CN102767340B - 一种多相流流动调整装置及利用其抑制段塞流的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多相流流动调整装置及利用其抑制段塞流的方法，所述装置包括至少一个基本单元，所述基本单元包括：前直管段和后直管段，在二者之间设有向上方凸起的主弯管，主弯管和前直管段之间通过前弯头连接，主弯管和后直管段之间通过后弯头连接，所述主弯管为180°弯管,所述前弯头、后弯头均为90°弯头。本发明所述的多相流流动调整装置结构合理，主弯管弯曲半径较大，使波形管具有较大“波动”幅度，利于在主弯管顶部储存气体，利于产生混合作用；连接基本单元的直管段使装置的总长度可方便调节，使装置能够平稳安置于平面上。本发明所述的抑制段塞流的方法，可用于强烈段塞流和水力段塞流；实施简易，无需额外配备硬件和软件。
Description
技术领域
本发明涉及海上油气田开发系统段塞流抑制技术领域，具体说是一种多相流流动调整装置及利用其抑制段塞流的方法。所述段塞流尤指强烈段塞流和水力段塞流。
背景技术
海上油气田开发系统通常包括水下生产系统、集输管线-立管系统、水上固定/浮式结构设施和上部处理系统等4个子系统。
在油气田开发的初期和末期，当油气产量较低时，强烈段塞流经常产生于集输管线-立管系统中。强烈段塞流是指：液塞长度至少为立管长度1倍的段塞流，它具有准周期性，每一周期包括4个阶段：液塞形成、液塞产出、气体渗入和液气喷发/液体回落。在液塞形成阶段，随着立管内液塞长度的增加，立管底部的静压升高，施加于井口的回压相应增加，从而造成油井的减产；在液塞形成阶段立管出口气液流量几乎为零，而进入液塞产出阶段后，长液塞突然进入下游处理系统，剧烈的流量变化会导致下游分离器的溢流和压缩机供气不足，甚至导致停产等事故；在液气喷发阶段，立管上游的压缩气体将液塞尾部高速地喷出立管，导致系统内剧烈的压力波动，使管线支撑系统、接头和阀门等处遭受剧烈的振动冲击，对生产系统的结构强度和安全性构成危害。
在油气田开发的中期油气产量较高时，水力段塞流经常产生于集输管线中。相对于强烈段塞流，水力段塞流的液塞较短，但是水力段塞流的液塞运动速度和液塞频率较高，同样会给生产系统带来很大危害。
目前抑制强烈段塞流的主要方法可分为两大类：主动式方法和被动式方法，两类方法的区别在于是否需要外部资源的注入。主动式方法需要昂贵的外部资源，通常系统结构较复杂，因此主动式方法的缺点在于其成本高、系统复杂，为了实现强烈段塞流的抑制而耗费大量的资源；被动式方法无需外部资源，通常采用系统自身改造的形式，成本较低，系统设计简单，但现有的技术方案也存在种种不足（详见下文）。
主动式方法主要包括：（1）立管顶部节流法；（2）接泵法；（3）外部供气气举法；（4）基于自动控制的方法。
立管顶部节流法需要操作人员手动操作立管顶部的节流阀，当出现立管系统内严重段塞流时，减小阀门开度。但是操作员的手动操作容易产生过节流，从而使立管底部压力急剧升高，系统压力过高会造成油气产量大大降低；手动操作使操作条件变化较快，由于油气多相流动的非线性性质，快速变化的操作条件扰动易引起多相流动的不稳定性。
接泵法指在管线中接入多相泵对油气多相流进行抽吸、增压和泵送，或者接入单相泵对液相进行抽吸、增压和泵送，增加流动速度，避免液相累积而生成长液塞。但是，油气产物成分的复杂多样性给多相泵的适用范围提出了很高的要求，而且多相泵等设备的安装维修过程复杂。应用单相泵在立管顶部抽吸液塞，难以保证单相泵吸入纯液塞。中国专利CN1297778C公布了一种分离器及利用其消除严重段塞流的分相输送方法，同样存在水下安装维修不变，难以保证单相泵吸入纯液塞的问题。
外部供气气举法需要压缩机将生产系统外部的气体进行压缩，然后通过单独的管线将压缩气体导入立管或立管上游管线。注入上游管线的压缩气体可以增加立管底部上游流体的流动速度，注入立管的压缩气体能够减小沿立管的压力降，从而减小液塞在立管底部形成的可能性。英国专利GB2374161B公布了一种在立管底部注气的强烈段塞流抑制方法，但是由于需要压缩机、输气管线和大量可供压缩的气体，外部供气气举法经济性较差；另外,所注入的大量压缩气体易产生焦耳-汤姆逊冷却效应，导致蜡和水合物的形成。
基于自动控制的方法需要设计控制器来调整执行器（如控制阀）以改变立管内流体的流动状态。被控变量的选择是控制方案制定中的首要问题，如立管底部压力，立管顶部压力，立管顶部出口流量等。立管底部的压力被认为是最优的被控变量，但是深水条件下压力的测量和信号的传输是个难点。美国专利US6390114B1公布了一种段塞流控制方法，通过对初级分离器出口气相和液相流量的调节来实现对初级分离器液位的控制。中国专利CN1297779C公布了消除严重段塞流的阀门节流动态控制方法。系统模型的建立和控制器的设计是基于自动控制的严重段塞流抑制方法需要解决的关键问题，但是随着生产的进行和操作条件的改变，系统模型将不能描述系统的状态，所以基于模型所设计控制器参数需要进行不断调整，实际应用非常不便。
被动式方法主要包括：（1）液塞捕集器法；（2）自供气气举法；（3）流动调整法。
液塞捕集器是指立管出口和下游主分离器之间的初级分离器，用来临时储存来自立管的液塞以达到缓冲液塞对下游设备的冲击的目的。由于容量有限，液塞捕集器所能处理的液塞的体积有限，当严重段塞流的液塞体积较大且运动速度较高时，液塞捕集器难以应对。液塞捕集器在实际应用中会遇到难以估计液塞长度和平台空间有限而无法安装的问题。
自供气气举法不需要压缩机压缩生产系统外部的气体，而是将立管上游管线内的气体导入立管。这种方法采用一个小管径的导管连接立管和上游管线，使上游压缩气体能够进入立管内液塞中，气体转移的过程能够同时减小立管上游气体的压力和立管内的静压降，从而减小液塞在立管底部形成并生长为长液塞的可能性。2000年的美国石油工程师年会（文献号：SPE63185）上发布了两种自供气气举法的方案，但是这两种方案在应用时均存在实际的困难。立管中注气口处的液体易发生倒流，会在导气管最低点形成液塞，从而堵塞通气管道；内置导气管方案会给清管操作带来困难。
流动调整法是指在立管上游的管线内安装流动调整装置将气液分层流转变为其他流型，以消除严重段塞流形成的必要条件之一：上游管线内的流型必须为气液分层流。目前已有3种装置：类文丘里管装置、重丘形装置和波浪管。
美国专利US6041803提出将一种类文丘里管的流动调整装置，可置于立管上游的管线内。工作原理为调整气液分层流为其他流型，该装置能够对气液两相流产生混合作用并临时把分层流转换成其他流型，但是改变后的流型在类文丘里管装置的下游一段距离后会恢复为分层流，而且该方法最大的缺点是类文丘里管装置的“缩颈”段会给管线的清管操作带来困难，因此难以得到实际应用。
PCT专利WO 2007/034142A1提出一种重丘形装置，工作原理为将长液塞分离成为短液塞，该装置采用直管加弯头的组装形式，由于流体流动方向急剧变化，从而导致流体对该装置的冲击较大，装置易产生机械损伤。
美国专利US7857059B2提出一种波浪管装置，工作原理与类文丘里管装置相似，即调整气液分层流为其他流型，此波浪管装置由标准弯头构成，其缺点为：（1）由于标准弯头弯曲半径有限，波浪管波动幅度小，致使其对气液两相流动的干扰能力有限；（2）波浪管长度变化依靠增加弯头个数实现，致使其长度受限；（3）管件凹陷部分（向下的弯头）使波浪管底部不平坦，致使其难以平稳安置于平面上。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种多相流流动调整装置及利用其抑制段塞流的方法，应用此多相流流动调整装置实现对段塞流的抑制，消除或者减弱段塞流给油气生产系统的安全性和稳定性带来的危害。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种多相流流动调整装置，其特征在于，包括至少一个基本单元，所述基本单元包括：
前直管段1和后直管段5，在二者之间设有向上方凸起的主弯管3，所述主弯管3为180°弯管,
主弯管3和前直管段1之间通过前弯头2连接，
主弯管3和后直管段5之间通过后弯头4连接，
所述前弯头2、后弯头4均为90°弯头。
在上述技术方案的基础上，直管段和弯管部位的管径相同。
在上述技术方案的基础上，通过调整主弯管3的弯曲半径，实现基本单元的幅度的调节；
通过调整前直管段1和/或后直管段5的长度，实现基本单元的长度的调节。
在上述技术方案的基础上，当设置两个以上所述基本单元时，各基本单元依次前后串接构成流动调整装置。
在上述技术方案的基础上，各基本单元从左至右水平高度依次下降，
或各基本单元从左至右水平高度依次上升，
或各基本单元从左至右水平高度均相同。
在上述技术方案的基础上，各基本单元的幅度A从左至右依次递增，
或各基本单元的幅度A从左至右依次递减。
在上述技术方案的基础上，各基本单元的长度L从左至右依次递增，
或各基本单元的长度L从左至右依次递减。
一种基于上述装置的抑制段塞流的方法，其特征在于，当用于集输管线-立管系统内强烈段塞流的抑制时：
将所述装置作为集输管线的一部分安装于立管上游的管线中，基于所述装置的“主弯管存储气体和所存储气体提前进入立管”的工作原理，减少液体累积和液塞产出的时间，从而减小强烈段塞流的液塞长度，实现强烈段塞流的抑制；
此装置的出口位于立管的底部的上游一定距离处；
当用于集输管线-立管系统内水力段塞流的抑制时：将所述装置作为集输管线的一部分安装于出现水力段塞流的管线中，基于所述装置产生“多相流体混合作用”的工作原理，使多相流的气液相趋于混合，使气体进入液塞，从而降低液塞的平均密度，减弱水力段塞流给集输系统带来的有害冲击，实现水力段塞流的抑制。
本发明所述的多相流流动调整装置及利用其抑制段塞流的方法，具有以下优点：
1、所述装置结构合理，基本单元的180°弯管的弯曲半径较大，所述装置受到流体的冲击力小，能保证波形管有较大“波动”幅度，利于在弯管顶部储存气体，利于产生混合作用；
2、所述装置无管径的变化，不会影响清管操作；
3、连接基本单元的直管段，使所述装置的总长度可方便调节，使所述装置能够平稳安置于平面上。
4、利用所述装置抑制段塞流的方法，分别基于所述装置“主弯管存储气体和所存储气体提前进入立管”和所述装置产生“多相流体混合作用”的工作原理，对强烈段塞流和水力段塞流分别进行抑制。此方法用途较广，可抑制两种段塞流；实施简易，无需额外配备硬件和软件。
附图说明
本发明有如下附图：
图1 基本单元结构示意图，
图2 基本单元结构参数示意图，
图3 实施例之基本单元主弯管弯曲半径逐渐增大（由左到右），
图4 实施例之基本单元主弯管弯曲半径逐渐减小（由左到右），
图5 使用状态之流动调整装置用于抑制强烈段塞流参考图，
图6 使用状态之流动调整装置用于抑制水力段塞流参考图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1～4所示，本发明给出了一种多相流流动调整装置，包括：
至少一个基本单元，基本单元如图1、2所示，所述基本单元包括：
前直管段1和后直管段5，在二者之间设有向上方凸起的主弯管3，所述主弯管3为180°弯管,
主弯管3和前直管段1之间通过前弯头2连接，
主弯管3和后直管段5之间通过后弯头4连接，
所述前弯头2、后弯头4均为90°弯头。
如图2所示，设直管段轴线和主弯管顶部中心线之间的距离为基本单元的幅度A，前后直管段两端（最远端）之间的距离为基本单元的长度L，基本单元的管径为D（直管段和弯管部位的管径相同，即：主弯管3、前直管段1和后直管段5的管径均为D）。构成本发明所述流动调整装置的基本单元的幅度A可灵活改变：通过调整主弯管3的弯曲半径，实现基本单元的幅度A的调节，而且通过调整前后直管段的长度可方便调节所述流动调整装置的总长度：通过调整前直管段1和/或后直管段5的长度，实现基本单元的长度L的调节，进而实现本发明所述流动调整装置的总长度的调节。
本发明的优点在于：
1. 所述装置的基本单元采用180°弯管，多相流体在基本单元中作圆周运动，流动方向变化平缓，装置受到流体的冲击力小；
2. 所述装置的基本单元的180°弯管的弯曲半径较大，使波形管有较大“波动”幅度，利于在弯管顶部储存气体，利于产生对多相流体的混合作用；
3. 所述装置的基本单元由直管段连接，无凹陷部分，使所述装置能够平稳安置于平面上，且所述装置受到平面的支撑力较均匀；
4. 所述装置的基本单元之间的直管段可用来方便调节所述装置的总长度，克服流动调整装置长度受限的缺点；
5. 所述装置的基本单元的结构参数可沿流动方向变化，结构参数灵活，实施方案灵活；
6. 所述装置无管径的变化，不会影响管线的清管操作。
在上述技术方案的基础上，当设置两个以上所述基本单元时，各基本单元依次前后串接构成流动调整装置。
在上述技术方案的基础上，各基本单元从左至右水平高度依次下降。参见图5，适合用于抑制强烈段塞流，此时各基本单元的幅度A可相同或不同，基本单元的管径D不变。
在上述技术方案的基础上，各基本单元从左至右水平高度依次上升。即与图5的设置相反，适合用于抑制强烈段塞流，此时各基本单元的幅度A可相同或不同，基本单元的管径D不变。
在上述技术方案的基础上，各基本单元从左至右水平高度均相同。参见图6，适合用于抑制水力段塞流，此时各基本单元的幅度A可相同或不同，基本单元的管径D不变。
在上述技术方案的基础上，各基本单元的幅度A从左至右依次递增。参见图3，主弯管弯曲半径r1、r2、……、r（n-1）、rn逐渐增大。基本单元的管径D不变，此时各基本单元的幅度A可相同或不同。
在上述技术方案的基础上，各基本单元的幅度A从左至右依次递减。参见图4，主弯管弯曲半径r1、r2、……、r（n-1）、rn逐渐减小。基本单元的管径D不变，此时各基本单元的幅度A可相同或不同。
在上述技术方案的基础上，各基本单元的长度L从左至右依次递增。参见图3，各基本单元的长度L1、L2、……、Ln逐渐增大。基本单元的管径D不变，此时各基本单元的幅度A可相同或不同。
在上述技术方案的基础上，各基本单元的长度L从左至右依次递减。参见图4，各基本单元的长度L1、L2、……、Ln逐渐减小。基本单元的管径D不变，此时各基本单元的幅度A可相同或不同。
在上述流动调整装置的基础上，本发明给出基于此流动调整装置的集输管线-立管系统内强烈段塞流的抑制方法：
将所述装置作为集输管线的一部分安装于立管上游的管线中，基于所述装置的“主弯管存储气体和所存储气体提前进入立管”的工作原理，减少液体累积和液塞产出的时间，从而减小强烈段塞流的液塞长度，实现强烈段塞流的抑制；此装置的出口位于立管的底部的上游一定距离处。
更具体地说：
当集输管线-立管系统内出现强烈段塞流时，集输管线内的流型为气液分层流，在强烈段塞流的液塞形成阶段，液体在立管底部累积，所述装置内的气体和液体流速均较低，液体主要存在于直管段，主弯管内储存一定的气体，从而使集输管线内的气体距离立管底部较近（相对于未安装所述装置的集输管线），则集输管线内的气体相对较早地进入立管（相对于未安装所述装置的集输管线）；在强烈段塞流的液塞产出阶段，主弯管内储存的气体进一步提前进入立管（相对于未安装所述装置的集输管线），气体较早进入立管产生两种作用：（1）缩短液体累积时间，减少液体累积量，减小液塞长度，若将液塞长度减小到小于立管长度，则认为强烈段塞流已被消除；（2）若液塞长度虽减小，但液塞仍长于立管，则认为强烈段塞流已被减弱；总之，主弯管内储存的气体减少了液体累积和液塞产出阶段（若液塞仍长于立管）的时间，从而减小了液塞的长度，实现强烈段塞流的抑制。
在上述流动调整装置的基础上，本发明还给出了基于此流动调整装置的水力段塞流的抑制方法：
将所述装置作为集输管线的一部分安装于出现水力段塞流的管线中，基于所述装置产生“多相流体混合作用”的工作原理，使多相流的气液相趋于混合，使气体进入液塞，从而降低液塞的平均密度，减弱水力段塞流给集输系统带来的有害冲击，实现水力段塞流的抑制。
更具体地说：
对于水力段塞流，液塞在进入所述装置的主弯管之前，由于液体密度较高，气体密度较低，液体在管道下部流动，气体在管道上部流动；在所述装置的入口处，由于水平流动被转变为竖直向上流动，液塞运动速度降低，上游气体可冲入液塞，从而使液塞的含气率增加，平均密度减小，对气液两相产生混合作用，从而实现水力段塞流的抑制；液塞在主弯管内运动时，由于主弯管对液塞以及液塞上下游的气液分层流产生扰动作用，气体可进一步渗入液塞，从而使液塞含气率进一步增加，平均密度进一步减小，对气液两相产生混合作用，从而实现水力段塞流的抑制。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (7)
1.一种多相流流动调整装置，其特征在于，包括至少一个基本单元，所述基本单元包括：
前直管段(1)和后直管段(5)，在二者之间设有向上方凸起的主弯管(3)，所述主弯管(3)为180°弯管,
主弯管(3)和前直管段(1)之间通过前弯头(2)连接，
主弯管(3)和后直管段(5)之间通过后弯头(4)连接，
所述前弯头(2)、后弯头(4)均为90°弯头；
多相流体在180°的基本单元中作圆周运动；
当用于集输管线-立管系统内强烈段塞流的抑制时：
将所述装置作为集输管线的一部分安装于立管上游的管线中，当集输管线-立管系统内出现强烈段塞流时，集输管线内的流型为气液分层流，在强烈段塞流的液塞形成阶段，液体在立管底部累积，所述装置内的气体和液体流速均较低，液体主要存在于直管段，主弯管内储存一定的气体，从而使集输管线内的气体距离立管底部较近(相对于未安装所述装置的集输管线)，则集输管线内的气体相对较早地进入立管(相对于未安装所述装置的集输管线)；在强烈段塞流的液塞产出阶段，主弯管内储存的气体进一步提前进入立管(相对于未安装所述装置的集输管线)，减少液体累积和液塞产出的时间，从而减小强烈段塞流的液塞长度，实现强烈段塞流的抑制；
此装置的出口位于立管的底部的上游一定距离处；
当用于集输管线-立管系统内水力段塞流的抑制时：将所述装置作为集输管线的一部分安装于出现水力段塞流的管线中，对于水力段塞流，液塞在进入所述装置的主弯管之前，由于液体密度较高，气体密度较低，液体在管道下部流动，气体在管道上部流动；在所述装置的入口处，由于水平流动被转变为竖直向上流动，液塞运动速度降低，上游气体可冲入液塞，从而使液塞的含气率增加，平均密度减小，对气液两相产生混合作用，使多相流的气液相趋于混合，使气体进入液塞，从而降低液塞的平均密度，减弱水力段塞流给集输系统带来的有害冲击，实现水力段塞流的抑制。
2.如权利要求1所述的多相流流动调整装置，其特征在于：直管段和弯管部位的管径相同。
3.如权利要求2所述的多相流流动调整装置，其特征在于：通过调整主弯管(3)的弯曲半径，实现基本单元的幅度的调节；
通过调整前直管段(1)和/或后直管段(5)的长度，实现基本单元的长度的调节。
4.如权利要求2所述的多相流流动调整装置，其特征在于：当设置两个以上所述基本单元时，各基本单元依次前后串接构成流动调整装置。
5.如权利要求4所述的多相流流动调整装置，其特征在于：各基本单元从左至右水平高度依次下降，
或各基本单元从左至右水平高度依次上升，
或各基本单元从左至右水平高度均相同。
6.如权利要求1所述的多相流流动调整装置，其特征在于：各基本单元的幅度A从左至右依次递增，
或各基本单元的幅度A从左至右依次递减。
7.如权利要求4所述的多相流流动调整装置，其特征在于：各基本单元的长度L从左至右依次递增，
或各基本单元的长度L从左至右依次递减。
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