范玉斌，王衛(wèi)強(qiáng)，秦國(guó)慶，莊正剛

（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(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，陜西西安710000）

隨著海洋油氣田的開(kāi)發(fā)，深海多相混輸技術(shù)和集輸管網(wǎng)已成為海洋油氣開(kāi)發(fā)及輸送的最主要方式，但是這種輸送方式對(duì)流動(dòng)保障技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求[1-4]。海洋集輸管網(wǎng)包括水平管、傾斜管、立管等不同管型及不同的組合形式，目前較為常用的管型為T型管。根據(jù)所采用的工藝流程的不同，可能存在各種問(wèn)題：不同分支管線的流量差異，臥管、立管的管徑突變以及立管自身的管徑突變可能帶來(lái)流動(dòng)保障方面的問(wèn)題；在生產(chǎn)末期氣液總流量較小時(shí)，極易形成嚴(yán)重段塞流[5]，從而導(dǎo)致油井減產(chǎn)、管道振動(dòng)等問(wèn)題。相關(guān)學(xué)者研究氣液兩相流的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氣液兩相物性、表觀速度、管道物性及形狀對(duì)流型的影響很大[6-9]。D.V.Essendelft等[10]利用不同尺寸的管道，通過(guò)改變氣液相表觀速度，得到了不同的流型；T.S.Zhao等[11]對(duì)三角形管道的流型進(jìn)行了研究，結(jié)果表明流型受水力半徑的影響；H.Liu等[12]對(duì)方形管道的流型進(jìn)行了研究，并測(cè)得了攪拌流型、泡狀流型、環(huán)狀流型、段塞流型和段塞-彈狀流型。因此，研究分支流量差異、管徑突變等問(wèn)題對(duì)立管流動(dòng)狀態(tài)的影響，對(duì)保證海洋油氣的安全及順利運(yùn)行有重要的意義。

1 模型的基本參數(shù)及假設(shè)條件

根據(jù)某深海油氣田的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，數(shù)值計(jì)算所采用的油品組成見(jiàn)表1。PVTsim軟件生成所需要的流體屬性，穩(wěn)產(chǎn)時(shí)的含水率（摩爾分?jǐn)?shù)，下同）為10.00%。

表1 數(shù)值計(jì)算所采用的油品組成

設(shè)置OLGA軟件參數(shù)[13]：管道內(nèi)徑為0.12 m，管道內(nèi)壁粗糙度為5×10－5；管材的比熱容為500 J/(kg·℃)，導(dǎo)熱系數(shù)為50.00 W/(m·℃)，密度為780.0 kg/m3；保溫層材料的密度為800.0 kg/m3，比熱容為500 J/(kg·℃)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.18 W/(m·℃)。

海洋T型集輸管網(wǎng)數(shù)值計(jì)算基礎(chǔ)模型見(jiàn)圖1。水平管段（管A和管B）和立管（管C）的管徑為0.06 m。

圖1 海洋T型集輸管網(wǎng)數(shù)值計(jì)算基礎(chǔ)模型

設(shè)置邊界條件：入口為質(zhì)量源，模擬時(shí)設(shè)定溫度、產(chǎn)液量、氣油物質(zhì)的量比、含水率；出口為壓力邊界，輸入出口處壓力。

結(jié)構(gòu)參數(shù)：水平管段（管A和管B）的長(zhǎng)度為2 000 m，立管（管C）的高度為2 000 m，油相的密度為900.0 kg/m3，氣相的密度為 717.4 kg/m3。

2 結(jié)果與分析

在水平管段入口處總流量Q不同的條件下，研究了立管沿程液相流量、立管沿程溫度、立管沿程壓力及持液率，結(jié)果如圖2所示。

圖2 Q對(duì)立管管內(nèi)流動(dòng)參數(shù)的影響

從圖2（a）可以看出，在給定的入口溫度（70℃）、出口壓力（1.5 MPa）、管徑（0.06 m）和含水率（10.00%）的條件下，隨著水平管段入口處總流量Q的增大，立管沿程液相流量增大，并且立管沿程各點(diǎn)的液相流量基本不變；立管的流量略小于兩條水平管段總流量；與水平管段入口處總流量較小的情況相比，當(dāng)水平管段入口處總流量Q=0.030 m3/s時(shí)，立管頂部管段h＞1 300 m處沿程液相流量有明顯減小，立管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)由層流轉(zhuǎn)變?yōu)榕轄盍鳌?/p>

從圖2（b）可以看出，在給定的入口溫度（70℃）及水平管段入口處總流量Q不同的情況下，立管沿程溫度分布表現(xiàn)出不同的規(guī)律。在水平管段入口處總流量Q不同時(shí)立管底部入口溫度不同，因此立管沿程溫度分布存在較大差異。但是，在水平管段入口處總流量較大（Q=0.005～0.030 m3/s）的條件下，水平管段入口處總流量不同時(shí)立管沿程降溫速率基本相同，同時(shí)以層流向泡狀流轉(zhuǎn)變處為分界點(diǎn)，兩個(gè)管段的溫降速率表現(xiàn)出微小差異[14]。

從圖2（c）可以看出，隨著水平管段入口處總流量Q的增大，立管沿程壓力下降速率逐漸增大；在Q=0.001 m3/s和Q=0.005 m3/s時(shí)，立管沿程壓力基本相等。

從圖2（d）可以看出，當(dāng)改變水平管段入口處總流量Q時(shí)，持液率隨之發(fā)生變化；在Q=0.001～0.005 m3/s和Q=0.010～0.030 m3/s的兩個(gè)階段，持液率的變化明顯不同；在Q=0.001 m3/s和Q=0.005 m3/s時(shí)出口處持液率相等，在Q=0.010 m3/s和Q=0.030 m3/s時(shí)出口處持液率相等，并且大流量下出口處持液率明顯大于小流量下出口處持液率。結(jié)合流型分析可知，當(dāng)水平管段入口處總流量Q增大到一定值時(shí)，立管內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)必然完全轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鳎藭r(shí)立管內(nèi)各點(diǎn)的持液率也必然等于1，也就是說(shuō)檢測(cè)不到純氣相的存在[15]。

2.1 Q對(duì)立管管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)的影響

在水平管段（管A）入口總流量QA為0.001 m3/s的條件下，改變管B入口總流量QB，研究了相關(guān)參數(shù)的變化規(guī)律，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，在管A的入口總流量QA不變的條件下，隨著管B的入口總流量QB的增大，立管管內(nèi)流動(dòng)參數(shù)的變化規(guī)律與圖2相似[16]。

圖3 QB對(duì)立管管內(nèi)流動(dòng)參數(shù)的影響

2.2 臥管-立管管徑差異對(duì)立管管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)的影響

設(shè)置管A和管B的管徑及流量，D=DA=DB=0.06 m，Q=QA=QB=0.001 m3/s，改變立管管徑，研究了立管管內(nèi)相關(guān)參數(shù)的變化規(guī)律，結(jié)果如圖4所示。

從圖4（a）可以看出，在給定的入口溫度（70℃）、出口壓力（1.5 MPa）、水平管段管徑（0.06 m）、水平管段入口處總流量（Q=0.001 m3/s）和含水率（10.00%）的條件下，隨著立管管徑的增大，立管沿程液相流量呈3個(gè)不同的特征：當(dāng)DC=0.03 m時(shí)，隨著立管管徑的增大，立管沿程液相流量先基本保持不變?nèi)缓笱杆贉p小，說(shuō)明發(fā)生了流型的轉(zhuǎn)變[17]；當(dāng)DC=0.06～0.12 m時(shí)，立管沿程液相流量的分布規(guī)律與DC=0.03 m時(shí)相似，但是從流量的變化情況可以看出流型轉(zhuǎn)變的位置發(fā)生了改變；當(dāng)DC=0.24 m，且立管高度h＞1 500 m時(shí)，可能存在流型之間的交互變化，在該管段立管沿程液相流量可能存在極小值。

從圖4（b）可以看出，立管管徑不同時(shí)立管沿程溫度分布各不相同，立管沿程溫度下降速率的變化規(guī)律與立管沿程液相流量的變化也呈不同規(guī)律。雖然在立管管徑不同時(shí)立管沿程液相流量呈相同特征，但是其流型的變化卻不盡相同[18]。

從圖4（c）可以看出，立管管徑對(duì)立管管道壓力的分布影響明顯：立管的管徑越大，其壓降下降速度越小，下降速率比較平穩(wěn)，與管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)。

從圖4（d）可以看出，持液率的變化規(guī)律與管道液相流量的變化規(guī)律一致。

圖4 立管管徑對(duì)立管相關(guān)參數(shù)的影響

2.3 立管管徑的突變對(duì)立管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)的影響

設(shè)置管A和管B的直徑及入口處總流量，D＝DA＝DB＝0.06 m，Q＝QA＝QB＝0.001 m3/s，在立管高度h＝0～1 000 m和h＝1 000～2 000 m內(nèi)設(shè)置不同的管徑，研究了立管管徑的突變對(duì)相關(guān)參數(shù)的影響，結(jié)果如圖5所示。圖5中，0.24 m＋0.12 m表示立管高度h=0～1 000和h=1 000～2 000 m內(nèi)的管徑分別為D1＝0.24 m和D2＝0.12 m，以此類推。

圖5 立管管徑的突變對(duì)立管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)的影響

從圖5（a）可以看出，在給定的入口溫度（70℃）、出口壓力（1.5 MPa）、水平管段管徑（0.06 m）、入口處總流量（Q=0.001 m3/s）和含水率（10.00%）的條件下，當(dāng)立管管徑突變情況不同時(shí)，立管沿程液相流量的變化規(guī)律也不同：在層流范圍內(nèi)，立管沿程液相流量基本保持不變；在泡狀流范圍內(nèi)，立管沿程液相流量迅速減小；在段塞流范圍內(nèi)，立管沿程流量基本保持不變。從圖5（a）還可以看出，當(dāng)立管的最小管徑Dmin相同時(shí)，立管沿程液相流量分布基本相同；最小管徑越小，在泡狀流區(qū)域立管沿程液相流量下降也越快。

從圖5（b）可以看出，當(dāng)立管管徑突變情況不同時(shí)，立管沿程溫度分布也不同。當(dāng)最小管徑較小時(shí)（Dmin＝0.03 m），在流型轉(zhuǎn)變過(guò)程中立管沿程溫度變化不明顯；當(dāng)立管的最小管徑Dmin相同時(shí)，立管沿程溫度分布基本相同，并且最小管徑Dmin越小，在泡狀流區(qū)域沿程溫降越大。

從圖5（c）可以看出，立管的最小管徑Dmin越小，立管沿程壓降越大。

從圖5（d）可以看出，持液率與立管沿程液相流量變化規(guī)律呈很好的一致性。

3 結(jié) 論

（1）隨著水平管段入口處總流量Q的增大，立管沿程液相流量、持液率、立管沿程溫度分布規(guī)律在層流向泡狀流轉(zhuǎn)變前后明顯不同，而立管沿程壓力分布與立管管內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)。

（2）當(dāng)水平管段A的入口流量QA＝0.001 m3/s時(shí)，隨著水平管段B的入口流量QB的增大，立管管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)受水平管段總流量Q的影響，與其分支管段的流量無(wú)明顯關(guān)系。

（3）當(dāng)水平管段管徑D＝DA＝DB＝0.06 m時(shí)，在立管管徑DC為0.03 m、0.06～0.12 m和0.24 m的條件下，立管沿程液相流量、立管沿程溫度及立管沿程壓力分布的變化規(guī)律存在明顯的差異；與立管沿程壓力分布不同的是，立管沿程液相流量和立管沿程溫度分布受管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)的影響。

（4）當(dāng)水平管段管徑保持不變時(shí)，立管管內(nèi)流動(dòng)參數(shù)的變化主要與其最小管徑有關(guān)：在不同的立管管徑組合下，當(dāng)最小管徑相同時(shí)，其流動(dòng)參數(shù)均相同；最小管徑越小，相關(guān)參數(shù)的變化程度越大。