（油气储运工程专业论文）强烈段塞流消除与控制技术研究.pdf

t h ee l i m i n a t i o nm e t h o d sa n dc o n t r o l t e c h n o l o g y o fs ub s e as e v e r es l u g g i n g at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：n i ud i a n g u o s u p e r v i s o r ：p r o f h el i m i n a p r o f l vy u l i n g c o l l e g eo fs t o r a g e & t r a n s p o r t a t i o na n da r c h i t e c t u r a le n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：日期：山口年4 月入日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：坳年年月如日 日期：劬年孕月如日 摘要 在当前海洋油气集输系统中，油气混合物需通过一段下倾管立管输送至中心处理平 台，在较低的气液流速下，该管段中极易出现强烈段塞流。这种流型给集输系统的设计 和生产带来许多问题。本文研究了强烈段塞流的流动特征、控制策略及消除方法。 针对不同压力波动形式来区分不同的强烈段塞流流型。过渡流型强烈段塞流没有液 塞流出阶段，液塞到达立管顶部就直接产生喷发，而典型强烈段塞流满足强烈段塞流喷 发的四个阶段。强烈段塞流压力波动幅度与循环中的最小压力值密切相关，二者是此消 彼长的关系。强烈段塞流液塞喷发阶段速度可以达到入口流速的2 3 3 5 倍之间。强烈段 塞流喷发过程中，立管中部测压点压力波动曲线在喷发时刻产生突然的急剧上升，然后 迅速下降。压力突然增高尖端的形成必须具备两个条件，一是气体累积空间足够大；二 是测压点在液体进入立管达到很高的喷发速度前，液塞尾部仍然没有通过测压点。 建立了分离器液体阀门开度随强烈段塞流液塞喷发而变化的定量的关系描述。指出 分离器所需体积与阀门流通性质及调节有很大关系，选择合理的阀门可以有效的减小分 离器的体积，并给出了阀门选择模型。给出了一个利用传统的控制策略进行气液分离器 液位和压力控制的动态模型。该动态模型对于气液分离器在段塞流条件下的运行尤为重 要。同时对动态模型的系统稳定性详细进行了分析。分析表明系统的稳定性可以通过合 理的控制器和控制阀的设计来实现。对于任意流速条件下的气相出口控制阀都可以完成 气液分离器压力的控制。基于提出的线性控制系统模型，实现了一个简单的控制系统设 计，并且利用合适的软件对系统的瞬变响应进行了模拟。最终给出了利用专用模拟器设 计的气液分离器控制系统实施的设计框架。 提出自控泵吸消除强烈段塞流的方法。这种方法能完全消除低气液速度下的强烈段 塞流，能使强烈段塞流发生的气液范围减小。泵吸法不仅可以减小压力的波动，而且可 以降低较小气液速度下管路系统的压力，使得井口的背压下降，从而提高采收率，在尽 量短的时间内采出尽量多的油气，提高了效率，降低了开采成本。泵的自吸效果越好消 除的效率越高。提出现场可以采用立管安装潜水泵的方法。 关键词：强烈段塞流，海洋立管，消除方法，控制策略，流动特性 t h ee l i m i n a t i o nm e t h o d sa n dc o n t r o lt e c h n o l o g y o fs ub s e as e v e r es l u g g i n g n i u d i a n g u o ( s t o r a g e & t r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n go fo i la n dg a s ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rh el i m i n & l u ox i a o m i n g a b s t r a c t d u r i n gt h ep r o c e s so ft h eo f f s h o r eo i la n dg a se x p l o r a t i o n ，i n c l i n e dp i p e l i n e r i s e rs y s t e m i sn e e d e dt ot r a n s p o r tt h em i x e ro fo i la n dg a st ot h ec e n t e rp r o c e s s i n gp l a t f o r m t h es e v e r e s l u g g i n gw i l la p p e a ra tt h el o ws p e e do fo i la n dg a sv e l o c i t y t h i sf l o wp a r e mw i l ll e a dt oa l 优o fp r o b l e m st ot h ed e s i g no ft h eg a t h e r i n gs y s t e ma n dp r o d u c t i o n t h i sp a p e rd i dt h e r e s e a r c ho ft h ec h a r a c t e r i s t i c s ，c o n t r o ls t r a t e g ya n de l i m i n a t i o nm e t h o d so fs e v e r es l u g g i n g p r o p o s ean e wm e t h o dt od i s t i n g u i s ht h ef l o wp a t t e r n so fs e v e r es l u g g i n gu s i n gt h e d i f f e r e n c eo ft h ep r e s s u r ef l u c t u a t i o nc u r v e t h et y p i c a ls e v e r es l u g g i n gi n c l u d e sf o u rp h a s e s ， b u tt h ei n o r d i n a t es e v e r es l u g g i n gw i l lb l o wo u ta ss o o na st h es l u gr e a c h i n gt h et o po ft h e r i s e rw i t h o u tt h ep h a s eo fs l u gf l o w i n go u t t h ea m p l i t u d eo ft h ep r e s s u r ef l u c t u a t i o ni s r e l a t e dt ot h em i n i m a lp r e s s u r e ，o n ee l i m i n a t e sa n dt h eo t h e rr e p l a c e si t t h eb l o w o u t v e l o c i t yo fs e v e r es l u g g i n gc o u l dr e a c h2 3 - 3 5t i m e so ft h ei n l e tv e l o c i t y d u r i n gt h eb l o w i n g o u to ft h es l u g ，t h ep r e s s u r ec h iv eo ft h em i d d l eo ft h er i s e rw i l ls h a r p l yr i s eu p ，t h e nr a p i d l y d r o pd o w n t h e r ea r et w on e c e s s a r yc o n d i t i o n sf o rt h i sp h e n o m e n o n ，o n ei st h a tt h e r em u s tb e p l e n t ys p a c ef o rt h eg a sa c c u m u l a t i o n ；t h eo t h e ri st h a tt h es l u gh a sr e a c h e dah i g hs p e e d ，b u t t h et a i lo ft h es l u gd o e sn o tp a s st h ep r e s s u r et a p e s t a b l i s haq u a n t i t a t i v ed e s c r i p t i o nb e t w e e nt h eo p e n i n go ft h ev a l v ea n dt h ep r o c e s so f s e v e r es l u g g i n g i n d i c a t et h a tt h ev o l u m eo ft h es e p a r a t o ri sr e l a t e dt ot h ep r o p e r t ya n dt h e a d j u s t m e n to ft h ev a l v e i ti sv e r ye f f e c t i v et os e l e c tt h ea p p r o p r i a t ev a l v et od e c r e a s et h e s e p a r a t o rv o l u m e p r o v i d eam o d e lo ft h ev a l v es e l e c t i n g ad y n a m i cm o d e lf o rc o n t r o lo f s e p a r a t o rl i q u i dl e v e la n dp r e s s u r eu s i n gc l a s s i c a lc o n t r o lt e c h n i q u e si sd e v e l o p e di nt h i sp a p e r t h i sm o d e li sv e r yn e c e s s a r yf o rt h eo p e r a t i o nu n d e rs e v e r e s l u g g i n gc o n d i t i o n s d e t a i l e d a n a l y s i so ft h ed y n a m i cm o d e ls h o w e dt h a tt h es y s t e ms t a b i l i t ya n dt r a n s i e n tr e s p o n s ec o u l d b ee n s u r e db ya p p r o p r i a t e l yd e s i g n i n gt h ec o n t r o l l e ra n dc o n t r o lv a l v ec h a r a c t e r i s t i c s a c o n t r o lv a l v ei nt h eg a so u t l e tf o ra n yi n f l o wc o n d i t i o nc o u l da c h i e v es e p a r a t o rp r e s s u r e c o n t r 0 1 b a s e do nt h ep r o p o s e dl i n e a rc o n t r o ls y s t e mm o d e l ，as a m p l ec o n t r o ls y s t e md e s i g ni s d e v e l o p e da n dt h es y s t e mt r a n s i e n tr e s p o n s ei ss i m u l a t e du s i n gs u i t a b l es o f t w a r e f i n a l l ya d e s i g nf r a m e w o r kf o ri m p l e m e n t a t i o no fs e p a r a t o rc o n t r o l s y s t e mu s i n gas i m u l a t o ri s p r e s e n t e d a u t o - p u m p i n gm e t h o dw a sp r o p o s e dt oe l i m i n a t es e v e r es l u g g i n g s e v e r es l u g g i n gc o u l d b ee l i m i n a t e dv i r t u a l l yb yt h en e w m e t h o d ，a n dt h er a n g eb e c o m e ss m a l l e r t h i sm e t h o dc o u l d n o to n l yr e d u c et h e f l u c t u a t i o no fp r e s s u r e ，b u ta l s od e c r e a s et h ep r e s s u r eo ft h ep i p e l i n e s y s t e ma tl o ws p e e d ，s ot h ep r e s s u r eo ft h ew e l lh e a dw i l ld e c r e a s e dt o o t h i sw i l ll e a dt ot h e r e s u l tt h a ti n c r e a s i n gt h ee f f i c i e n c ya n dp r o d u c tm o r eo i la n dg a si nas h o r t e s tt i m e t h e s e l f - p r i m i n go ft h ep u m pw i l lg r e a t l yi n f l u e n c et h ee f f i c i e n c yo ft h em e t h o d p r o p o s et h a tt h e s u b m e r s i b l ep u m pc o u l db eu s e di nt h eo i l f i e l d k e yw o r d s ：s e v e r es l u g g i n g ，r i s e r , e l i m i n a t i o nm e t h o d ，c o n t r o l s t r a t e g y , f l o w c h a r a c t e r i s t i c 1 1 l 目录 第1 章引言1 1 1 研究背景及意义1 1 2 国内外研究现状分析1 1 2 1 强烈段塞流的发生和预测1 1 2 2 强烈段塞流的流动特征2 1 2 3 强烈段塞流的消除3 1 3 本文的主要研究目的和研究内容5 第2 章实验系统与数据处理方法7 2 1 实验流程与主要设备7 2 2 测量装置9 2 2 1 孔板流量计9 2 2 2 压力变送器9 2 2 3 电导探针9 2 3 数据采集9 2 3 1 数据采集系统9 2 3 2l a b v i e w 处理软件与界面1 0 第3 章强烈段塞流特征分析1 1 3 1 强烈段塞流的定义及流型1 l 3 1 1 强烈段塞流的定义1 1 3 1 2 强烈段塞流的流型分类1 1 3 2 强烈段塞流的判别准则l1 3 2 1 强烈段塞流判别准则的建立1 1 3 2 2 强烈段塞流流型图18 3 2 强烈段塞流流动特征分析2 2 3 2 1 强烈段塞流周期特征分析2 2 3 2 2 强烈段塞流压力特征分析3 0 3 2 3 强烈段塞流喷发速度特征分析一3 8 3 2 4 强烈段塞流液塞长度特征分析一4 0 v 3 3 水平管对强烈段塞流的影响4 2 3 3 1 立管中部压力突增分析4 3 3 3 2 下倾管底部压力偏大分析4 6 3 4 本章小结4 8 第4 章强烈段塞流控制策略研究5 0 4 1 控制策略研究意义5 0 4 2 控制策略研究目的5 0 4 3 阀门相关参数介绍5 0 4 3 1 阀门的流量系数。5 0 4 3 2 阀门的流阻系数一5 2 4 4 控制策略研究方法5 2 4 5 控制效果评价5 9 4 6 控制模型的建立6 0 4 7 气液分离器的仿真模拟6 1 4 7 1 分离器控制系统简介一6 l 4 7 2 数学模型的建立6 3 4 7 3 系统稳定性分析7 1 4 7 4 控制系统设计和瞬变响应模拟一7 5 4 8 本章小结7 9 第5 章消除方法研究8 0 5 1 背压对强烈段塞流喷发的影响8 0 5 1 1 背压对压力波动的影响8 0 5 1 2 背压对液塞喷发速度的影响一8 l 5 2 消除新方法一自控泵吸法8 1 5 2 1 自控泵吸法原理及试验一8 1 5 2 2 结果分析8 2 5 3 本章小结8 5 结 仑8 6 参考文献8 8 致谢9 1 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章引言 对海洋油气的开采，需要利用立管将海底的混输管线与海上中心处理平台进行连 接。在较低的气液流速下，集输管线和立管线系统中会出现特殊有害流型，称为强烈段 塞流。这种流型给集输系统的设计和生产带来许多问题。 首先，强烈段塞流急剧增大了管路压降，导致井口回压增大，降低油气井产量；其 次，由于管线出口处气、液交替流出，会造成下游分离器溢流或断流；再次，压力的剧 烈波动会加剧管壁腐蚀，尤其是加剧立管的腐蚀；而且压力的剧烈波动会引起管道的震 动，造成管线接头和支柱的机械损害，对作业平台的结构强度、安全性和稳定性造成危 害；压力的波动还会使处理平台上的增压设备发生气蚀。此外，立管中气体在喷发过程 中会产生焦耳一汤姆逊温降效应，使混输流体温度降低，导致管壁结蜡和水合物的形成， 从而阻塞管道。 随着我国陆上主力油田进入开发末期，海洋石油开发将成为未来我国石油工业的主 要增长点。因此，深入系统地研究强烈段塞流的发生机理和流动特征，探索消除强烈段 塞流的可行方法，是我国海洋油气工业走向深水油田开发过程中急需解决的关键问题。 综上所述，研究强烈段塞流的压力波动特点、流动特征参数的变化规律及强烈段塞 流的消除方法，对于优化海底油气混输工艺、保障油气输送管道和油气处理设备的安全 运行都具有十分重要的意义。 1 2 国内外研究现状分析 随着现代开采技术的进步，深水地区的钻井、采油和运输被认为是一个新领域。对 深水地区的开采，从油藏管理到流动保障，提出了一系列新的挑战。这些挑战，包括结 蜡、水合物形成、多相混输及多相分离，已经从2 0 世纪8 0 年代末期开始进行研究。 1 2 1 强烈段塞流的发生和预测 y o c u m i l j 在1 9 7 3 年首次报道了强烈段塞流现象，但没有给出强烈段塞流的概念。并 且发现由于回压波动造成的强烈段塞流将使得流通能力下降5 0 。但是y o c u m 没有对 这种流动现象的发生机理做进一步研究。基于当时已经得出的段塞流的水动力学模型， 第1 章引言 提出了一个预测强烈段塞流的方法。 s c l l l l l i d t 【2 删认为y o c u m 在1 9 7 3 年给出的段塞流与水动力学段塞流不同，并且 s c h m i d t 称具有这种特征的段塞流为强烈段塞流。强烈段塞流通常发生在油田生产的末 期流量较低时，由于地形起伏及其它因素的影响，从而形成强烈段塞流。通常，液塞长 度能达到一个或几个立管高度。 f a r g h a l y 4 1 给出了类似的强烈段塞流判别准则。b o e 【5 1 认为当强烈段塞流发生时，在 立管内由于液体积聚造成的压力上升速度必须大于集输管线中因上游输入气体造成的 压力上升速度，这两个压力上升速度之比即为发生强烈段塞流现象的准则。 p o t s 6 】等人给出了强烈段塞流的详细研究。他们提出了一个类似于b o e 准则来预测 强烈段塞流的发生区域。并且认为下倾管内的分层流动并不是形成强烈段塞流的必要条 件。认为相间分离与液体带动的动量是主要的因素。作者还认为流体粘度对强烈段塞流 的产生没有影响，但是会影响液塞喷发的速度。 t a i t e l 7 j 研究了稳定条件下立管内的流动。指出当气体的膨胀力低于立管中液塞的静 压力时，管线内流动稳定。 t a i t e l 采用上述准则与b o e 准则相结合来预测强烈段塞流区域。指出单独使用b o e 准则会过大地预测强烈段塞流的区域。而v i e r k a l l d t 【8 】研究表明在t a i t e l 稳定性准则所预 测的稳定流动界线上仍有强烈段塞流产生。 王鑫【9 】研究了多种倾斜角度下强烈段塞流的发生规律和流型图，并发现立管前的下 倾管水平时仍会出现强烈段塞流。王鑫【1 0 】通过实验发现在气体喷出阶段会造成水平管及 下倾管内出现快速运动的起塞现象。通过对空气一水一白油三相流的实验研究，发现强 烈段塞流发生过程中管道出口不但会发生气液间歇流动，而且会发生油水间歇流动。 马华伟【l l 】发现气速诱导液塞会对立管底部产生很大的冲击，同时会对强烈段塞流现 象的周期特征产生影响。 1 2 2 强烈段塞流的流动特征 多数研究者认同典型的强烈段塞流呈周期性运动，一个周期可分为四个阶段【3 3 】【3 4 】： 液塞形成、液塞增长、液塞喷发和气体喷出。 s c h m i d t 等【1 2 1 在内径为2 英寸，水平段长1 0 0 英尺，立管段高5 0 英尺的水平一立管 组合管道上得出了液塞长度、液塞形成时间、立管中液体回流长度、回流时间等强烈段 塞流的特征参数。何利民【1 3 1 提出了利用压力信号测量强烈段塞流特征参数的方法，罗小 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 明利用此方法对其进行了特征参数的研究。赵越超【1 5 】【1 6 1 对入口气液相流量稳定及气 液相流量瞬变过程中强烈段塞流的压力及持液率波动特征进行了分析。马华伟【1 刀对单个 液塞经过测试点时的压力信号进行了分析，给出了压力波动曲线上的特征点与液塞相对 于测试点位置之间的对应关系。 f a b r e t l 8 】【3 5 1 等人在内径为2 英寸的立管系统上，采用立管根部气举法，模拟了管内 的瞬变流动，提出了一个瞬变模型。 刘淼儿等1 9 1 从一维瞬态流体力学方程出发，建立了一个简化的、准平衡态的强烈段 塞流数学模型，该模型可对段塞长度、段塞周期、流动速度和压力等特征参数的变化进 行模拟。王鑫【2 0 1 提出了采用漂移流模型来简化计算模型，可以预测出气体膨胀流动过程、 周期、液塞长度和下倾管中液柱最大长度等参数。 t i n 2 1 1 1 2 2 1 对s 型立管内的气液流动进行了实验及模拟研究，结果表明在立管的最后 一段上倾管前的下倾管段内积聚的气体对强烈段塞流的流动特征具有重要影响。 对强烈段塞流的流动特征参数，如液塞运动速度、循环周期等的研究，分析管线布 置方式及参数对流动特征的影响，不仅有助于充分认识强烈段塞流的流动特征，而且对 探讨控制及消除强烈段塞流具有重要的指导意义。 1 2 3 强烈段塞流的消除 消除强烈段塞流的目的是使立管底部出现的新液塞在增长至顶部之前就被减小或 消除。从强烈段塞流的形成机理进行分析，可以得出多种消除方法。归纳起来，主要有 三种途径：其一是减少立管中的液体所占的比例，从而降低液体的静压力，如气举法和 泡沫法；其二是增大立管上游管道中气体的压力，如节流法和增加背压法；其三是改变 进入立管底部流体的流型，消除出现强烈段塞流的必要条件，如扰动法。 1 、增加回压法 y o c u m i l l 最早指出提高回压可以控制强烈段塞流。但是，由于回压的增加，降低了 管线的流通能力，尤其对于深水管线而言，增加回压的方法对生产甚为不利。 2 、节流法 y o c u m l l l 认为节流也会造成产量的严重降低。与y o c u m 观点不同，s c h m i d t 2 j 【3 1 等人 注意到可以通过立管顶部的节流消除或者减弱管道立管系统内的强烈段塞流。 t a i t e l t 7 】【3 6 1 根据强烈段塞流动发生条件的理论分析，对节流方法实现流动稳定的条件 3 第1 章引言 进行了研究，对s c l l i l l i d t 【2 胴报道的节流成功稳定流动的理论进行了解释。 3 、气举法 气举( r b g l ) 1 3 7 1 是一种常见的消除方法。s c h m i d t 表明强烈段塞流的消除可以通 过气体注入来实现，但是利用压缩机压缩气体注入及输送气体到立管基部的管道造价很 高，经济可行性太差。 p o t s 等人 6 1 研究了气体注入作为消除强烈段塞流的方法。他们得出当立管气体注入 量为入口气体流量的5 0 时，将极大的削弱强烈段塞流发生的剧烈程度。但是即使注入 气体速度大于3 0 0 的入口气体流速，也不能完全消除强烈段塞流。h e l l r i o t 【2 3 】研究了气 举的两种方式：一是在立管基部安装进气喷嘴；二是在下倾管尾部注入气体。 4 、气举与节流相结合 j a l l s e n 【2 4 1 通过试验认真分析了控制强烈段塞流的不同方法。通过试验，j a n s e n 指出： 需要很高的回压才能够控制段塞；节流法需要稳定的气流，但是容易引起最小回压增加； 采用气举需要大量的气体注入才能够稳定气体流动；g l c c 3 8 】是最有效的方案。通过修 正t a i t e l t 2 5 1 等人的控制模型，j a l l s e n 【2 6 1 给出了一种判断流动的稳定性准则。虽然g l c c 降低了气体的注入量，降低了额外摩阻压降和j o u l e t h o m p s o n 效应，但同时增加了必要 的气举设备开支。 5 、自气举法 b a r b u t o t 2 7 】【3 明提出了一个不同的消除强烈段塞流的方法。下倾管和立管通过支管路连 接，将下倾管内的气体传到立管预先测定的位置。这个位置位于1 3 的立管高度处。主 要目的是保持管道压力可控。 w y l l i e 和b r a c k e n r i d g e 2 8 1 1 4 0 1 提出了一个改进的方案来减小强烈段塞流的影响。他们 的方案需要一个小管径管道插入立管，因此产生了一个环状空间被用来进行气体注入。 此方法对节流的限制可能会导致一些运行问题，例如清管。 6 、泵控制法 1 9 9 7 年，j o h a l 等人【2 9 1 提出安装多相泵消除强烈段塞流。泵的安装位置有两种：其 一是安装在分离器前的水平管段上，用泵来吸立管中的液体，以免液体在立管底低洼处 积聚；其二是安装在立管底部低洼处，用泵来举升液体，加速液体在立管中的流动，避 免了液体在低洼处积聚。这两种方法中，后者效果较好，但是后者不如前者安装方便。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 7 、气液分离 k a a s a l 3 0 】提出了增加一个立管，连接下倾管到平台来消除强烈段塞流。增加的立管 安装在能够使得所有气体都能被输送到平台上的位置，并且原来的立管只用来输送液 体。这种方法的两个缺点是：原来的立管几乎完全充满液体，对系统产生了很高的背压； 另外增加的立管会使建造成本提高。 8 、泡沫法 h a s s a n e i n & f a i r h u r s t 3 1 1 提出了增加泡沫控制强烈段塞流的方案。但选用适合的泡沫 剂及其如何成功形成泡沫是两个难题。 9 、扰动法 a l m e i d a 和g o n c a l v e s l 3 2 1 提出在立管基部入e 1 处利用文丘里管来消除强烈段塞流。文 丘里设备可以加速液体在靠近立管基部处的流动。该方法的原理是通过扰动改变产生强 烈段塞流的必要流型条件，但形成的新流型是不稳定的，经过一段距离又要变回分层流。 尽管关于海底管线强烈段塞流预测和控制方法很多，但是多数方法值得进一步进行 试验和现场生产的验证。从工程实践上看，已经有了一些行之有效的检测与控制段塞流 的方法，可以预期这些方法将在海洋油气田开发中得到更加广泛的应用。但是每种消除 方法都有其自身的缺点，需要研究和创新更加简单和行之有效的方法。 1 3 本文的主要研究目的和研究内容 目前对强烈段塞流的产生机理、流动特征和消除方法等已有一定的研究，但缺乏对 强烈段塞流加速喷发瞬态特征深入的研究，而强烈段塞流加速喷发会导致气液相流量及 冲击力急剧增加，导致整个系统的流动综合效应。本课题拟对强烈段塞流加速喷发的参 数及流动综合效应开展研究，将对提高强烈段塞流的本质认识具有重要的学术价值。 对于海上油气生产平台的设计安装，水下建造和维护运行成本远远大于平台上的安 装运行。虽然气举、自气举、扰动法及海底泵送方法可以有效的消除强烈段塞流，但是， 这些方法基本上都是水下安装作业，尤其随着开采深度的增加，使其变的更加困难。因 此有必要对平台上的分离器控制方案进行研究并且寻找新的强烈段塞流的消除方法，从 而达到对强烈段塞流进行合理处理，使系统稳定运行的目的。 结合前人的研究基础，考虑海洋油气工业发展的需要和促进多相流理论研究体系发 展完善的目的，在大型多相流实验环路装置上对海洋集输下倾管一立管系统强烈段塞流 第1 章引言 进行广泛深入的实验研究，具体开展了如下研究工作： l 、强烈段塞流流动特征 研究了模拟下倾管一立管系统强烈段塞流的持液率、压力和压差的波动特征，以及 周期性、液塞喷发速度和液塞长度的规律性。实验中分别应用环形电导探针、双平行探 针、高精度压力传感器、液位计和流量计测得了不同气液相流速下持液率、压力、压差 的波动特征，并得到了液塞喷发周期、喷发速度及液塞长度。通过统计分析数据，从更 深层次揭示强烈段塞流的流动特征。 2 、分离器控制策略 由于油气开采平台的空间小，因此在平台设计阶段应尽量减小设备体积。集输系统 的重要设备之一为气液分离器，其体积的设计尤为重要。分离器体积主要根据油气产量 及强烈段塞流产生的液塞的大小、流速及气液排除速度进行设计，既要保证气体不能通 过排液阀，又要确保分离器不会满液从气体出口溢出。但随着开采深度的增加，立管的 长度变长，液塞体积也随之增大，造成分离器体积增加。本课题就是要寻找液体流出阀 门的控制与分离器体积的联系，找出阀门开度与液位波动的关系，通过对阀门的调节减 小分离器的体积。建立控制系统的模型，通过模拟软件对分离器控制系统进行模拟。 3 、消除方法 对原有消除方法一增加背压法进行实验，分析评价消除效果。提出新的消除方法一 自控泵吸法来消除强烈段塞流。安装离心泵、止回阀电动球阀和套管等设施，通过对离 心泵的控制，实现强烈段塞流的消除，并与原有的消除方法进行优劣比较。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第2 章实验系统与数据处理方法 本课题的实验工作是研究下倾管一立管组合系统中强烈段塞流现象，利用压力、压 差、探针等多种手段测量其流动特征。实验在青岛校区多相流试验平台系统上进行，该 系统具有先进的测量设备，可对多种测试管段开展系统深入的研究。研究内容得到国家 8 6 3 计划与国家自然基金的资助。 2 1 实验流程与主要设备 图2 - 1 无水平管强烈段塞流环道系统 f i g2 - 1n o - h o r i z o n t a lp i p ee x p e r i m e n t a ll o o p 试验装置由水箱、离心泵、压缩机、气体孔板流量计、液体质量流量计、气液混合 器、试验管段和气液分离器组成。试验系统由气、水两相供应与计量系统、两相混合器、 试验管段和消除控制系统组成。水路供应与计量系统包括：水罐、离心水泵、m i c r o m o t i o n 质量流量计和s w a g e l o k 调节阀。气路供应与计量系统包括：a t l a s c o p c o 螺杆压缩机、 气体缓冲罐、y o k o g a w a 微小孔板流量计、y o k o g a w a 涡街流量计和s w a g e l o k 精密调节 阀。试验测试管路采用内径为5 1 m m 的透明有机玻璃管，由长2 6 1 m 的下倾管段( 4 0 ) 、 7 7 m 的垂直上升管段、返回分离器的水平管段三段管路组成，便于观测和摄像，模拟海 上油气混输中油井与平台之间的管道布置状况。其上布置4 个k e l l e r 压力传感器以及两 组环形探针及一组双平行探针，仪表布置见图2 1 。 气液两相流实验系统包括气液单相输送、气液单相计量、气液分离器、仪表测量及 数据采集处理部分。液态水经过离心泵加压后由m i c r om o t i o n 质量流量计( 精度0 1 级) 计量，离心泵的动力由a b b 伺服电机提供，该电机配有a b b 公司a c s 5 5 0 0 1 型变频 第2 章实验系统与数据处理方法 器。可以通过此变频器改变对电机输入电源的频率，从而达到调节流量的目的。此外， 此变频器提供了远程控制的功能，通过控制面板，可以实现就地控制与远程控制相互转 化。实验中需要保证入口气液流量的稳定，且下游压力波动不要影响到上游计量仪表。 为了解决此问题，空气采用a t l a sc o p c o 双螺杆变频气体压缩机压缩到0 8 m p a ，然后进 入储气缓冲罐，再经过横河公司生产的微孔板流量计计量后，通过小口径的金属软管进 入气液混合器，通过提高进入微孔板流量计之前的气源压力，即增加微孔板流量计中微 孔板两端的压差，来消除下游实验段的压力波动对气体流量计的影响。由于空气在小流 量范围的计量与调节比较困难，所以本系统采用重庆横河川仪有限公司生产的e j a l l 5 微小孔板流量计与上海横河电机有限公司生产的d y 0 1 5 d n l 5 数字涡街流量计进行气 体流量的测量。孔板流量计共有三个，孔径分别为0 8 6 4 m m ，2 5 2 7 m m 和6 3 5 0 m m 。分 别测定不同气体流量范围的气体，可以实现1 3 n 1 m i n 到6 3 0 n 1 m i n 范围内的准确测量。 本系统采用的孔板流量计为m 型，输入电压为1 2 v ，量程为2 - - 1 0 0 k p a ，对应输出信 号为4 - - - - 2 0 m a d c ，测量误差等级为o 2 级。数字涡街流量计的介质为空气，压力1 3 m p a ， 温度2 0 度，流量范围：3 0 , - - 一，4 0 0 标立方。并且选用三个s w a g e l o k 卡套式针阀进行小流 量的调节。气液经混合器进入实验管道，为了使气液进入测试管段后，尽快达到充分发 展，保持分层流动，采用中间加装隔板的分层混合器如图2 2 所示： 图2 - 2 隔板式气液混合器 f i g2 - 2c l a p b o a r dm i x e r 气体从隔板的上部进入，液体沿管道轴向进入。但由于隔板高度不可调，在部分气 液流量下，实验段入口处会出现气液界面波动，这对于研究光滑分层流非常不利，但对 于段塞流的研究基本没有影响。然后两相混合流体通过水平管段或者直接进入下倾管一 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 立管系统，混合物在立管顶部通过一个涡轮流量计进入气液分离器，涡轮流量计用于测 量液塞喷发时的流速。分离后空气排空，液体回流进入水箱，循环使用。 2 2 测量装置 由强烈段塞流发生的物理机理，在实验装置上采用了多种仪表测量流动特征参数， 实验中需要测量的信号主要有：压力与压差信号、电导探针信号、流量及温度信号等。 2 2 1 子l 板流量计 本研究采用的微小孔板流量计由横河公司生产，型号为e j a l l 5 ，对气体流量进行 测量。按孔板直径大小分为三种：o 8 6 4 m m ，2 5 2 7 m m 及6 3 8 5 0 m m ，以适应不同的测 量范围。变送器压差输出信号与电流采用线性关系，即由变送器的输出电流可以通过该 线性关系得到通过流量计的气体压差。 2 2 2 压力变送器 本研究选用k e l l e rp a 2 3 与p a 2 5 压阻式压力变送器和r o s e m o u n t3 5 9 5 电容式压 力变送器。k e l l e r 压阻式压力变送器的频响为5 k h z ，在实验中用于测量实验测量段的压 力波动。r o s e m o u n t3 5 9 5 电容式压力变送器的频响为2 2 h z ，用于测量气相计量进出 口、水相入口及实验段进出口的压力。 2 2 3 电导探针 本研究为了测量截面平均含水率，制作了线形平行电导探针及环形平行电导探针。 电导探针的输入信号是峰一峰值为5 v ，频率为4 k h z 的正弦波信号，该信号由信号发生 器产生。电导探针输出的信号进入自制的处理电路。 2 3 数据采集 2 3 1 数据采集系统 实验中数据采集系统采用美国n a t i o n a li n s t r u m e n t 公司的p c i 一6 0 7 1 e 高速采集卡。 n ip c i 一6 0 7 1 e 采集卡有6 4 个模拟通道，单通道采集频率为1 2 5 x 1 0 6 h z 。实验过程中利 用该采集系统采集了流量计和测试段的压力、压差、电导探针信号。 9 第2 章实验系统与数据处理方法 2 3 2l a b v