陳海宏 李清平 姚海元 李焱 宮敬

1中海油研究總院

2中國石油大學（北京）

在油氣田生產(chǎn)工藝系統(tǒng)中，管匯大量應用在油氣集輸、長輸管道、處理廠等工藝環(huán)節(jié)。在海上油氣田的井口平臺或陸上油氣集輸站工藝中，管匯用于匯集各井口采出物，通過集輸管匯輸送到下一級處理設施，例如氣液分離裝置、段塞流捕集器等。而在長輸管道系統(tǒng)中，管匯主要用于多路調壓計量。在深水油氣田開發(fā)領域，水下管匯用于收集多個水下井口來流，直接回接或通過水下增壓系統(tǒng)集中輸送至淺水平臺或陸上油氣終端。管匯起著前部流體收集和后部流體分配的雙重作用（圖1）。在管匯入口處，各引入管來流一般是不均勻的氣液兩相流，并且可能呈現(xiàn)不同的流型。在油氣集輸系統(tǒng)的管匯終端通常連接多臺并聯(lián)的生產(chǎn)分離器。流型、重力、慣性力等因素導致各分離器入口流量無法均勻分配，即出現(xiàn)管匯“偏流”現(xiàn)象。偏流嚴重時，部分分離器負荷嚴重超載，出現(xiàn)“冒頂”或油氣水分離紊亂等生產(chǎn)問題，而其他分離器仍存在較大余量，導致分離器運行效率過低。

在設計油氣處理工藝系統(tǒng)時，為適應嚴重偏流工況，通常需要提高氣液分離器等油氣處理設施的冗余能力，從而造成分離器處理能力與尺寸設計偏大，不僅增加集輸系統(tǒng)占地面積，還會增加投資費用。因此，為降低油氣集輸系統(tǒng)的投資費用和提高油氣收集、處理過程的安全性，有必要對油氣田工藝系統(tǒng)偏流問題進行研究。目前，鮮有文獻報道油氣田工藝系統(tǒng)偏流問題。針對核電站、聯(lián)箱、換熱器等系統(tǒng)中出現(xiàn)的偏流問題，大量文獻作了初步研究，對油氣田油氣集輸管匯系統(tǒng)偏流問題的研究具有一定的借鑒意義。本文將從偏流成因、偏流影響因素和偏流控制方法三個方面介紹氣液兩相流集輸管匯偏流問題研究現(xiàn)狀。

圖1 油氣田集輸管匯示意圖Fig.1 Schematic diagram of the gathering and transportation manifold in oil and gas fields

1 偏流成因

在管匯系統(tǒng)中，不僅氣液兩相流流量分配時會出現(xiàn)偏流現(xiàn)象，而且單相流流體也會出現(xiàn)偏流。與單相流管匯偏流問題相比，多相流流型的復雜性、慣性力等因素使得管匯偏流問題更為復雜。

1.1 單相流管匯偏流

對于單相流管匯系統(tǒng)，研究初期認為各引出管壓力分布不均是造成管匯偏流的主要原因，目前這一機理已從理論上得到驗證[1-4]。然而，匯管內流量分布情況并不能總是符合壓力分布情況，湍流、慣性力等因素也可能會導致管匯偏流[5]。

（1）壓力分布不均造成偏流。造成管匯系統(tǒng)內各引出管壓力分布不均的主要因素有摩阻損失、動能轉化為靜壓能、克服高程差、幾何結構不對稱、各引出管來流工況不一致、各引出管出口壓力不一致等。以水平管匯（圖2）為例，假設水沿匯管中間位置徑向流入，各引出管末端連接大氣。流體進入?yún)R管后可均勻流向匯管兩端，沿著流動方向各引出管入口壓力逐漸降低，而這些支管出口壓力均為大氣壓，各引出管壓降不一致，導致2#、3#引出管流量高于1#、4#引出管。對于非水平布置管匯，重力可能會加重流量分配不均勻程度[6]。動能轉化為靜壓能是指當流體處于湍流狀態(tài)時流體流動過程中存在一個徑向速度，當流體流至壁面附近時徑向速度降低，損失的動能轉化為靜壓能，影響匯管內壓力分布情況。以豎直管匯（圖3）為例，假設輸送介質為水，受重力影響，位于匯管入口下側引出管的流量一般會高于位于上側引出管的流量。實際生產(chǎn)中，管匯各引出管出口工況不一致、各引入管來流工況不一致都可能會加重管匯偏流程度。

圖2 水平管匯示意圖Fig.2 Schematic diagram of horizontal manifold

圖3 豎直管匯示意圖Fig.3 Schematic diagram of vertical manifold

（2）湍流造成偏流。流體徑向流入?yún)R管，受到匯管管壁阻擋，匯管入口處可能會產(chǎn)生渦流區(qū)域，導致匯管入口流向兩端流量不均。當匯管內流體湍流強度較大時匯管內會形成多個渦流區(qū)域，渦流區(qū)域的位置、數(shù)量、大小均會影響各引出管流量分配的均勻性。

（3）慣性力造成偏流。當流體水平流經(jīng)某豎直引出管時，慣性力的作用導致部分本應進入引出管的流體繼續(xù)水平向前流動，影響了引出管流量分配的均勻性。

1.2 氣液兩相流管匯偏流

與單相流管匯偏流成因相比，氣液兩相流管匯偏流成因還包括兩相流流型、氣液兩相慣性差異、氣體攜帶液體的能力等[7-9]。一般來說，管匯氣相與液相流量呈相反的分配規(guī)律。對于某引出管，氣相流量增加，液相流量將會降低。

（1）兩相流流型造成管匯偏流。對于段塞流，匯管內可能出現(xiàn)漩渦區(qū)；對于波狀分層流，匯管內存在波峰、波谷區(qū)。漩渦區(qū)、波峰區(qū)、波谷區(qū)與引出管的相對位置將直接影響流量分配。針對氣液兩相流水平管匯[10]，當匯管入口流體質量流量較低時，流型對管匯流量分配起決定性作用；當流體質量流量較高時，尤其是氣相流量提高時，壓力分布情況是影響管匯流量分配的主要因素，兩相流流型對流量分配仍有影響，但其作用程度大為減弱。

（2）氣液兩相慣性差異造成管匯偏流。當氣、液兩相同時水平流經(jīng)某豎直引出管時，氣相慣性遠小于液相慣性，使得氣相更容易進入該支管。

（3）氣體攜帶液體造成管匯偏流。當氣相流速較大時，氣相會攜帶大量液相進入靠近匯管入口的引出管，一定程度上會影響管匯偏流程度。

2 偏流影響因素

管匯各引出管流量分配均勻性的影響因素主要有幾何因素、運行參數(shù)和流體物性。

2.1 幾何因素

流體流入與流出方向[11-12]、引入與引出管的數(shù)目[13]、引入與引出管的內徑與長度[14]、匯管直徑[15]、各引出管截面積之和與匯管截面積的比值[16]、支管間距[17]、壁面粗糙度[18]等幾何因素均有可能影響管匯流量分配均勻性。

（1）流體通過引入管進入?yún)R管的方式有軸向引入與徑向引入。對于基于徑向引入方式的管匯系統(tǒng)，匯管內壓力分布的平穩(wěn)性更高，提高了各引出管流量分配的均勻性。因此，徑向引入方式一般優(yōu)于軸向引入方式。

（2）流體流出匯管的方向有水平流出、垂直向上流出和垂直向下流出。垂直向上流出時，液相偏向于從遠離匯管入口的引出管流出；垂直向下流出時，液相偏向于從靠近匯管入口的引出管流出。實驗研究發(fā)現(xiàn)，管匯偏流程度從低到高的流出方向依次為垂直向上流出、水平流出、垂直向下流出。

（3）根據(jù)徑向引入管數(shù)目不同，管匯可分為單管引入、雙管引入和多管引入。對于多管引入管匯，當各引入管來流工況一致時，引入管數(shù)目越多，各引出管入口處壓力越接近，管匯偏流程度越低；但是當各引入管來流工況偏差較大時，引入管數(shù)目越多，管匯偏流程度越高。

（4）引出分支管數(shù)目增加，有助于各支管間壓力與流量的自平衡，進而可提高引出管流量分配的均勻性。

（5）引出管長度增加或管徑降低可以降低管匯偏流程度，但當引出管長度增加或管徑降低達到一定程度后，改善效果將明顯減弱。增大流體在引出管內流動產(chǎn)生的摩阻損失，即引出管壓降遠遠大于匯管內壓降時，各引出管入口壓力不均對管匯偏流程度的影響將會降低，引出管壓降將對流量分配起決定性作用。此時，如果各支管壓降相同，那么各引出管流量分配將趨于一致。

（6）匯管直徑增加可以降低管匯偏流程度。增加匯管直徑一方面可以降低匯管內流體流動產(chǎn)生的摩阻損失，使得沿著流動方向壓力分布更加均勻；另一方面可以降低流體流速，減小雷諾數(shù)，使得湍流強度降低，渦流的大小、數(shù)目減小。這兩方面的共同作用使得管匯偏流程度得到降低。

（7）隨著各引出管截面積之和與匯管截面積的比值增加，管匯偏流程度先增加、后降低，最后再增加。

（8）增大引出管間距有助于提高管匯流量分配均勻性。

（9）以扁平多分支管管匯系統(tǒng)為研究對象，通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，匯管壁面粗糙度對管匯偏流程度影響較小。

2.2 運行參數(shù)

影響氣液兩相流管匯偏流程度的運行參數(shù)主要有匯管入口流體的氣相折算速度[19]、液相折算速度[8，20]、質量流量[9]、壓力[21]。匯管入口流體運行參數(shù)不同將形成不同的氣液兩相流流型，流型不同將直接影響管匯偏流程度。

（1）氣相折算速度。針對水平徑向單管引入、垂直向上多管流出管匯，實驗研究發(fā)現(xiàn)，提高氣相折算速度氣相偏流程度將會降低，而液相偏流程度將會加重。

（2）液相折算速度。當氣相折算速度較大時，增加液相折算速度氣相偏流程度基本保持不變，而液相偏流程度將會降低。但是當氣相折算速度較小時，增加液相折算速度，氣、液兩相偏流程度均會加重。

（3）質量流量。增大入口流體總質量流量，氣相和液相偏流程度均降低，并且氣相偏流程度始終低于液相。

（4）壓力。降低入口流體壓力有助于降低偏流程度。

2.3 物性參數(shù)

匯管入口流體物性也可影響管匯偏流程度。增加液相黏度，氣相偏流程度將會加重，而液相偏流程度將會降低[22]。

3 偏流控制方法

從偏流成因出發(fā)，降低管匯偏流程度的方法主要有幾何結構調整、壓力分布調整、流型調整、氣液兩相預分離、多級分配。

（1）幾何結構調整。在管匯系統(tǒng)設計階段，根據(jù)流體流入與流出方向、匯管直徑、引出管間距等幾何因素對管匯偏流程度的影響，設計出最優(yōu)的管匯結構。

（2）壓力分布調整。通過將引出管插入?yún)R管[23-25]、匯管內安裝阻尼元件[26-27]、引出管安裝調節(jié)閥[28-29]調整流體在管匯系統(tǒng)內流動時受到的阻力，使得各引出管壓力分布情況盡可能一致，進而降低壓力分布不均對偏流的影響?？紤]到只有當引出管插入?yún)R管深度足夠大時偏流程度才會降低，建議將引出管插入至匯管中央。此外，在引出管入口處安裝噴嘴[30]也可以用于降低管匯偏流程度。流體經(jīng)過噴嘴時，流通面積縮小，流體進入引出管的速度提高，當流速大于當?shù)芈曀贂r，便會形成臨界流動來克服引出管阻力特性和出口壓力不一致導致的偏流問題。

（3）流型調整。在匯管入口處安裝噴嘴[20]、螺旋葉片[30-33]等混合元件，氣液兩相流流經(jīng)混合元件時，由于流動面積減小或者離心力的作用，兩相流將會充分混合形成均相流，此時流動壓降特性將接近單相流，最終可以消除流型對偏流的影響。對于氣液兩相流，在匯管入口處安裝混合元件可以增加兩相混合程度。當兩相流質量流量較高時，混合元件可以降低液相偏流程度；而當兩相流質量流量較低時，由于流體動量小，無法充分混合形成均相流，可能導致偏流程度加重。

（4）氣液兩相預分離。由于單相流量分配效果較好，氣液兩相流流體流入各引出管前，可以先利用重力將氣液兩相進行分離，兩相分別進行流量分配，分配后再由各自管路匯合至各引出管。梁法春等人[34-36]設計了分相式分配器，氣液兩相流經(jīng)預分離處理后，兩相流量分配均勻性顯著提高。分相式分配器存在一個有效工作區(qū)域，對分層流、段塞流具有較好的流量分配效果，而對環(huán)狀流流量分配效果較差。

（5）多級分配。對各引入管來流，先匯合、再分配、再匯合、再分配，如此循環(huán)直至獲取滿意的流量分配情況。對于鍋爐運行系統(tǒng)，與單級流量分配系統(tǒng)相比，多級分配系統(tǒng)偏流程度更低。針對換熱器偏流問題，一般可在匯管內安裝分流板，使得流量二次分配，可以提高流量分配均勻性。對于軸向單管引入、垂直多管引出系統(tǒng)，可通過在匯管內安裝笛形管[19，37]對流量進行二次分配，并且當?shù)研喂芸卓诜较虮硨R管引出口時，管匯偏流程度將會顯著降低。笛形管不僅可以增加氣液兩相混合程度，而且還可以通過調整笛形管各個小孔直徑來改變匯管內壓力分布情況。匯管內加入笛形管前氣相流速對液相偏流影響較大，加入笛形管后這種影響顯著降低。此外，當匯管內氣液兩相流體處于段塞流時，笛形管還可以消除匯管內流體呈現(xiàn)的周期性脈動現(xiàn)象。

4 展望

油氣田集輸管匯系統(tǒng)偏流問題由來已久，國內外關于該問題的研究正處于起步階段，相關文獻報道較少，還存在著諸多關鍵問題有待深入研究。

（1）建立管匯內氣液兩相流流動過程三維仿真模型。管匯偏流問題是典型的三維流動問題，相關文獻提出的管匯系統(tǒng)壓力、流量分布計算方法主要將其簡化為一維流動問題，導致理論模擬結果與實際存在較大偏差。

（2）針對不同的氣液兩相流流型，建立通用性強的壓力與流量分布預測模型。

（3）管匯流量分布是時間與空間的分布函數(shù)，研究構建偏流指標以真實反映管匯偏流程度隨時間的分布規(guī)律。

（4）研究如何降低因各引入管來流工況不一致、各引出管出口參數(shù)不一致對管匯流量分配的影響。