秦國慶，王衛(wèi)強，范玉斌，莊正剛，余睿哲

（1.遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院，遼寧撫順113001；2.延長石油（集團）有限責(zé)任公司，陜西延安717500；3.撫順石化公司石油三廠，遼寧撫順113001）

隨著深海油氣田的開發(fā)，海洋平臺從傳統(tǒng)的張力腿平臺發(fā)展到目前常用的浮式生產(chǎn)平臺，但是由于其在海洋環(huán)境下的運動特性，傳統(tǒng)的頂張力立管已經(jīng)無法滿足浮體漂移的要求，且其補償隨著水深的增加變得更加困難，臥管-懸鏈線系統(tǒng)應(yīng)運而生。但是，對于該系統(tǒng)來說，在重力的作用下，液體在立管底部積聚導(dǎo)致氣體無法進入立管內(nèi)，從而形成段塞流[1]，并且由于其周期性的變化，使深海懸鏈線系統(tǒng)發(fā)生劇烈震動，引發(fā)機械疲勞，甚至可能引起管道的斷裂[2]。

隨著鋼懸鏈線立管的發(fā)展，國內(nèi)外諸多學(xué)者開始對其氣液兩相混輸時的流動特征以及嚴重段塞流特性進行了大量的研究。C.Wordsworth以長12.546 3 m、內(nèi)徑0.052 5 m的管道模型為依托，研究了嚴重段塞流的流型和壓力，得出了相應(yīng)的流型圖和壓力呈周期變化的結(jié)論，但未得到具體參數(shù)的變化規(guī)律以及嚴重段塞流的判定準(zhǔn)則，對氣液兩相在鋼懸鏈線系統(tǒng)內(nèi)的流動特性也未展開研究[3]。S.Mokhatab等[4]以柔性管道為模型，研究了嚴重段塞流參數(shù)（壓力、流量）的變化規(guī)律，并進行了對比，但是沒有具體研究嚴重段塞流的形成原因、變化規(guī)律、流動特征等。相關(guān)學(xué)者針對段塞流的相關(guān)特征進行了分析[5-6]，但是并沒有針對特定的輸送工藝以及壓力、溫度進行管內(nèi)相關(guān)流動參數(shù)的分析。因此，考慮深海懸鏈線系統(tǒng)內(nèi)輸送介質(zhì)參數(shù)的特殊性，明確不同工藝參數(shù)下的臥管-立管內(nèi)流體的流動方式，研究不同流動方式下相關(guān)參數(shù)的變化規(guī)律，對保障深海油氣的開發(fā)及輸送具有重要的意義[7]。

1 模型的基本參數(shù)及假設(shè)條件

OLGA是廣泛應(yīng)用于管內(nèi)流動狀態(tài)數(shù)值計算的成熟軟件，S.Mokhatab[8]通過OLGA軟件建立了嚴重段塞流動的實驗?zāi)Ｐ?，并與C.Wordsworth的試驗結(jié)果進行了對比，結(jié)果表明具有較好的一致性。R.H.Nemoto等[5]、于濤等[9]在OLGA軟件計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過研究得到了段塞流的產(chǎn)生過程和判別方法。因此可以說，采用OLGA軟件能夠有效地分析深海臥管-懸鏈線管內(nèi)流動特性。

本文依托某深海油氣田的實際油田數(shù)據(jù)，對懸鏈線管內(nèi)流動狀態(tài)的影響因素進行了研究，通過PVTsim軟件進行數(shù)值計算所采用的油品組成見表1，穩(wěn)產(chǎn)時的含水率為10%。

表1 數(shù)值計算所采用的油品組成

OLGA軟件參數(shù)設(shè)置[3]：管道內(nèi)徑設(shè)為0.12 m，管道內(nèi)壁粗糙度為5×10-5；管道保溫層及管道材料參數(shù)：比熱容為500 J/(kg·℃)，傳導(dǎo)率為50 W/(m·℃)，密度 780 kg/m3；保溫層材料的密度為800 kg/m3，比 熱 容 為 500 J/(kg·℃ )，導(dǎo) 熱 系 數(shù)為0.18。

邊界條件設(shè)置：入口為質(zhì)量源，模擬時設(shè)定溫度、產(chǎn)液量、氣油比、含水率的值即可，出口為壓力邊界，輸入出口處壓力值即可[10]。

結(jié)構(gòu)參數(shù)：水平段長度為2 000 m；懸鏈線立管水平長度為746 m，高度為200 m，內(nèi)徑為0.12 m；油相密度為900.0 kg/m3，氣相密度為717.4 kg/m3。

2 結(jié)果與分析

2.1 管徑對管內(nèi)流動參數(shù)的影響

不同管徑下管內(nèi)沿程液體/氣體流量、管道沿程溫度/壓力的變化規(guī)律如圖1所示。

圖1 管徑不同時相關(guān)參數(shù)的變化規(guī)律

從圖1可以看出，在給定的入口溫度（70℃）、出口壓力（1.5 MPa）、臥管入口處總流量（0.01 m3/s）和含水率（質(zhì)量分數(shù)為10%，下同）條件下，管徑對管道入口處液相/氣相流量有較大影響，而對出口處的氣相/液相流量基本沒有影響。在不同的管徑下，管內(nèi)沿程液相流量逐漸降低，而管內(nèi)沿程氣相流量逐漸增大，并且上傾管的沿程液相流量降低速率明顯大于水平管段，而上傾管的沿程氣相流量的增大速率也明顯大于水平管段，這是因為在上傾管段油氣水三相主要以段塞或泡狀流形式存在[11]；隨著管徑的增大，管道入口處液相流量逐漸降低，入口處氣相流量逐漸增大，而出口處液相/氣相流量變化均很小。當(dāng)管徑由0.06 m增大到0.12 m時，管內(nèi)流動狀態(tài)由層流＋泡狀流向段塞流＋泡狀流轉(zhuǎn)變，最終變?yōu)槎稳?，此時管道入口處液相流量和氣相流量迅速降低，當(dāng)管徑由0.12 m繼續(xù)增大時，管內(nèi)流型由段塞流向?qū)恿鳎轄盍鬓D(zhuǎn)變；當(dāng)管徑為0.24～0.50 m時，流型均為層流+泡狀流，此時管道沿程液相/氣相流量曲線基本重合。

在給定的入口溫度（70℃）與出口壓力（1.5 MPa）下，當(dāng)管徑不同時管內(nèi)沿程溫度和壓力均逐漸降低。隨著管徑的增大，管內(nèi)沿程溫度下降速度增大，水平管段和上傾管段溫度下降速度基本相等；當(dāng)管徑為0.06～0.12 m時，管道出口壓力迅速下降；當(dāng)管徑為0.12～0.50 m時，管道出口壓力基本保持不變，并且上傾管壓力減小速度明顯大于水平管段，這主要是因為管徑的變化引起了管內(nèi)流型的變化[12]。

因此，當(dāng)上傾管段管內(nèi)流動狀態(tài)由泡狀流向段塞流轉(zhuǎn)變的過程中，出口處氣相流量增大，導(dǎo)致入口壓力和立管底部壓力迅速減??；當(dāng)段塞流向其他流型如層流、泡狀流轉(zhuǎn)變時，出口處氣相流量、入口壓力和立管底部壓力基本不再發(fā)生變化[13]，隨著管徑的增大，出口處氣相流量呈線性減小，其主要原因是因為在一定的入口流量下，管徑增大，必然會導(dǎo)致其折算氣相速度減小。同時可以看出，出口處液相流量基本不受管內(nèi)流動狀態(tài)和管徑的影響，當(dāng)入口處總流量不變時，出口處液相流量也基本不發(fā)生變化。

2.2 臥管入口處總流量對管內(nèi)流動參數(shù)影響

臥管入口處總流量（Q，下同）不同時管內(nèi)沿程液相/氣相流量變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 Q不同時管內(nèi)沿程液相/氣相流量變化規(guī)律

從圖2可以看出，在給定的入口溫度（70℃）、出口壓力（1.5 MPa）、管徑（0.12 m）和含水率（10%）的條件下，隨著Q的增大，管內(nèi)沿程液相流量迅速增大，并且在管道沿程各點處其液相流量基本不變，不受管內(nèi)流型和管段傾斜角度的影響。當(dāng)Q=0.001 m3/s時，管內(nèi)沿程氣相流量不斷減小，并且上傾管段的減小速率大于水平管段，這是由于此時水平管段為層流，而上傾管段為段塞流造成的；在Q=0.010～0.030 m3/s時，隨著Q的增大，管內(nèi)沿程氣相流量逐漸增大，并且Q對管道入口處氣相流量影響較小，而對出口處氣相流量影響較大，這是因為在Q為0.010～0.030 m3/s時，管內(nèi)流型主要表現(xiàn)為段塞流（水平管段）＋泡狀流（上傾管段）；當(dāng)Q=0.050 m3/s時，管內(nèi)流動狀態(tài)向?qū)恿鳎轄盍鬟^渡，此時入口處檢測不到純氣相的存在，隨著Q的繼續(xù)增大，管內(nèi)流動狀態(tài)向?qū)恿鬓D(zhuǎn)變，此時在更長的管段內(nèi)檢測不到純氣相存在，在出口處純氣相的流量變化也大。由此可以推斷，隨著Q的繼續(xù)增大，整個懸鏈線系統(tǒng)均為層流狀態(tài)，管內(nèi)檢測不到純液相[14]。

Q不同時管道沿程溫度/壓力的變化規(guī)律如圖3所示。

在給定的入口溫度（70℃）及出口壓力（1.5 MPa）下，Q不同的時，水平管段和上傾管段表現(xiàn)出不一樣的溫度分布規(guī)律。從圖3（a）可以看出，當(dāng)Q=0.001 m3/s時，管道沿程溫度不斷降低，并且降低速率逐漸減?。划?dāng)Q增加到0.010 m3/s時，管內(nèi)流動狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿稳鳎藭r管道沿程溫度不斷下降，并且水平管段和上傾管段的溫降速率基本保持一致；當(dāng)Q=0.030 m3/s時，水平管管段的溫降速率逐漸減小，并且上傾管段的溫降速率明顯大于水平管段；當(dāng)Q=0.100 m3/s時，管內(nèi)流動狀態(tài)由水平管段的層流和上傾管段的泡狀流組成，其水平管段的溫度基本保持不變，而上傾管段溫度迅速下降；當(dāng)懸鏈線系統(tǒng)均為層流狀態(tài)，即Q=0.200～0.300 m3/s時，水平管段的沿程溫度基本保持不變，而上傾管段溫度有所上升，但恒溫管段的長度隨著Q的增大而增大[15]。

管道沿程壓力下降速率隨著Q的增大而增大。當(dāng)Q=0.001～0.030 m3/s時，無論水平管段還是上傾管段，壓力下降速率均隨著Q的增加而增大，但上傾管段的壓力下降速率明顯大于水平管段；當(dāng)Q=0.100～0.300 m3/s時，上傾管段與水平管段的沿程壓力下降速率持續(xù)增加，兩者基本相等。

因此，在不同的Q下，當(dāng)上傾管段流動狀態(tài)為段塞流和泡狀流時，出口處氣相流量隨Q的增大呈直線增大，其入口壓力和立管底部壓力有較小幅度的增加；當(dāng)上傾管段管內(nèi)流動狀態(tài)由泡狀流向?qū)恿鬓D(zhuǎn)變時，其出口處氣相流量基本保持不變，而入口處壓力和立管底部壓力卻迅速增大[16]。同時可以看出，出口處液相流量基本不受管內(nèi)流動狀態(tài)的影響，而主要受Q的影響。

2.3 含水率對管內(nèi)流動參數(shù)的影響

不同含水率下管內(nèi)沿程液相/氣相流量、管道沿程溫度/壓力的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 不同含水率下相關(guān)參數(shù)的變化規(guī)律

從圖4可以看出，在給定的入口溫度（70℃）、出口壓力（1.5 MPa）、管徑（0.12 m）和Q（0.01 m3/s）下，隨著含水率的增加，管道平均液相流量不斷增大，但管道沿程液相流量逐漸減?。寒?dāng)含水率為10%時，整個懸鏈線系統(tǒng)內(nèi)為段塞流，管道平均液相流量較??；當(dāng)含水率增加到20%～22%時，上傾管段出現(xiàn)泡狀流，管道內(nèi)平均液相流量迅速上升，在泡狀流范圍逐漸擴大的過程中，管道內(nèi)平均液相流量也逐漸增大；當(dāng)水平管段出現(xiàn)層流并繼續(xù)發(fā)展時（含水率為23%～30%），管道內(nèi)平均液相流量仍然繼續(xù)增大，但其平均液相流量增長速率保持不變。對于管道內(nèi)氣相來說，從整體來看，在不同含水率下水平管段沿程氣相流量稍有增大，上傾管段氣相流量迅速增大；隨著含水率的增大，管道內(nèi)氣相流量大幅度減小，當(dāng)水平管段為段塞流、上傾管段為泡狀流時（含水率為20%～23%），管道內(nèi)氣相流量稍有減小，當(dāng)水平管段流動狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鲿r（含水率為25%～30%），在水平管段內(nèi)已經(jīng)檢測不到純氣相的存在，而上傾管段由于泡狀流的存在，仍有小部分純氣相的存在，但是其純氣相流量較小。

在給定的入口溫度（70℃）與出口壓力（1.5 MPa）下，當(dāng)含水率不同時，管內(nèi)沿程溫度和壓力逐漸降低。隨著含水率的增大，管內(nèi)沿程溫度下降速度減小，水平管段和上傾管段溫度下降速度基本相當(dāng)；管道出口壓力迅速增大，并且其上傾管壓力減小速度明顯大于水平管段。

因此可以說，在不同的含水率下，當(dāng)上傾管段出現(xiàn)由段塞流向泡狀流轉(zhuǎn)變時，出口處氣相流量的減小速度明顯變小，而含水率變化引起的管內(nèi)流動狀態(tài)的變化對出口處液相流量、入口壓力和立管底部壓力均沒有明顯影響。

2.4 出口壓力對管內(nèi)流動參數(shù)影響

不同出口壓力下管內(nèi)沿程液相/氣相流量、管道沿程溫度/壓力的變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 不同出口壓力下相關(guān)參數(shù)的變化規(guī)律

從圖5可以看出，在給定的入口溫度（70℃）、含水率（10%）、管徑（0.12 m）和Q（0.01 m3/s）下，從總體來看，管內(nèi)沿程液相流量隨著出口壓力的增加而逐漸增大，而氣相壓力逐漸減小，并且上傾管段的增大或減小的速率明顯高于水平管段。但是，上述規(guī)律不符合出口壓力p=10.0 MPa時管內(nèi)沿程流量分布規(guī)律：當(dāng)出口壓力p=0.1～10.0 MPa時，整個懸鏈線系統(tǒng)表現(xiàn)為段塞流，此時管內(nèi)平均液相流量小幅度上升，相應(yīng)地平均氣相流量小幅度下降；當(dāng)出口壓力增大到5.0 MPa時，水平管段流動狀態(tài)變?yōu)閷恿?，而上傾管段流動狀態(tài)變?yōu)榕轄盍鳎藭r管內(nèi)平均液相流量迅速增大，而平均氣相流量迅速減??；當(dāng)出口壓力繼續(xù)增大到10.0 MPa時，相比于出口壓力p=7.0 MPa時出口處液相流量有所減小，整個懸鏈線系統(tǒng)內(nèi)沿程液相流量以一恒定速率下降，而此時在整個懸鏈線系統(tǒng)內(nèi)已經(jīng)觀察不到純氣相的存在。

在不同的出口壓力下，管道沿程溫度分布基本沒有變化；對于管道沿程壓力分布來說，從總體來看，在不同的出口壓力下，管道沿程壓力持續(xù)減小，并且上傾管段壓力減小速率明顯大于水平管段；隨著出口壓力的增大，管道平均壓力也增大。

因此可以說，在不同的出口壓力下，隨著出口壓力的增大，出口處氣相流量逐漸減小，但減小速率逐漸降低；出口壓力的變化引起的管內(nèi)流動狀態(tài)的變化對出口處液相流量、入口壓力和立管底部壓力均沒有明顯影響[17]。

3 結(jié) 論

（1）隨著管徑的增大，在管徑由0.06 m增大到0.08 m時，管道入口液相/氣相流量和入口壓力發(fā)生了巨大變化；管徑為0.12～0.50 m時，管道入口液相/氣相流量和入口壓力基本保持不變；在管徑的整個變化過程中（0.06～0.50 m），其上傾管相關(guān)參數(shù)的變化速率明顯大于水平管段。在管徑的增大過程中，管道沿程溫度下降速率增大，且上傾管段的溫度與水平管段變化速率基本一致。

（2）隨著Q的增大，在Q=0.001～0.030 m3/s和Q=0.100～0.300 m3/s的兩個階段，管內(nèi)沿程液相/氣相流量、管道沿程溫度/壓力變化明顯。

（3）隨著含水率的增大，因上傾管段泡狀流的出現(xiàn)，管內(nèi)沿程液相/氣相流量、管道沿程壓力變化分為兩個明顯的階段，而管道沿程溫度變化階段性不明顯；當(dāng)水平管段中段塞流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鲿r，在水平管段中經(jīng)檢測不到純氣相的存在，上傾管段純氣相流量也不斷減小。

（4）隨著出口壓力的增大，管內(nèi)沿程液相/氣相流量、管道沿程壓力變化明顯；出口壓力對管道沿程溫度分布基本無影響。