嚴(yán)重段塞流抑制技術(shù)分為主動(dòng)抑制和被動(dòng)抑制兩類。主動(dòng)抑制需要注入外部資源來(lái)使得抑制措施得以實(shí)施，其原理是給系統(tǒng)加入外部能量使得流體速度加快或者分相運(yùn)輸從而達(dá)到抑制嚴(yán)重段塞流的目的；被動(dòng)抑制則通過(guò)改造自身系統(tǒng)，通過(guò)臨時(shí)儲(chǔ)存分層流或改變分層流流型以抑制嚴(yán)重段塞流。

1　抑制段塞流專利技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

1.1被動(dòng)抑制技術(shù)

被動(dòng)抑制技術(shù)無(wú)需外部資源，通常使用系統(tǒng)自身改造的形式，而不同的被動(dòng)抑制裝置抑制嚴(yán)重段塞流的形式不同，被動(dòng)抑制技術(shù)主要集中為四大類：液塞捕集器法、流動(dòng)調(diào)整法、海底分離器法、自供氣氣舉法。

在四類主要的技術(shù)分支中，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可見(jiàn)設(shè)置“液塞捕集器法”和“流動(dòng)調(diào)整法”為主要的改進(jìn)和研究方向，而“海底分離器法”和“自供氣氣舉法”由于自身設(shè)備的安裝和實(shí)施條件及后續(xù)清管工作存在實(shí)際困難，因此其專利申請(qǐng)量相對(duì)匱乏。

1.1.1液塞捕集器法

液塞捕集器法是指在管線中設(shè)置一初級(jí)分離器用于臨時(shí)儲(chǔ)存液塞，由此緩解液塞對(duì)管線的沖擊效果。

法國(guó)專利FR2513356A1于1981年最早發(fā)明在立管出口和下游主分離器之間設(shè)置一初級(jí)分離器，用于臨時(shí)儲(chǔ)存來(lái)自立管的液塞對(duì)下游設(shè)備的沖擊的目的；隨后挪威專利NO853656 A將液塞捕集器下端的立管分為互相連通的并排兩根，由此可以緩解體積較大或運(yùn)動(dòng)速度較快的液塞的沖擊；1992年美國(guó)專利US5232475A在立管出口設(shè)置初級(jí)分離器的同時(shí)，在集輸管線的上游又設(shè)置一初級(jí)分離器，用以臨時(shí)儲(chǔ)存集輸管線中最早形成的液塞并將分離的氣相和液相重新混入集輸管線中，以此從集輸管線上游消除段塞流；由于傳統(tǒng)的液塞捕集器容量畢竟有限，能處理的液塞體積也有限，隨后的十幾年中并沒(méi)有繼續(xù)出現(xiàn)對(duì)其的改進(jìn)發(fā)明，直至2011年，美國(guó)港口科技專利US201219900A發(fā)明了一種環(huán)形的液塞捕集器，其通過(guò)離心作用將液塞進(jìn)行初步分離，環(huán)狀液塞捕集器擺脫了傳統(tǒng)的箱體式，能夠更加有效的處理運(yùn)動(dòng)速度較快的液塞。

國(guó)內(nèi)在2000年后才開(kāi)始對(duì)此有比較活躍的研究，專利CN102174991A于2001年發(fā)明了一種上傾入口雙層管式段塞流捕集器，兩個(gè)上層管段和兩個(gè)下層管段均水平并列排布，上傾管段的首端與入口管連通，下層管段的末端與集液管連通，兩個(gè)集氣管水平并列排布，雙向入口捕霧器與上層管段的尾部通過(guò)排液管連通，由此可使氣相和液相分離的更徹底。

中國(guó)石油大學(xué)CN104148196A提出一種柱狀氣液旋流分離器入口整流裝置，其中設(shè)置擴(kuò)徑緩沖段、大角度彎管、螺旋下傾管和漸縮噴嘴，當(dāng)段塞流通過(guò)豎直方向上的擴(kuò)徑緩沖段時(shí)氣液相混合加劇的同時(shí)液塞的速度與長(zhǎng)度都明顯降低；進(jìn)入螺旋下傾段以后，在離心力與重力的雙重作用下強(qiáng)制將段塞流轉(zhuǎn)化為分層流，實(shí)現(xiàn)氣液兩相的預(yù)分離；最后經(jīng)過(guò)整流管出口的漸縮噴嘴使氣液兩相加速切向進(jìn)入柱狀旋流分離器進(jìn)行旋流分離。

由此可見(jiàn)，雖然在單獨(dú)使用液塞捕集器來(lái)抑制段塞流的方式中，國(guó)內(nèi)起步晚于國(guó)外，國(guó)外于2011年已研究成熟并停止研究，但至2014年年底，國(guó)內(nèi)關(guān)于此的研究正處于蓬勃發(fā)展的階段且水平已與國(guó)外不相上下。

1.1.2流動(dòng)調(diào)整法

流動(dòng)調(diào)整法是指立管上游的管線內(nèi)安裝有流動(dòng)調(diào)整裝置將氣液分層流轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌餍停韵龂?yán)重段塞流形成的必要條件之一：上游管線內(nèi)的流型必須為氣液分層流。

1988年英國(guó)專利GB2239193A提出一種在集輸管線上設(shè)置一容器，該容器能臨時(shí)儲(chǔ)存液塞并將其分離，分離后的氣相和液相再次通過(guò)連接管道同時(shí)均勻混入集輸管線的管道中，從而將分層流分離后混合為其他流型；1992年美國(guó)專利US5232475A在集輸管線上游設(shè)置的分離器也能將互相分離的氣相和液相混勻入下游管線中，具有氣液分層流轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌餍偷淖饔茫虼嗽摲蛛x器同時(shí)也具有流動(dòng)調(diào)整功能；2000年美國(guó)專利US6413299B提出在集輸管線的中段增加一段管道，并使用細(xì)長(zhǎng)管道將該管道和集輸管線的中段管道的頂部連通，由此可以將集輸管線中的長(zhǎng)液塞調(diào)整為小段細(xì)小的短液塞，從而緩解了嚴(yán)重段塞流的影響；2007年美國(guó)專利US2008264645A提出了一種波浪管裝置，由多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)90°彎頭連接而成，其能在圓周運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中使氣相和液相相互混合以達(dá)到改變流型的效果。

而國(guó)內(nèi)對(duì)此研究較晚且資源匱乏，僅在2012年中國(guó)石油大學(xué)首次提出專利CN102767340A為一種多相流流動(dòng)調(diào)整裝置及利用其抑制段塞流的方法，其使用了一種180°主彎管和90°的前后彎頭組合的調(diào)整裝置，由于主彎管彎曲半徑較大，使波形管具有較大“波動(dòng)”幅度，利于在主彎管頂部?jī)?chǔ)存氣體，利于產(chǎn)生混合作用，連接基本單元的直管段使裝置的總長(zhǎng)度可方便調(diào)節(jié)，使裝置能夠平穩(wěn)安置于平面上。

由此可見(jiàn)，對(duì)于單獨(dú)使用流動(dòng)調(diào)整法來(lái)抑制段塞流的方式中，國(guó)內(nèi)外均是以調(diào)整上游分層流或者已形成的段塞流的流型的目的來(lái)設(shè)計(jì)和構(gòu)造流動(dòng)調(diào)整裝置，而國(guó)內(nèi)對(duì)其研究和改進(jìn)還處于起步和發(fā)展階段。

1.2主動(dòng)抑制技術(shù)

主動(dòng)抑制技術(shù)無(wú)需外部資源，需要引入外部資源，而不同的主動(dòng)抑制裝置抑制嚴(yán)重段塞流的形式不同，主動(dòng)抑制技術(shù)主要集中為三個(gè)分支：1）接泵法；2）自動(dòng)控制法；3）外部供氣氣舉法。

在三類主要的技術(shù)分支中，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可見(jiàn)“自動(dòng)控制法”和“接泵法”為主要的改進(jìn)和研究方向，而“外部供氣氣舉法”由于壓縮氣體容易與石油發(fā)生反應(yīng)，降低石油質(zhì)量，且設(shè)備安裝繁瑣，整體經(jīng)濟(jì)效益差，故其專利申請(qǐng)量相對(duì)較少。

2　結(jié)語(yǔ)

從全球的專利申請(qǐng)趨勢(shì)以及來(lái)源情況看，海洋嚴(yán)重段塞流抑制技術(shù)還將保持一個(gè)穩(wěn)定的發(fā)展態(tài)勢(shì)，并且中國(guó)作為該領(lǐng)域主要的專利申請(qǐng)國(guó)，將伴隨著日趨成熟的海洋鉆采技術(shù)的發(fā)展而對(duì)海洋立管安全性的研究和關(guān)注度不斷提高；主動(dòng)抑制與被動(dòng)抑制兩大技術(shù)分支的專利申請(qǐng)比例相對(duì)均衡，而對(duì)于各種不同的抑制形式，世界各國(guó)的專利申請(qǐng)?jiān)趶母蛹?xì)致的角度如結(jié)構(gòu)、形狀、位置等不斷進(jìn)行技術(shù)的發(fā)展與完善，以期實(shí)現(xiàn)更好的嚴(yán)重段塞流抑制效果。

（編輯：楊婷婷）

Review of Patent Technology on Restraining Slug Flow

Zhang Lu
（Patent Examination Cooperation Jiangsu Center of the Patent Office，SIPO，Suzhou Jiangsu 215011）

With the development of offshore oil and gas exploration to the deep sea，a combination of a gas-liquid mixed transportation pipeline system severe slugging has become one of the hot issues deepwater project.This article describes the causes of severe slug flow，and development trend of restraining slug flow.

transportation-vertical pipeline；slug flow；suppression

TE832

A

2095-0748（2016）10-0087-02

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.10.36

2016-04-15

張露（1987—），女，湖北武漢人，碩士研究生，畢業(yè)于北京科技大學(xué)，現(xiàn)就職于國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，研究實(shí)習(xí)員，研究方向：石油鉆探。