氣液混輸管線與立管系統(tǒng)嚴(yán)重段塞流特性研究.pdf

1、在海洋油氣資源開采工程中，通常采用氣液混輸組合管線系統(tǒng)對油氣資源進(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，不僅會干擾正常的油氣開采作業(yè)，而且還會大幅地減小海底油氣田的產(chǎn)量。隨著海洋油氣開采不斷走向深海，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問題之一，因此對該種流型的深層次流動機(jī)理及其流動

2、參數(shù)特性進(jìn)行研究，具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程實用價值。
　　 在全面地回顧和總結(jié)了關(guān)于該主題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀之基礎(chǔ)上，本論文選取深海油氣開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)為研究對象，采用理論、數(shù)值與模型實驗相結(jié)合的方法，對兩類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，具體研究內(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)動界面，根據(jù)長液塞形成和生長過程一致性的原則，發(fā)展了一種將三維嚴(yán)重段塞流等效為二維流動的計算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬方法。以下傾管-垂直立管系統(tǒng)為對象，結(jié)合文獻(xiàn)中的實驗工況和結(jié)果，對該種組合管線系統(tǒng)的嚴(yán)重段塞流氣液流動過程進(jìn)行了系列數(shù)值模擬，獲得了嚴(yán)重段塞流氣液流動細(xì)節(jié)及周期、壓力波動和噴發(fā)時間等參數(shù)變化特性，數(shù)值模擬與文獻(xiàn)所述實驗結(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、，并對實驗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嚴(yán)重段塞流形成機(jī)理及其流動參數(shù)特性的影響。根據(jù)海底油氣混合物特點，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)對嚴(yán)重段塞流的形成機(jī)理、氣液流動特征及其流動

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)實際海底管線的鋪設(shè)方式，設(shè)計了四類變形臥底管線系統(tǒng)，結(jié)果表明臥底管線的凸起對嚴(yán)重段塞流形成機(jī)理、氣液流動特征及其流動參數(shù)變化特性等也均有明顯的影響。
　　 3)針對臥底管線與垂直立管系統(tǒng)嚴(yán)重段塞流問題，建立了一維瞬態(tài)分相理論預(yù)測模型，該理論模型根據(jù)嚴(yán)重段塞流氣液流動特性實時求解各流動參數(shù)，計算過程中始終考慮氣液的分相流動過程，通過對氣液流態(tài)的實時判別，選取相應(yīng)的計

6、算模型，并且通過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)重段塞流的類型。同時，通過理論模型的求解，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)，通過系列實驗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，實驗中首次發(fā)現(xiàn)了該種管型系統(tǒng)中的水動力嚴(yán)重段塞流現(xiàn)象。闡述了這些流動現(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，懸鏈線立管嚴(yán)重段塞流具有明顯周期性，在一個周期內(nèi)的流動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個階段，進(jìn)而給出了各階段中相關(guān)流動參數(shù)的變化規(guī)律。在實驗中同時還對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)歷一個氣液混合液塞形成過程，而垂直立管則沒有這個過程。
　　 5)基于懸鏈線立管系統(tǒng)嚴(yán)重段塞流的判定準(zhǔn)則，建立了針對該類管型系統(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，縮減計算時間。結(jié)合本論文的系列實驗工況和結(jié)果，對氣彈長度變化過程、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)變化等氣液流動規(guī)律進(jìn)行了系列數(shù)值模擬與分析，對實驗中難以

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)值模擬所需時間和計算機(jī)資源，而所建立的瞬態(tài)分相理論模型則是一種簡單高效的快速預(yù)測方法，這兩類方法為深海油氣開采工程中嚴(yán)重段塞流特性的研究提供了一種新的手段。此外，本論文還首次針對臥底管線與懸鏈線立管系統(tǒng)的嚴(yán)重段塞流特性開展了系列實驗，并進(jìn)