王潛龍,荊 波,龔 俊,李丙賢,翁 羽

(1. 西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，西安 710065； 2. 中石化勝利油田分公司海洋采油廠,東營 257237)

勝利海上油田的累計開發(fā)時間長達26 a，部分平臺采油井已進入開采后期，出砂嚴(yán)重，含水率高達90%以上，平臺間大量采用油氣水混輸，這導(dǎo)致油井至計量間的單井管線容易受到?jīng)_蝕，形成溝槽，彎頭位置尤為嚴(yán)重， 且隨著采出液含水率不斷上升以及化學(xué)驅(qū)影響，油井采出液攜帶砂的能力增強，管道的沖蝕風(fēng)險加劇,管線壽命縮短，原油泄漏事故頻發(fā)。

固體顆粒沖蝕是結(jié)構(gòu)壁面受到離散微粒沖擊產(chǎn)生損傷的一種現(xiàn)象。影響沖蝕的因素多達三十余個，其中比較重要的影響因素有顆粒速度，沖擊角，顆粒尺寸、形狀、材質(zhì)，以及被沖擊表面的材料屬性等[1-3]。含固體顆粒的多相流管道的沖蝕非常復(fù)雜，管道內(nèi)的流型多變。這導(dǎo)致離散顆粒的運動更為復(fù)雜，而顆粒的運動及分布又直接決定了管道的沖蝕特性。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對于管道的沖蝕進行了一系列研究，但關(guān)于油氣水砂三相流環(huán)境中的沖蝕研究尚不多見。

本工作旨在使用計算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值分析方法連接海底與海上平臺相連的輸送管道內(nèi)的砂粒流動特性及其對管壁的腐蝕特性，考慮更為真實的油氣水三相黏性湍流態(tài)流體與砂粒之間的相互作用。

1 研究方法

1.1 研究模型

針對海上油田的典型管道布置方式，選取沖蝕風(fēng)險較大的海上平臺至海底的管段進行分析研究，管道三維模型如圖1所示。

圖1 管道結(jié)構(gòu)示意圖

管道流動計算模型的網(wǎng)格剖分使用六面體單元進行劃分，最終得到的模型網(wǎng)格數(shù)量為670萬。計算網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分示意圖

1.2 數(shù)值計算方法

使用CFD程序?qū)斔凸艿纼?nèi)的油氣水砂多相流的物理現(xiàn)象進行求解，分別使用歐拉-歐拉多相流體系和歐拉-拉格朗日多相流體系求解連續(xù)相及離散相,數(shù)值計算模型的選取如表1所示。

表1 CFD數(shù)值計算模型的選取

在計算中，CFD多相流控制方程主要包含質(zhì)量守恒和動量守恒方程：

(1)

(2)

使用Edwards等給出的一種可應(yīng)用于CFD的磨損預(yù)測模型預(yù)測顆粒腐蝕[4-8]，該模型考慮了顆粒的碰撞速度、侵入角、形狀、直徑和質(zhì)量流量等因素，其表達式為：

(3)

(4)

式中:V為磨損量；p為靶材流動應(yīng)力；K為常數(shù)，經(jīng)試驗驗證；a為沖擊角；m為顆粒質(zhì)量；v為顆粒速度。

本工作并不需要考慮流體的化學(xué)屬性，因此近似將任意一相流體介質(zhì)考慮為物性接近的純凈物，介質(zhì)物性如表2所示。本工作選取油田的典型輸量和含砂率進行分析，計算條件和邊界條件如表3和表4所示。

表2 介質(zhì)物性

表3 計算條件

表4 邊界條件

2 結(jié)果及討論

2.1 流場計算結(jié)果

圖3所示為管道各處橫截面上的流速分布情況。可以發(fā)現(xiàn)，在重力和浮升力的作用下,油氣水混合物的高速區(qū)向下方偏移。進入立管彎頭時，在離心力的作用下在速度分布上體現(xiàn)為偏心程度更強?？傮w而言，速度分布在水平管段主要受重力作用，在彎頭附近主要受離心力作用。

圖3 截面流速分布云圖

圖4所示為油氣兩相的相含率分布情況。可以發(fā)現(xiàn)，各相在進入平臺水平管段的初始分布接近于均勻混合，隨著在水平管段的流動，在重力和浮升力的作用下氣相和油相逐漸向管頂聚集。進入立管彎頭后，在離心力的作用下氣相迅速向彎頭外側(cè)移動。在立管段,油氣兩相又逐漸恢復(fù)均勻混合分布，當(dāng)進由立管段進入海底水平段時氣相又向彎外側(cè)偏移。

(a) 油相

2.2 沖蝕計算結(jié)果

圖5所示為管道兩個彎頭附近的含砂率分布?？梢园l(fā)現(xiàn)，砂粒在重力和自身慣性的作用下在平臺進入立管的彎頭附近時主要向彎心聚集。而在立管進入海底管的彎頭附近時，重力不再影響砂粒的偏轉(zhuǎn)，在重力的作用下砂粒向彎頭外側(cè)聚集?？梢?，沖蝕將主要發(fā)生在彎頭外側(cè)的壁面。

圖5 截面顆粒相分布云圖

圖6和圖7中所示為不同條件下管道彎頭附近壁面當(dāng)量沖蝕量，表示因沖蝕而產(chǎn)生的壁面單位面積材料損失量。可以發(fā)現(xiàn)，由于在彎頭附近離心力的作用，砂粒在彎頭外側(cè)的運動速度更高。而隨著輸液量的增加，砂粒對下彎管處管壁的沖蝕隨之增大，沖蝕范圍也有所增加，尤其是在輸液量達到1萬m3/d時，上部彎管也開始出現(xiàn)砂粒沖蝕較明顯的區(qū)域。

(a) 0.005% (b) 0.01%

結(jié)合圖6～8可知，隨著輸液量的增加，沖蝕范圍有所增加，沖蝕率也隨之增長。相同輸液量的情況下，含砂率的增加雖然不會對沖蝕范圍造成影響，但卻會導(dǎo)致沖蝕率的增長。

(a) 0.2萬方/天 (b) 0.5萬方/天

3 結(jié)論

(1) 本工作使用CFD數(shù)值計算方法，選取適當(dāng)?shù)奈锢砑皵?shù)學(xué)模型能夠良好捕捉到管道中的流動形態(tài)以及相分布規(guī)律。選取領(lǐng)域內(nèi)經(jīng)過驗證的顆粒沖蝕模型能夠良好捕捉到管道中的腐蝕分布規(guī)律；

(2) 在慣性和連續(xù)流體介質(zhì)共同作用下，砂粒堆積主要發(fā)生在管道彎頭的外側(cè)區(qū)域。而在本工作研究的海上油田低含砂量范圍下砂粒在管道內(nèi)的總體沖蝕量仍然較低；

圖8 不同條件下的管道最大腐蝕量

(3) 沖蝕率隨著輸液量的增加而增大，沖蝕范圍也同時增加。相同輸液量下，沖蝕率隨著含砂率的增加而增大，但對沖蝕范圍無明顯影響。