氣液混輸管線與立管系統(tǒng)嚴(yán)重段塞流特性研究.pdf

1、在海洋油氣資源開(kāi)采工程中，通常采用氣液混輸組合管線系統(tǒng)對(duì)油氣資源進(jìn)行輸送，管線系統(tǒng)由鋪設(shè)于海底的臥底管和連接于海洋平臺(tái)的立管所組成。這種形式的組合管線系統(tǒng)容易引發(fā)嚴(yán)重段塞流現(xiàn)象，這是一種管道內(nèi)液塞長(zhǎng)度達(dá)到一倍甚至數(shù)倍立管高度的特殊有害流型，不僅會(huì)干擾正常的油氣開(kāi)采作業(yè)，而且還會(huì)大幅地減小海底油氣田的產(chǎn)量。隨著海洋油氣開(kāi)采不斷走向深海，氣液混輸組合管線系統(tǒng)嚴(yán)重段塞流已成為深海油氣工程中的熱點(diǎn)問(wèn)題之一，因此對(duì)該種流型的深層次流動(dòng)機(jī)理及其流動(dòng)

2、參數(shù)特性進(jìn)行研究，具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程實(shí)用價(jià)值。
　　 在全面地回顧和總結(jié)了關(guān)于該主題的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀之基礎(chǔ)上，本論文選取深海油氣開(kāi)采工程中最為典型的臥底管線與垂直立管系統(tǒng)和新興的臥底管線與鋼懸鏈線立管系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用理論、數(shù)值與模型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)兩類(lèi)氣液混輸管線與立管系統(tǒng)嚴(yán)重段塞流的形成機(jī)理、氣液流態(tài)變化特征及其流動(dòng)參數(shù)變化規(guī)律等進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，具體研究?jī)?nèi)容如下。
　　 1)采用Brackbill模

3、型求解氣液相間表面張力，結(jié)合VOF方法追蹤氣液兩相運(yùn)動(dòng)界面，根據(jù)長(zhǎng)液塞形成和生長(zhǎng)過(guò)程一致性的原則，發(fā)展了一種將三維嚴(yán)重段塞流等效為二維流動(dòng)的計(jì)算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬方法。以下傾管-垂直立管系統(tǒng)為對(duì)象，結(jié)合文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)工況和結(jié)果，對(duì)該種組合管線系統(tǒng)的嚴(yán)重段塞流氣液流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了系列數(shù)值模擬，獲得了嚴(yán)重段塞流氣液流動(dòng)細(xì)節(jié)及周期、壓力波動(dòng)和噴發(fā)時(shí)間等參數(shù)變化特性，數(shù)值模擬與文獻(xiàn)所述實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。在此基礎(chǔ)上，深入揭示了嚴(yán)重段塞流的形成機(jī)理

4、，并對(duì)實(shí)驗(yàn)中難以直接獲得的臥底管線含氣率、立管含氣率、液塞速度、立管出口氣液混合速度及其流量等流動(dòng)參數(shù)變化特性進(jìn)行了深入研究與分析。
　　 2)采用二維等效CFD數(shù)值模擬方法，系統(tǒng)地分析了氣液物性參數(shù)以及管道幾何變形對(duì)嚴(yán)重段塞流形成機(jī)理及其流動(dòng)參數(shù)特性的影響。根據(jù)海底油氣混合物特點(diǎn)，分別選取原油、煤油和水作為液體介質(zhì)，天然氣和空氣作為氣體介質(zhì)，結(jié)果表明液體粘性、表面張力和密度等物性參數(shù)對(duì)嚴(yán)重段塞流的形成機(jī)理、氣液流動(dòng)特征及其流動(dòng)

5、參數(shù)變化特性等均有明顯的影響，而氣體物性參數(shù)的影響較小。此外，根據(jù)實(shí)際海底管線的鋪設(shè)方式，設(shè)計(jì)了四類(lèi)變形臥底管線系統(tǒng)，結(jié)果表明臥底管線的凸起對(duì)嚴(yán)重段塞流形成機(jī)理、氣液流動(dòng)特征及其流動(dòng)參數(shù)變化特性等也均有明顯的影響。
　　 3)針對(duì)臥底管線與垂直立管系統(tǒng)嚴(yán)重段塞流問(wèn)題，建立了一維瞬態(tài)分相理論預(yù)測(cè)模型，該理論模型根據(jù)嚴(yán)重段塞流氣液流動(dòng)特性實(shí)時(shí)求解各流動(dòng)參數(shù)，計(jì)算過(guò)程中始終考慮氣液的分相流動(dòng)過(guò)程，通過(guò)對(duì)氣液流態(tài)的實(shí)時(shí)判別，選取相應(yīng)的計(jì)

6、算模型，并且通過(guò)該模型可直接判定管道系統(tǒng)內(nèi)能否發(fā)生嚴(yán)重段塞流以及嚴(yán)重段塞流的類(lèi)型。同時(shí)，通過(guò)理論模型的求解，還可以得到嚴(yán)重段塞流的壓力、周期、噴發(fā)時(shí)間、立管與臥底管線含氣率、液塞速度、立管出口速度、氣彈上升速度、立管和臥底管線液塞長(zhǎng)度、立管入口氣液折算速度等嚴(yán)重段塞特性參數(shù)，各流動(dòng)參數(shù)的模擬結(jié)果與二維等效CFD數(shù)值結(jié)果吻合良好。
　　 4)采用水平/下傾與懸鏈線立管氣液混輸組合管道系統(tǒng)，通過(guò)系列實(shí)驗(yàn)在懸鏈線立管中獲得了嚴(yán)重段塞流

7、、間歇流和振蕩流等流型。特別地，實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)了該種管型系統(tǒng)中的水動(dòng)力嚴(yán)重段塞流現(xiàn)象。闡述了這些流動(dòng)現(xiàn)象的形成機(jī)理，建立了嚴(yán)重段塞流的判定準(zhǔn)則。結(jié)果表明，懸鏈線立管?chē)?yán)重段塞流具有明顯周期性，在一個(gè)周期內(nèi)的流動(dòng)特征可分為液塞形成、液體出流、液氣噴發(fā)及液體回流等4個(gè)階段，進(jìn)而給出了各階段中相關(guān)流動(dòng)參數(shù)的變化規(guī)律。在實(shí)驗(yàn)中同時(shí)還對(duì)懸鏈線與垂直立管中嚴(yán)重段塞流形成機(jī)理進(jìn)行了比較分析，發(fā)現(xiàn)兩者在液塞形成階段有顯著差別。其中，在懸鏈線立管中液塞形成

8、之前首先需要經(jīng)歷一個(gè)氣液混合液塞形成過(guò)程，而垂直立管則沒(méi)有這個(gè)過(guò)程。
　　 5)基于懸鏈線立管系統(tǒng)嚴(yán)重段塞流的判定準(zhǔn)則，建立了針對(duì)該類(lèi)管型系統(tǒng)嚴(yán)重段塞流的二維等效CFD數(shù)值模擬方法，并發(fā)展了一種以集氣箱代替臥底管線氣體壓縮空間的優(yōu)化方案，旨在減少網(wǎng)格數(shù)量，縮減計(jì)算時(shí)間。結(jié)合本論文的系列實(shí)驗(yàn)工況和結(jié)果，對(duì)氣彈長(zhǎng)度變化過(guò)程、氣彈相互追逐情況、尾隨氣泡數(shù)量、氣彈位置以及立管內(nèi)流態(tài)變化等氣液流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了系列數(shù)值模擬與分析，對(duì)實(shí)驗(yàn)中難以

9、直接得到的立管與臥底管線含氣率、液塞速度和出口截面含氣率及其流量等重要的嚴(yán)重段塞流特性參數(shù)變化規(guī)律及其變化原因進(jìn)行了研究。
　　 本論文發(fā)展的二維等效CFD數(shù)值模擬方法，可大幅地縮減嚴(yán)重段塞流數(shù)值模擬所需時(shí)間和計(jì)算機(jī)資源，而所建立的瞬態(tài)分相理論模型則是一種簡(jiǎn)單高效的快速預(yù)測(cè)方法，這兩類(lèi)方法為深海油氣開(kāi)采工程中嚴(yán)重段塞流特性的研究提供了一種新的手段。此外，本論文還首次針對(duì)臥底管線與懸鏈線立管系統(tǒng)的嚴(yán)重段塞流特性開(kāi)展了系列實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)