射流清管器運動特性與清管段塞耗散分析

陳建恒, 何利民, 呂宇玲, 李曉偉

(中國石油大學(華東) 油氣儲運安全省級重點實驗室，山東 青島 266580)

射流清管器運動特性與清管段塞耗散分析

陳建恒, 何利民, 呂宇玲, 李曉偉

(中國石油大學(華東) 油氣儲運安全省級重點實驗室，山東 青島 266580)

為了分析射流清管器的運行規(guī)律與清管段塞的耗散特性，對一實際深水氣田進行射流清管動態(tài)模擬，通過改變清管器的壓降系數(shù)和旁通率，分析清管器速度波動特點以及清管段塞耗散規(guī)律。研究表明，清管器速度隨壓降系數(shù)呈冪律分布，在敏感區(qū)間，壓降系數(shù)的微小變化使清管器速度大幅波動。清管器平均速度隨旁通率的增加線性下降，通過改變旁通率可實現(xiàn)清管器速度的控制。利用射流氣體對前方積液的吹掃和攜帶，可有效地減小積液堆積，降低運行阻力，避免清管器在立管底部出現(xiàn)停滯。旁通的存在使清管段塞沿程耗散，段塞體液相分率下降，液膜區(qū)增長，終端的清管段塞量顯著降低。射流清管器旁通率的優(yōu)選需要綜合考慮合適的清管器速度波動范圍，同時確保清管段塞量處于捕集器的處理范圍內(nèi)。

射流清管； 壓降系數(shù)； 旁通率； 清管器速度； 清管段塞

圖1 傳統(tǒng)清管與射流清管的對比

Fig.1Comparisonbetweenconventionalandbypasspigging

清管器運行速度決定清管效果[1-3]，射流清管器在降低速度的同時，需要尋求驅(qū)動力與阻力的平衡[12]，若旁通孔過大，將造成驅(qū)動力難以克服阻力，使清管器發(fā)生卡堵。因此，旁通率的設計是射流清管技術的關鍵。由于清管器旁通結構逐漸呈現(xiàn)多樣化，單一的旁通率已無法完全描述射流過程的能量轉(zhuǎn)換機制，因此壓降系數(shù)[13-18]的提出為解決復雜旁通結構的清管模擬提供了更加準確的參數(shù)。在對特定氣田進行射流清管器優(yōu)化設計時，模擬軟件的計算至關重要，多相流軟件LedaFlow是可行性分析階段的重要工具。本文對一實際深水氣田，通過LedaFlow的動態(tài)仿真對射流清管技術的應用進行研究，旨在分析射流清管器的運行規(guī)律及清管段塞的耗散特性，依此指出射流清管技術的應用前景。

1 模型建立

1.1射流清管器的運動方程

水平管內(nèi)清管器運動過程受力分析如圖2所示。

圖2 射流清管器受力分析

Fig.2Forceanalysisofbypasspig

對圖2的射流清管過程進行受力分析可得：

式中，m為清管器質(zhì)量, kg；Vpig為射流清管器運行速度, m/s；Apipe為管道的橫截面積, m2;Ab為旁通孔的橫截面積, m2;Pu、Pd分別為清管器前后的壓力, Pa;Fer為氣體對旁通孔壁的剪切拖曳力, N;Ffric為作用于清管器上的摩擦力, N。

考慮旁通孔內(nèi)流動的準穩(wěn)態(tài)過程，則Fer可由式(2)計算：

式(2)中的τh為壁面剪切力，N/m2;d、Lpig分別為清管器的旁通孔直徑和長度, m。

定義旁通孔的壓降系數(shù)K，則旁通孔內(nèi)的壓降方程可由式(3)表示[13-18]：

式中，ρbp為旁通孔內(nèi)氣體的密度，kg/m3；Vbp為旁通孔內(nèi)氣體的速度，m/s。

Vbp可根據(jù)氣體的連續(xù)性方程[13, 19]求解：

定義射流清管器的旁通率：φ=Ab/Apipe，則通過聯(lián)立式(1)—(4)可求得射流清管器的運動方程：

由式(5)可知，射流清管器運行速度Vpig與旁通孔的壓降系數(shù)K、清管器旁通率φ，以及清管器與管壁間的摩擦力Ffric等清管器結構參數(shù)有關，這些參數(shù)對清管器運行規(guī)律具有重要影響。

1.2軟件計算的模型

對一深水氣田外輸管線進行研究，管線路由如圖3所示。水平管段長77 500 m，管線高程為1 445 m。在Ledaflow中建立管線路由模型，并設置合適的進出口邊界條件，合理地劃分網(wǎng)格節(jié)點，添加射流清管模塊。通過改變清管器的相關參數(shù)，研究射流清管器的速度波動及終端積液的流出特性。

圖3 管線路由

Fig.3Routeofpipeline

2 清管器速度波動分析

2.1壓降系數(shù)的影響分析

壓降系數(shù)反映了射流孔結構對壓降的影響，是射流清管模型區(qū)別于傳統(tǒng)清管模型的重要表征。本研究利用LedaFlow進行壓降系數(shù)的敏感性分析，維持入口氣量Qsg=60 Sm3/s、清管器旁通率φ=6%不變，研究不同壓降系數(shù)下清管器速度的變化規(guī)律，結果如圖4所示。

圖4 不同壓降系數(shù)下清管器速度的變化

Fig.4Variationsofpigvelocityindifferentpressuredropcoefficients

由圖4(a)可知，隨著壓降系數(shù)的增加，清管器的運行速度增大，到達終端的時間減小。當壓降系數(shù)較大時，從式(3)可知清管器的驅(qū)動壓差ΔP=Pu-Pd提高，從而清管器具有較大的驅(qū)動力，當運行阻力不變時，清管器的運動趨于受力平衡狀態(tài)，因此自調(diào)節(jié)過程使Vpig不斷增加，從而減小與后方氣體之間的速度差Vg-Vpig，使驅(qū)動壓差ΔP下降，直至與摩擦阻力相平衡，維持一定的速度運行。因此，壓降系數(shù)的增加最終導致清管器速度的增加。當壓降系數(shù)處于較小區(qū)間時，其微小變化使清管器速度大幅增加，若繼續(xù)增大壓降系數(shù)，速度的增長趨勢明顯變緩，此時壓降系數(shù)對速度的影響降低。結合式(3)、(4)進行分析，對兩式合并，有：

對式(6)右邊除K外的其余項采用常數(shù)化處理，可繪制Vpig—K圖，結果如圖5所示。

圖5 清管器速度與壓降系數(shù)的關系

Fig.5Relationshipbetweenpigvelocityandpressuredropcoefficient

由圖5可知，清管器速度隨壓降系數(shù)呈冪律分布，清管器速度對壓降系數(shù)具有敏感性，在敏感區(qū)間，壓降系數(shù)的微小變化將導致清管器速度的較大波動。由于壓降系數(shù)主要是結構參數(shù)的函數(shù)[13-14]，因此在確定清管器旁通結構后，需要考察此結構是否處于敏感區(qū)間，否則錯誤的計算壓降系數(shù)將導致動態(tài)模擬的嚴重偏差。

圖4(b)反映了清管器速度隨運行距離的變化。圖中表明無旁通的清管器到達立管底部時，速度明顯降低甚至停滯。而有旁通的清管器運行通暢，無明顯的降速。由于無旁通清管器運行時，積聚于清管器前方的液塞隨清管器到達立管底部而充滿立管，液柱靜壓力的增加導致清管器在立管底部出現(xiàn)降速和停滯。而有旁通的射流清管器充分利用氣體對前方積液進行吹掃和攜帶，有效地避免了液塞的堆積，使立管內(nèi)液量顯著下降，因此清管器可順利地通過立管系統(tǒng)。由此也體現(xiàn)了射流清管對于液塞控制的優(yōu)勢。

2.2旁通率的影響分析

旁通率的優(yōu)選是射流清管技術的核心，也是對一個特定油氣田進行清管可行性分析的首要任務。過大的旁通率將導致清管器速度過低，運行驅(qū)動力過小，難以克服運行阻力。而過小的旁通率又難以達到降速的目的，無法滿足積液控制的要求。因此，最佳旁通率是使清管段塞量滿足終端段塞流捕集器的處理能力，且使清管器的速度合適，不存在卡堵風險。為了研究不同旁通率下清管器速度的波動特性，固定清管器的壓降系數(shù)為1.6，所得結果如圖6所示。

由圖6可知，隨著旁通率的增加，清管器的整體運行速度降低，清管時間延長，運行穩(wěn)定性增加。旁通的存在可以實現(xiàn)清管器速度的控制。根據(jù)式(3)、(4)可知，旁通率的增加可以顯著地降低射流氣速，從而降低驅(qū)動壓差，使清管器的速度下降，直至達到驅(qū)動力與阻力之間的平衡后，速度不再下降，維持穩(wěn)態(tài)運行。因此旁通率的增加最終使清管器速度得到降低。然而不能一味地追求降低速度而持續(xù)地增加旁通率，一般工程上以1 m/s為界[2]，當清管器速度低于此值時，應降低旁通率，避免卡堵風險的發(fā)生。

圖6 不同旁通率下清管器速度的變化 Fig.6 Pig velocity versus time in different bypass fractions

清管器平均速度與旁通率的關系曲線如圖7所示。曲線表明，除無旁通的數(shù)據(jù)點外，曲線的線性程度較好，通過對除旁通率為0以外的四個點進行擬合，效果顯著，即清管器平均速度隨旁通率的變化呈線性關系。

圖7 清管器平均速度隨旁通率的變化Fig.7 Average pig velocity in different bypass fractions

3 清管段塞耗散分析

清管段塞的消除效果是衡量射流清管技術優(yōu)劣的重要指標，因此對清管段塞隨清管器的耗散過程及終端積液的流出特性進行研究。

無旁通的清管過程如圖8所示。投入清管器前，管道內(nèi)的積液量如圖8(a)所示，積液基本分布于管線的低洼段。當清管器進入管段后，積液逐步堆積于清管器的前端，形成清管段塞體，如圖8(b)所示，此時段塞體內(nèi)的液相分率約為0.97，即液塞體內(nèi)幾乎全是液體，隨著清管器的向前推進，清管器前方管道內(nèi)的積液被不斷地拾起進入段塞體內(nèi)，因此對于無旁通的清管過程，清管段塞量逐漸增長，段塞以清管器速度向管道終端運移，直至段塞頭部到達立管頂部，清管液塞開始進入終端處理設備，如圖8(c)所示。由于無旁通清管器運行速度很快，進入終端的段塞體將在短時間內(nèi)迅速進入處理設備，極易引發(fā)生產(chǎn)事故。

旁通率為12%的射流清管積液運移過程如圖9所示。清管器未進入狀態(tài)見圖9(a)，隨著清管器的進入，管道內(nèi)的積液在清管器的推動下分布狀態(tài)如圖9(b)所示，在射流氣體的攜帶下，清管器前方的積液分布范圍變長，截面的液相分率顯著下降，最大值僅為0.34，未存在滿管液塞。隨著清管器的運動，段塞呈現(xiàn)沿程耗散的特點，液膜區(qū)逐漸增長，直至液塞頭部到達立管出口，如圖9(c)所示，由于射流清管器的速度得到降低，因此，在清管液塞頭部到達立管出口前，管道內(nèi)一部分原始積液量已被氣體攜帶出管道，清管液塞量下降，使終端設備的負荷降低，且擁有了更多的處理時間。

圖8 無旁通時的清管段塞運移過程

Fig.8Transportofpig-generatedslugvolumewithoutbypassfraction

圖9 旁通率12%清管段塞運移過程Fig.9 Transport of pig-generated slug volume with bypass fraction of 12%

圖10為管道出口的瞬時液塞流量隨壓降系數(shù)與旁通率的變化。較小的壓降系數(shù)和較大的旁通率均使瞬時液塞流量得到顯著下降，從而減小了液體對下游設備的沖擊。

圖10 終端瞬時液塞流動特性Fig.10 Flow characteristics of terminal outflow liquids

圖11為不同旁通率下，清管器發(fā)射后，終端累計流出的液體總量。

圖11 不同旁通率下的累計流出液量

Fig.11Accumulatedoutflowliquidsindifferentbypassfractions

曲線的第一個突變點對應液塞頭部到達終端的時刻，斜率陡增曲線對應清管段塞的流出過程，最后的水平拐點對應清管段塞尾部流出終端。通過尾部與頭部時間點對應的累計排液量之差計算清管段塞量。計算結果如圖12所示。結果表明，隨著旁通率的增加，清管器平均速度降低，清管段塞量得到了顯著的緩解。因此，射流清管器正是利用旁通射流機制，降低清管器運行速度，從而使前方積液具備了更多的時間自流出管道，避免堆積于清管器前方，有效地減少了清管段塞所帶來的生產(chǎn)風險。

圖12 清管段塞量的變化

Fig.12Variationsofpiggeneratedslugvolume

通過以上分析，射流清管技術在氣田應用效果顯而易見。在實際應用過程中，前期應做好充分的可行性分析，根據(jù)精確的射流清管動態(tài)模擬結果，分析沿線可能存在的卡堵風險。通過準確計算射流清管器的壓降系數(shù)、運行摩擦力，為旁通率的優(yōu)選模擬提供前提條件。在旁通率的優(yōu)選中，需要綜合考慮清管器的速度波動范圍及終端清管段塞量的大小，確保其處于段塞流捕集器的處理范圍內(nèi)，同時要求清管器速度大小合適，足夠克服卡堵工況。

4 結論

(1) 清管器運行速度隨壓降系數(shù)的變化呈冪律分布，隨著壓降系數(shù)的增加，清管器的運行速度增大，到達終端的時間減小。清管器速度的變化對于壓降系數(shù)具有敏感性，在敏感區(qū)間，壓降系數(shù)的微小變化將導致清管器速度的大幅波動。

(2)無旁通清管器由于積液的堆積，在立管底部出現(xiàn)降速和停滯現(xiàn)象。而射流清管器充分利用氣體對前方積液的吹掃和攜帶，有效地避免了積液堆積，可順利地通過立管系統(tǒng)。

(3)旁通率的增加使清管器的整體運行速度降低、清管時間延長，且運行穩(wěn)定性增強。清管器平均速度隨旁通率變化呈線性關系變化，旁通的存在可實現(xiàn)清管器速度的控制。

(4)射流清管段塞沿程耗散，終端清管段塞量隨旁通率的增加顯著降低。旁通率優(yōu)選時需要綜合考慮清管器的速度波動范圍及終端清管段塞量的大小，確保其處于段塞流捕集器的處理范圍，且清管器速度大小合適。

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Analysis on the Movement Characteristics of Bypass Pig and Pig-Generated Slug Dissipation

Chen Jianheng, He Limin, Lyu Yuling, Li Xiaowei

(ProvincialKeyLaboratoryofOil&GasStorageandTransportationSafety，ChinaUniversityofPetroleum(EastChina)，QingdaoShandong266580，China)

In order to analyze the movement rules of bypass pig and the characteristics of pig-generated slug dissipation, a dynamic bypass pigging simulation for a real deep-water gas field was conducted. The movement characteristics of pig velocity and the pig-generated slug dissipation were analyzed through changing the pressure drop coefficient and bypass fraction. The study shows that the pig velocity turns out to be power-law distribution with the change of pressure drop coefficients, and within the sensitive range, a small change of the pressure drop coefficient will lead to a huge fluctuation of the pig velocity. The average pig velocity has the tendency of linear reduction with the rise of bypass fraction, the change of which helps to control the pig velocity. By taking advantage of bypass gases to carry and sweep the liquid loading in front of the pig，the running resistance can be reduced, thus the stick phenomena of the pig at the bottom of the riser is avoided. The existence of bypass fraction makes the pig-generated slug dissipate along the pigging period. With the increase of the bypass fraction, the hold up of liquid in the slug is reduced, and the liquid film zone is prolonged, thus making the pig-generated slug volume decrease remarkably. For the optimization of the bypass fraction, an overall consideration should be given to the reasonable scope of pig velocity variations and the pig-generated slug volume, making sure it's within the processing capacity of a slug catcher.

Bypass pigging； Pressure drop coefficient； Bypass fraction； Pig velocity； Pig-generated slug

1006-396X(2017)05-0066-06

投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn

TE832

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2017.05.013

2017-08-22

2017-08-30

十三五國家科技重大專項(2016ZX05028-004-003)。

陳建恒(1992-)，男，碩士研究生，從事多相管流及油氣田集輸技術方面的研究；E-mail：s15060742@s.upc.edu.cn。

何利民(1962-)，男，博士，教授，從事多相管流及油氣田集輸技術方面的研究；E-mail：helimin@upc.edu.cn。

(編輯 王戩麗)

清管是管道流動安全保障的重要措施，是深水氣田安全維護的重要環(huán)節(jié)。定期清管對減小管內(nèi)積液堆積[1-5]、砂沉積[6]，提高管輸效率具有重要意義。由于深水開發(fā)的高難度與復雜性，顯得安全清管操作尤為重要。深水氣田所處的高壓低溫環(huán)境以及復雜多變的管線路由易造成管內(nèi)積液堆積。采用傳統(tǒng)清管器進行清管，如圖1(a)所示，在后方氣體驅(qū)動下，積液逐漸堆積于清管器前方，隨清管器快速運移，短時間內(nèi)一并到達終端，易造成下游捕集器的溢流?；诖?，射流清管器開設旁通孔，如圖1(b)所示，使前后氣體流通，從而減小驅(qū)動壓差，降低清管器速度，使前方積液在射流氣體的攜帶作用下，自流出管道，有效地減小了積液的堆積，可實現(xiàn)不降低氣體輸量的前提下，滿足積液的控制要求，消除生產(chǎn)延期與溢流風險，對深水氣田的開發(fā)與維護具有重要意義[1-5, 7-11]。