悬链型管道严重段塞流数值模拟研究

2 0 1 4年第 4 2卷第 6期 石 油机械 CHI NA P ET ROL EUM MACHI NERY 管道工程 悬链型 管道严重段塞流数值模 拟研 究 石 志 明 ( 江汉石油钻头股份有限公 司) 摘要：严重段塞流不仅会造成下游分流器溢流或者 断流现象，降低 油气井产量，而且会缩短 管道、管道接头和作业平 台的寿命。采用 A N S Y S F l u e n t 软件建 立 了严重段塞流数值计算模 型，并 通过该软件对全场的关键参数进行实时监控，采用软件中的 V O F方法计算 了气液相间界面相互作 用。建立模型时出口采用压力出口，壁面采用标准壁面函数 ，气液 两相界面构造选用几何重构方 法。分析结果表 明，严重段塞流立管底 部压力波动较 强烈，在很 短的时间内从 5 0 k P a降到 了3 5 k P a ，严重段塞流 的周期约为 3 6 4 S ；严重段塞流管道 出口平均流速在 0 5 3 3 0 2 2 5 m s 之 间变 化，出口质量流量在 1 0 8 9 0 0 0 0 6 k g s之间变化。 关键词 ：严重段塞流 ；悬链型管道 ；流动特征 ；平均流速；V O F方法 中图分类号：T E 9 7 3 文献标识码 ：A d o i ：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 4 5 7 8 2 0 1 4 0 6 0 2 8 Nu me r i c a l S i mu l a t i o n o f S e v e r e S l u g F l o w i n a Ca t e n a r y - S h a p e d P i p e S y s t e m S h i Zh i mi n g ( K i n g d r e a m P u b l i c L i mi t e d C o m p a n y ) Abs t r a c t ： S e v e r e s l u g fl o w c o u l d n o t o nl y c a u s e flo o di ng o r c ut o u t i n do wn s t r e a m d i v e r t e r whi c h c o u l d r e s u l t i n a r e d u c t i o n i n w e l l p r o d u c t i o n ，b u t a l s o s h o r t e n t h e l i f e o f p i p e s ，p i p e j o i n t s a n d p l a t f o r m s A n u me ri c a l m o d e l o f s e v e r e s l u g fl o w i n a c a t e n a r y s ha p e d pi p e s y s t e m i s e s t a b l i s h e d b y us i ng ANS YS Fl u e n t s o f t wa r e， a n d r e al t i me mo n i t o rin g o f t h e k e y p a r a me t e r s o f t h e e n t i r e flo w i s c o nd u c t e d t h r o ug h t h e e s t a b l i s h e d mo d e 1 T he i n t e r f a c e i n t e r a c t i o n o f g a s a n d l i q u i d i s c a l c u l a t e d b y t h e V OF me t h o d i n ANS YS F l u e n t s o f t wa r e I n t h e mo d e l ，t h e p r e s s u r e o u t l e t f o r t h e p i pe o u t l e t ， t h e s t a nd a r d wall f u nc t i o n for t h e pi pe wall a n d t h e g e o me t r y r e c o n s t r u c t i o n me t h o d for t he g a s l i q u i d p h a s e i n t e r f a c e s t ruc t u r e a r e a d o p t e d T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e b o t t o m p r e s s u r e o f t h e s t a n d p i p e fl u c t u a t e s i n t e n s e l y d u rin g t h e s e v e r e s l ug f l o w wi t h a d r o p f r o m 5 0 k Pa t o 3 5 k P a i n a v e ry s ho rt p e rio d o f t i me S e v e r e s l u g flo w c y c l e i s a bo u t 3 6 4 S At t h e p i p e o u t l e t ， t he a v e r a g e v e l o c i t y v a r i e s b e t we e n 0 53 30 2 2 5 ms a n d t h e ma s s flo w r a t e v a r i e s b e t we e n 1 0 8 9 0 0 00 6 k g s Ke y wo r d s： s e v e r e s l ug fl o w； c a t e n a ry s h a p e d p i p e；flo w c h a r a c t e ris t i c s； a v e r a g e v e l o c i t y； VOF me t h o d 0 引 言 严重段塞流又称为强烈段塞流，是在海洋油气 开采过程中，由于管道结构布置形式变化而在立管 中产生的一种流形 ，其主要特点是管道压力剧烈波 动 ，管道出口气 液相流量随时 间变化很大。因此 ， 该流形不仅会造成下游分离器溢流或者断流现象 ， 降低油气井产量 ，而且会缩短管道 、管道接头和作 业平台的寿命。段塞流现象 自1 9 7 3年 由 Y o c u m提 出以 后 ，引 起 了 国 内 外 学 者 的 广 泛 关 注。 S c h mi d t _ 2 对段塞 流现象 的产 生机理 进行 了研究 ， 并提 出 了 一 种 预 测 严 重 段 塞 流 的 动 态 模 型。 S Mo k h a t a b _ 3 对悬链型管道 中的严重段塞流进行 了 理论和试验研究 ，并应用 O L G A软件进行了数值模 拟 ，得出 O L G A软件不能很好地预测严重段塞流现 象的结论。国内对严重段塞流的研究相对较晚 ，主 要 有 马 华 伟 _ 4 J 、何 利 民 J 、王 鑫“I 9 J 、李 晓 平 、高嵩_ 1 等对严重段塞流进行的试验和理论 研究 。模型试验很难完整地对管道 内的流动特征进 2 0 1 4年 第 4 2卷第 6期 石志 明：悬链 型管道严重段塞流数值模拟研 究 现规则 的周期性 ，分为 4个阶段 ：液塞形成 、液塞 流 出、液气 喷发和液体 回流 ，笔者通过数值模 拟得出了同样的结论。在下倾管 中气液两相为分层 流，没有发生混杂现象 ，当液体到达立管底部 时， 液体开始聚集，并堵塞气体进入立管，随着液体的 聚集 ，立管 中液体 高度不 断上升 ，如 图 3 a所示 。 随着液体不断流入 ，立管 中的液体 高度继续上升 ， 到达立 管顶部后 ，液体开始 流出 ，如 图 3 b所示 。 液体流 出过程中，气体在倾斜管中不断聚集 ，体积 和压力都不断增大 ，当压力增大到大于立管液柱高 度产生 的静压力时 ，气体推动液体快速流 出管道 ， 同时气体也会跟随液体进入立管 ，并在立管中逐渐 形成分散的气泡 ，立管底部的压力开始降低 ，液体 流量瞬间也会达到峰值 ，如 图 3 c所示。在液体 回 流阶段 ，随着立管中气液相不断流出，气体压力降 低流速减小 ，当气体流速不足以支持管壁上的液膜 后 ，立管中的液体停止流出，管壁 中的液体在重力 作用下 流 回立管底部 ，重新聚集 ，如 图 3 d所示。 不管在哪个 阶段 ，倾斜管 中的气 液两相 都为分层 流。管 中黑色为水 ，白色为空气。 a 液塞 形成 b 液 塞流 出 c 液 气 喷发d 液体 回流 图 3不 同阶段严 重段 塞流示意 图 F i g 3 S c h e ma t i c d i a g r a m o f s e v e r e s l u g fl o wi n d i f f e r e n t s t a g e s 2 2 立管底部压力变化特性模拟分析 在气液两相整个流动过程中，立管底部压力最 大 ，波动也最剧烈 ，因此在数值计算过程中，只监 测 了立管底部的压力 ，其压力随时间的变化曲线如 图 4所示。在液塞形成过程中，立管底部压力直线 上升。液塞流出阶段 ，由于液塞高度不变，立管底 部压力几乎不变 ，但有较小波动。在液气喷发过程 中，由于立管中分散着小气泡，同时气泡不断增大 和增多 ，所 以液气喷发过程中，立管底部压力逐渐 减小 ，在很短 的时 间 内从 5 0 k P a减 小 到 3 5 k P a ， 压力变化较大。从图还可 以看 出，周期约为 3 6 4 S ， 液气喷发时间约 7 S ，进而可以得 出在液气喷发 阶 段会造成管道剧烈振动。 图 4立 管 底 鄙 压 力 随 时 间 的 变化 曲线 F i g 4 B o t t o m p r e s s u r e o f s t a n d p i p e V S t i me 2 3 管道出口平均速度和质量流量变化特性分析 在整个严重段塞流周期中，管道速度和出口流 量随时间变化很大 ，图 5为管道 出口平均速度随时 问的变化曲线。 ， 吕 越 彝 液 0 2 0 流 出 1 O 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 时 间 s 图 5 管道 出口平均速度随 时间的变化 曲线 F i g 5 Th e a v e r a g e ve l o c i t y a t p i p e o u t l e t VS t i me 液塞形成阶段 ，管道 出口并没有液体流出 ，液 塞上升推动其上方的气体流出，因此该速度为液塞 上升速度 ，约为 0 2 2 5 m s 。液塞头部开始流 出管 道后 ，出 口处平均流速开始直线增大 ，当达到一定 数值后 ，出口平均速度开始有较大波动 ，最大平均 流速为 0 5 3 3 m s 。在液气 喷发 阶段 ，流速 降低 ， 石 油机械 2 0 1 4年第 4 2卷第6期 并出现速度波动。在液体 回流阶段 ，平均出 口流速 急剧变化 ，在很短时间内降到 0 2 2 5 m s 。 图6为管道出口质量流量随时间的变化 曲线。 由图可知 ，在液塞形成阶段管道 出口主要是被液塞 顶出的气体 ，出口质量 流量较小 ，为 0 0 0 6 k g s 。 在液塞头部开始流出管道后 ，出口质量流量开始直 线上升 ，并达到一定值后开始波动。这种波动一方 面是由于液塞速度波动而引起 ，另一方面可能是由 于管道出口水平管中的液体重力作用而引起 ，出口 质量流量最大值约为 1 0 8 9 0 k g s 。液气喷发阶段 ， 由于液体夹杂着小气泡 ，管道 出口质量流量开始减 小 ，并出现较小波动。在液体 回流阶段 ，质量流量 开始急剧减小，与管道出 口速度变化规律相似 。从 计算结果可以看出，出口质量流量 比出口平均速度 变化剧烈，这是因为在液塞形成阶段和液塞回流阶 段主要是气体流出，而气体密度较小 ，因此质量流 量变化 比出口平均速度变化剧烈。 ， 。0 删 媲 删 略 | l - 潜 j _ H 寸 图 6 管道 出口质量流量随时间的变化曲线 F i g 6 The ma s s flo w r a t e a t p i pe o u t l e t VS t i me 3 结 论 ( 1 )通过数值模拟计算，获得了气液两相严 重段塞流立管底部压力的变化特性 ，压力波动较强 烈 ，在很短的时间内压力从 5 0 k P a降到了 3 5 k P a ， 严重段塞流的周期约为 3 6 4 S 。 ( 2 )通过数值计算分析，获得了严重段塞流 管道出口平均速度和质量流量的变化特性 ，出 口平 均速度在 0 5 3 30 2 2 5 m s 之 间变化 ，出 口质量 流量在 1 0 8 9 0 0 0 0 6 k g s 之 间变化。 ( 3 )计算获得 的关键参数 ( 压力 、速度 和质 量流量 )变化规律与文献 7中的结论较接近 ， 但数值大小有一定出入 ，这可能是三维模型简化为 二维模型引起 的。 参考文献 1 Y o e u m B T O f f s h o r e ri s e r s l u g fl o w a v o i d a n c e ：Ma t h e m a t i e a l m o d e l s f o r d e s i g n a n d o p t i mi z a t i o n c Pr e s e n t e d a t S PE Eur o p e a n Me e t i n g， Lo n d o n， April ， 1 9 7 3 2 S c h mi d t Z E x p e r i m e n t a l s t u d y o f t w o p h a s e s l u g fl o w i n a p i p e l i n e ri s e r p i p e s y s t e m D T u l s a ：U n i v e r s i t y o f Tu l s a， 1 9 7 7 3 Mo k h a t a b S S e v e r e s l u g g i n g i n a c a t e n a r y s h a p e d ri s e r ： E x p e ri m e n t a l a n d s i m u l a t i o n s t u d i e s J P e t r o l e u m S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，2 0 0 7 ，2 5 ( 6 ) ：7 1 9 7 4 0 4 马华伟，何利民，罗小明严重段塞流压力波动特 性试验 J 中 国 石 油大 学学 报 ：自然 科 学 版 ， 2 0 0 8 ，3 2 ( 1 ) ：9 5 9 9 ，1 0 4 5 马华伟，何利民，罗小明，等，下倾一 立管系统中严 重段塞流现象的周期特性 J 工程热物理学报， 2 0 0 8 ，2 9