深海臥管-懸鏈線立管系統(tǒng)管內(nèi)流動(dòng)特性分析

秦國慶，王衛(wèi)強(qiáng)，范玉斌，莊正剛，余睿哲

（1.遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院，遼寧撫順113001；2.延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，陜西延安717500；3.撫順石化公司石油三廠，遼寧撫順113001）

隨著深海油氣田的開發(fā)，海洋平臺(tái)從傳統(tǒng)的張力腿平臺(tái)發(fā)展到目前常用的浮式生產(chǎn)平臺(tái)，但是由于其在海洋環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)特性，傳統(tǒng)的頂張力立管已經(jīng)無法滿足浮體漂移的要求，且其補(bǔ)償隨著水深的增加變得更加困難，臥管-懸鏈線系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。但是，對于該系統(tǒng)來說，在重力的作用下，液體在立管底部積聚導(dǎo)致氣體無法進(jìn)入立管內(nèi)，從而形成段塞流[1]，并且由于其周期性的變化，使深海懸鏈線系統(tǒng)發(fā)生劇烈震動(dòng)，引發(fā)機(jī)械疲勞，甚至可能引起管道的斷裂[2]。

隨著鋼懸鏈線立管的發(fā)展，國內(nèi)外諸多學(xué)者開始對其氣液兩相混輸時(shí)的流動(dòng)特征以及嚴(yán)重段塞流特性進(jìn)行了大量的研究。C.Wordsworth以長12.546 3 m、內(nèi)徑0.052 5 m的管道模型為依托，研究了嚴(yán)重段塞流的流型和壓力，得出了相應(yīng)的流型圖和壓力呈周期變化的結(jié)論，但未得到具體參數(shù)的變化規(guī)律以及嚴(yán)重段塞流的判定準(zhǔn)則，對氣液兩相在鋼懸鏈線系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)特性也未展開研究[3]。S.Mokhatab等[4]以柔性管道為模型，研究了嚴(yán)重段塞流參數(shù)（壓力、流量）的變化規(guī)律，并進(jìn)行了對比，但是沒有具體研究嚴(yán)重段塞流的形成原因、變化規(guī)律、流動(dòng)特征等。相關(guān)學(xué)者針對段塞流的相關(guān)特征進(jìn)行了分析[5-6]，但是并沒有針對特定的輸送工藝以及壓力、溫度進(jìn)行管內(nèi)相關(guān)流動(dòng)參數(shù)的分析。因此，考慮深海懸鏈線系統(tǒng)內(nèi)輸送介質(zhì)參數(shù)的特殊性，明確不同工藝參數(shù)下的臥管-立管內(nèi)流體的流動(dòng)方式，研究不同流動(dòng)方式下相關(guān)參數(shù)的變化規(guī)律，對保障深海油氣的開發(fā)及輸送具有重要的意義[7]。

1 模型的基本參數(shù)及假設(shè)條件

OLGA是廣泛應(yīng)用于管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)數(shù)值計(jì)算的成熟軟件，S.Mokhatab[8]通過OLGA軟件建立了嚴(yán)重段塞流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并與C.Wordsworth的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果表明具有較好的一致性。R.H.Nemoto等[5]、于濤等[9]在OLGA軟件計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過研究得到了段塞流的產(chǎn)生過程和判別方法。因此可以說，采用OLGA軟件能夠有效地分析深海臥管-懸鏈線管內(nèi)流動(dòng)特性。

本文依托某深海油氣田的實(shí)際油田數(shù)據(jù)，對懸鏈線管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)的影響因素進(jìn)行了研究，通過PVTsim軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算所采用的油品組成見表1，穩(wěn)產(chǎn)時(shí)的含水率為10%。

表1 數(shù)值計(jì)算所采用的油品組成

OLGA軟件參數(shù)設(shè)置[3]：管道內(nèi)徑設(shè)為0.12 m，管道內(nèi)壁粗糙度為5×10-5；管道保溫層及管道材料參數(shù)：比熱容為500 J/(kg·℃)，傳導(dǎo)率為50 W/(m·℃)，密度 780 kg/m3；保溫層材料的密度為800 kg/m3，比 熱 容 為 500 J/(kg·℃ )，導(dǎo) 熱 系 數(shù)為0.18。

邊界條件設(shè)置：入口為質(zhì)量源，模擬時(shí)設(shè)定溫度、產(chǎn)液量、氣油比、含水率的值即可，出口為壓力邊界，輸入出口處壓力值即可[10]。

結(jié)構(gòu)參數(shù)：水平段長度為2 000 m；懸鏈線立管水平長度為746 m，高度為200 m，內(nèi)徑為0.12 m；油相密度為900.0 kg/m3，氣相密度為717.4 kg/m3。

2 結(jié)果與分析

2.1 管徑對管內(nèi)流動(dòng)參數(shù)的影響

不同管徑下管內(nèi)沿程液體/氣體流量、管道沿程溫度/壓力的變化規(guī)律如圖1所示。

圖1 管徑不同時(shí)相關(guān)參數(shù)的變化規(guī)律

從圖1可以看出，在給定的入口溫度（70℃）、出口壓力（1.5 MPa）、臥管入口處總流量（0.01 m3/s）和含水率（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，下同）條件下，管徑對管道入口處液相/氣相流量有較大影響，而對出口處的氣相/液相流量基本沒有影響。在不同的管徑下，管內(nèi)沿程液相流量逐漸降低，而管內(nèi)沿程氣相流量逐漸增大，并且上傾管的沿程液相流量降低速率明顯大于水平管段，而上傾管的沿程氣相流量的增大速率也明顯大于水平管段，這是因?yàn)樵谏蟽A管段油氣水三相主要以段塞或泡狀流形式存在[11]；隨著管徑的增大，管道入口處液相流量逐漸降低，入口處氣相流量逐漸增大，而出口處液相/氣相流量變化均很小。當(dāng)管徑由0.06 m增大到0.12 m時(shí)，管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)由層流＋泡狀流向段塞流＋泡狀流轉(zhuǎn)變，最終變?yōu)槎稳鳎藭r(shí)管道入口處液相流量和氣相流量迅速降低，當(dāng)管徑由0.12 m繼續(xù)增大時(shí)，管內(nèi)流型由段塞流向?qū)恿鳎轄盍鬓D(zhuǎn)變；當(dāng)管徑為0.24～0.50 m時(shí)，流型均為層流+泡狀流，此時(shí)管道沿程液相/氣相流量曲線基本重合。

在給定的入口溫度（70℃）與出口壓力（1.5 MPa）下，當(dāng)管徑不同時(shí)管內(nèi)沿程溫度和壓力均逐漸降低。隨著管徑的增大，管內(nèi)沿程溫度下降速度增大，水平管段和上傾管段溫度下降速度基本相等；當(dāng)管徑為0.06～0.12 m時(shí)，管道出口壓力迅速下降；當(dāng)管徑為0.12～0.50 m時(shí)，管道出口壓力基本保持不變，并且上傾管壓力減小速度明顯大于水平管段，這主要是因?yàn)楣軓降淖兓鹆斯軆?nèi)流型的變化[12]。

因此，當(dāng)上傾管段管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)由泡狀流向段塞流轉(zhuǎn)變的過程中，出口處氣相流量增大，導(dǎo)致入口壓力和立管底部壓力迅速減??；當(dāng)段塞流向其他流型如層流、泡狀流轉(zhuǎn)變時(shí)，出口處氣相流量、入口壓力和立管底部壓力基本不再發(fā)生變化[13]，隨著管徑的增大，出口處氣相流量呈線性減小，其主要原因是因?yàn)樵谝欢ǖ娜肟诹髁肯?，管徑增大，必然?huì)導(dǎo)致其折算氣相速度減小。同時(shí)可以看出，出口處液相流量基本不受管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)和管徑的影響，當(dāng)入口處總流量不變時(shí)，出口處液相流量也基本不發(fā)生變化。

2.2 臥管入口處總流量對管內(nèi)流動(dòng)參數(shù)影響

臥管入口處總流量（Q，下同）不同時(shí)管內(nèi)沿程液相/氣相流量變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 Q不同時(shí)管內(nèi)沿程液相/氣相流量變化規(guī)律

從圖2可以看出，在給定的入口溫度（70℃）、出口壓力（1.5 MPa）、管徑（0.12 m）和含水率（10%）的條件下，隨著Q的增大，管內(nèi)沿程液相流量迅速增大，并且在管道沿程各點(diǎn)處其液相流量基本不變，不受管內(nèi)流型和管段傾斜角度的影響。當(dāng)Q=0.001 m3/s時(shí)，管內(nèi)沿程氣相流量不斷減小，并且上傾管段的減小速率大于水平管段，這是由于此時(shí)水平管段為層流，而上傾管段為段塞流造成的；在Q=0.010～0.030 m3/s時(shí)，隨著Q的增大，管內(nèi)沿程氣相流量逐漸增大，并且Q對管道入口處氣相流量影響較小，而對出口處氣相流量影響較大，這是因?yàn)樵赒為0.010～0.030 m3/s時(shí)，管內(nèi)流型主要表現(xiàn)為段塞流（水平管段）＋泡狀流（上傾管段）；當(dāng)Q=0.050 m3/s時(shí)，管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)向?qū)恿鳎轄盍鬟^渡，此時(shí)入口處檢測不到純氣相的存在，隨著Q的繼續(xù)增大，管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)向?qū)恿鬓D(zhuǎn)變，此時(shí)在更長的管段內(nèi)檢測不到純氣相存在，在出口處純氣相的流量變化也大。由此可以推斷，隨著Q的繼續(xù)增大，整個(gè)懸鏈線系統(tǒng)均為層流狀態(tài)，管內(nèi)檢測不到純液相[14]。

Q不同時(shí)管道沿程溫度/壓力的變化規(guī)律如圖3所示。

在給定的入口溫度（70℃）及出口壓力（1.5 MPa）下，Q不同的時(shí)，水平管段和上傾管段表現(xiàn)出不一樣的溫度分布規(guī)律。從圖3（a）可以看出，當(dāng)Q=0.001 m3/s時(shí)，管道沿程溫度不斷降低，并且降低速率逐漸減??；當(dāng)Q增加到0.010 m3/s時(shí)，管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿稳?，此時(shí)管道沿程溫度不斷下降，并且水平管段和上傾管段的溫降速率基本保持一致；當(dāng)Q=0.030 m3/s時(shí)，水平管管段的溫降速率逐漸減小，并且上傾管段的溫降速率明顯大于水平管段；當(dāng)Q=0.100 m3/s時(shí)，管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)由水平管段的層流和上傾管段的泡狀流組成，其水平管段的溫度基本保持不變，而上傾管段溫度迅速下降；當(dāng)懸鏈線系統(tǒng)均為層流狀態(tài)，即Q=0.200～0.300 m3/s時(shí)，水平管段的沿程溫度基本保持不變，而上傾管段溫度有所上升，但恒溫管段的長度隨著Q的增大而增大[15]。

管道沿程壓力下降速率隨著Q的增大而增大。當(dāng)Q=0.001～0.030 m3/s時(shí)，無論水平管段還是上傾管段，壓力下降速率均隨著Q的增加而增大，但上傾管段的壓力下降速率明顯大于水平管段；當(dāng)Q=0.100～0.300 m3/s時(shí)，上傾管段與水平管段的沿程壓力下降速率持續(xù)增加，兩者基本相等。

因此，在不同的Q下，當(dāng)上傾管段流動(dòng)狀態(tài)為段塞流和泡狀流時(shí)，出口處氣相流量隨Q的增大呈直線增大，其入口壓力和立管底部壓力有較小幅度的增加；當(dāng)上傾管段管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)由泡狀流向?qū)恿鬓D(zhuǎn)變時(shí)，其出口處氣相流量基本保持不變，而入口處壓力和立管底部壓力卻迅速增大[16]。同時(shí)可以看出，出口處液相流量基本不受管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)的影響，而主要受Q的影響。

2.3 含水率對管內(nèi)流動(dòng)參數(shù)的影響

不同含水率下管內(nèi)沿程液相/氣相流量、管道沿程溫度/壓力的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 不同含水率下相關(guān)參數(shù)的變化規(guī)律

從圖4可以看出，在給定的入口溫度（70℃）、出口壓力（1.5 MPa）、管徑（0.12 m）和Q（0.01 m3/s）下，隨著含水率的增加，管道平均液相流量不斷增大，但管道沿程液相流量逐漸減?。寒?dāng)含水率為10%時(shí)，整個(gè)懸鏈線系統(tǒng)內(nèi)為段塞流，管道平均液相流量較??；當(dāng)含水率增加到20%～22%時(shí)，上傾管段出現(xiàn)泡狀流，管道內(nèi)平均液相流量迅速上升，在泡狀流范圍逐漸擴(kuò)大的過程中，管道內(nèi)平均液相流量也逐漸增大；當(dāng)水平管段出現(xiàn)層流并繼續(xù)發(fā)展時(shí)（含水率為23%～30%），管道內(nèi)平均液相流量仍然繼續(xù)增大，但其平均液相流量增長速率保持不變。對于管道內(nèi)氣相來說，從整體來看，在不同含水率下水平管段沿程氣相流量稍有增大，上傾管段氣相流量迅速增大；隨著含水率的增大，管道內(nèi)氣相流量大幅度減小，當(dāng)水平管段為段塞流、上傾管段為泡狀流時(shí)（含水率為20%～23%），管道內(nèi)氣相流量稍有減小，當(dāng)水平管段流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鲿r(shí)（含水率為25%～30%），在水平管段內(nèi)已經(jīng)檢測不到純氣相的存在，而上傾管段由于泡狀流的存在，仍有小部分純氣相的存在，但是其純氣相流量較小。

在給定的入口溫度（70℃）與出口壓力（1.5 MPa）下，當(dāng)含水率不同時(shí)，管內(nèi)沿程溫度和壓力逐漸降低。隨著含水率的增大，管內(nèi)沿程溫度下降速度減小，水平管段和上傾管段溫度下降速度基本相當(dāng)；管道出口壓力迅速增大，并且其上傾管壓力減小速度明顯大于水平管段。

因此可以說，在不同的含水率下，當(dāng)上傾管段出現(xiàn)由段塞流向泡狀流轉(zhuǎn)變時(shí)，出口處氣相流量的減小速度明顯變小，而含水率變化引起的管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)的變化對出口處液相流量、入口壓力和立管底部壓力均沒有明顯影響。

2.4 出口壓力對管內(nèi)流動(dòng)參數(shù)影響

不同出口壓力下管內(nèi)沿程液相/氣相流量、管道沿程溫度/壓力的變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 不同出口壓力下相關(guān)參數(shù)的變化規(guī)律

從圖5可以看出，在給定的入口溫度（70℃）、含水率（10%）、管徑（0.12 m）和Q（0.01 m3/s）下，從總體來看，管內(nèi)沿程液相流量隨著出口壓力的增加而逐漸增大，而氣相壓力逐漸減小，并且上傾管段的增大或減小的速率明顯高于水平管段。但是，上述規(guī)律不符合出口壓力p=10.0 MPa時(shí)管內(nèi)沿程流量分布規(guī)律：當(dāng)出口壓力p=0.1～10.0 MPa時(shí)，整個(gè)懸鏈線系統(tǒng)表現(xiàn)為段塞流，此時(shí)管內(nèi)平均液相流量小幅度上升，相應(yīng)地平均氣相流量小幅度下降；當(dāng)出口壓力增大到5.0 MPa時(shí)，水平管段流動(dòng)狀態(tài)變?yōu)閷恿?，而上傾管段流動(dòng)狀態(tài)變?yōu)榕轄盍鳎藭r(shí)管內(nèi)平均液相流量迅速增大，而平均氣相流量迅速減??；當(dāng)出口壓力繼續(xù)增大到10.0 MPa時(shí)，相比于出口壓力p=7.0 MPa時(shí)出口處液相流量有所減小，整個(gè)懸鏈線系統(tǒng)內(nèi)沿程液相流量以一恒定速率下降，而此時(shí)在整個(gè)懸鏈線系統(tǒng)內(nèi)已經(jīng)觀察不到純氣相的存在。

在不同的出口壓力下，管道沿程溫度分布基本沒有變化；對于管道沿程壓力分布來說，從總體來看，在不同的出口壓力下，管道沿程壓力持續(xù)減小，并且上傾管段壓力減小速率明顯大于水平管段；隨著出口壓力的增大，管道平均壓力也增大。

因此可以說，在不同的出口壓力下，隨著出口壓力的增大，出口處氣相流量逐漸減小，但減小速率逐漸降低；出口壓力的變化引起的管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)的變化對出口處液相流量、入口壓力和立管底部壓力均沒有明顯影響[17]。

3 結(jié) 論

（1）隨著管徑的增大，在管徑由0.06 m增大到0.08 m時(shí)，管道入口液相/氣相流量和入口壓力發(fā)生了巨大變化；管徑為0.12～0.50 m時(shí)，管道入口液相/氣相流量和入口壓力基本保持不變；在管徑的整個(gè)變化過程中（0.06～0.50 m），其上傾管相關(guān)參數(shù)的變化速率明顯大于水平管段。在管徑的增大過程中，管道沿程溫度下降速率增大，且上傾管段的溫度與水平管段變化速率基本一致。

（2）隨著Q的增大，在Q=0.001～0.030 m3/s和Q=0.100～0.300 m3/s的兩個(gè)階段，管內(nèi)沿程液相/氣相流量、管道沿程溫度/壓力變化明顯。

（3）隨著含水率的增大，因上傾管段泡狀流的出現(xiàn)，管內(nèi)沿程液相/氣相流量、管道沿程壓力變化分為兩個(gè)明顯的階段，而管道沿程溫度變化階段性不明顯；當(dāng)水平管段中段塞流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鲿r(shí)，在水平管段中經(jīng)檢測不到純氣相的存在，上傾管段純氣相流量也不斷減小。

（4）隨著出口壓力的增大，管內(nèi)沿程液相/氣相流量、管道沿程壓力變化明顯；出口壓力對管道沿程溫度分布基本無影響。