CN107355636A - 一种抑制集输立管系统内严重段塞流的流动调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制集输立管系统内严重段塞流的流动调节装置，所述装置由两个基本结构构成的基本单元组成，所述基本结构由至少一圈螺旋结构、第一直管段、第二直管段组成，各管段之间的连接方向为切向。通过巧妙设计，将两个螺旋方向相反的基本结构组成基本单元，保证两个基本结构的第二直管段相互连为一体，第一直管段处于同一直线。本发明用于抑制集输立管系统内严重段塞流的流动调节装置各管段内径相同，不会产生无法进行清管作业的问题；且能够稳定安装于平面且曲率半径大小与基本结构长度调节范围广，便于灵活运用；多相流体在基本结构中做360°的圆周运动，使气液混合更加充分，具有显著抑制集输立管系统严重段塞流形成的调节作用。

Description

一种抑制集输立管系统内严重段塞流的流动调节装置

技术领域

本发明属于石油工程多相流动控制领域，具体说是一种抑制集输立管系统油气混输过程中严重段塞流形成的流动调节装置。

背景技术

在海洋油气开发中，为节省海洋管线铺设成本，通常采用多相混方式将原油、天然气及水等产出物自海底举升到海洋生产平台进行预处理。一般将该输送系统称为集输立管系统，其管线结构复杂，在气液流速较低的条件下，极易导致严重段塞流的形成。严重段塞流的产生将引发气液相长时间间断流出，导致集输系统压力增大与产量降低；气液瞬间剧烈喷发，导致分离器效率降低及分离设备的结构破坏；系统压力大幅波动，导致管线强烈振动以及海洋管线内壁腐蚀加剧等严重问题发生，对整个生产系统的安全高效生产带来极大的挑战。

为减轻或消除严重段塞流对整个生产系统的危害，目前已有多种控制严重段塞流形成的技术，主要包括：

节流法，本方法通过在立管顶部安装节流阀门，根据系统流动状况手动减小节流阀门开度，当阀门开度减小到一定程度时，集输立管系统内严重段塞流转变为稳定流动。由于没有严格的操作标准，此方法主要存在过度节流风险，导致系统压力过度升高进而造成油气产量大幅降低。

注气法，该方法分为外部注气与自气举两种类型，外部注气主要通过压缩机将气体增压，在通过注气管路注入立管，注入气体能够减小立管的沿程压降，从而抑制液塞在立管底部的形成。英国专利GB2374161B公布了一种在立管底部注气的严重段塞流抑制方法，但此方法需要注入大量气体才能成功控制严重段塞流的形成，且需要压缩机这样的大型设备，占用宝贵平台空间；除此之外，注气法产生的焦耳—汤姆逊冷却效应，易导致结蜡和水合物形成进而堵塞管线，因此经济效益较差，实用性较弱。自气举主要利用油气井内部气体，通过加装引气装置将立管上游气体引入立管，实现减小立管沿程压降的目标，从而抑制严重段塞流的形成，如中国发明专利CN1288383C所公布的方法。此方法存在引气管易发生倒流，清管作业困难等缺点，导致实际应用十分困难。

自动控制法，该方法主要以选取合适信号作为控制输入参数，再通过控制器对输入参数进行处理，进而调整执行器使立管内流动转变为稳定状态。立管底部压力、立管顶部压力、立管出口流量及系统入口流量等参数均可作为控制输入信号，采用哪种控制输入信号及控制器结构是决定控制效果的关键，但深水水下信号的准确获取是对有效控制的挑战。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，但该方法中系统建模与控制器参数的设定由生产和操作状况决定，其所选参数并不能维持不变，需要不断调整，导致实际应用中也存在一些限制。

分离法，主要通过安装海底气液分离装置，将气液分相输送至海面以上，如中国发明专利CN1297778C公布的利用分离器消除严重段塞流的分相输送方法，该方法主要存在建设与安装成本较高的缺点。

流动调节法，此方法主要通过将扰动装置安装于立管上游一定位置，通过扰动装置的混合作用使进入立管内流动结构发生改变，从而抑制严重段塞流的形成。如美国专利US6041803、美国专利US8393398B2以及美国专利US7857059B2所提出的抑制严重段塞流形成的装置。上述专利中分别存在：流动截面改变无法进行清管作业，流体流动方向剧烈变化导致对该装置冲击较大，存在向下弯头使装置底部不在同一平面导致不易安装等问题，均对实际应用带来一定挑战。

发明内容

针对现有流动调节技术中存在的缺点，本发明的目的在于提供一种能有效抑制集输立管系统内严重段塞流形成的流动调节装置，该流动调节装置不会对系统的清管作业造成困难，也不会因流体流动方向剧烈变化对装置造成较大的冲击，应用该装置能实现对严重段塞流显著抑制的目标，降低或消除严重段塞流压力和流速的剧烈波动对系统生产安全所造成的严重危害。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种抑制集输立管系统内严重段塞流的流动调节装置，包括至少两个基本结构，所述基本结构包括：

至少一圈螺旋结构及与其连接的第一直管段、第二直管段；

螺旋结构与第一直管段、第二直管段的内径相同，且连接方向为切向；

螺旋结构的螺旋圈数为整数，方向为左旋或右旋，中轴线与过第一直管段或第二直管段的竖直平面垂直；

两个基本结构构成一个基本单元。

基本单元由螺旋方向相反的两个基本结构串联而成，使两个基本结构的第二直管段连为一体、第一直管段共线，各基本结构间可相切也可相离。

调节螺旋结构的螺旋半径r、螺距P与圈数N，实现基本结构的幅度与形状调节；

调节第一直管段的长度、第二直管段的长度、螺旋结构的螺旋半径r，实现基本结构长度L的调节。

每个基本单元所包含的两个反向的基本结构，其螺旋结构相同或者不同。

当设置两个及两个以上基本单元时，基本单元之间的连接方式为串联，各基本单元的几何参数相同或者不同。

当设置两个及两个以上基本单元时，各基本单元间相切或者相离。

上述一种抑制集输立管系统内严重段塞流的流动调节装置，安装于立管底部上游一定距离位置，所述装置利用其能促进气液相互作用改变进入立管的流动结构与缩小气体可压缩空间的原理，显著减小严重段塞流周期与立管压差波动幅度，实现对集输立管系统严重段塞流形成的抑制功能。且该装置具有加工工艺简单、不影响清管作业与结构形式多样的优点，在实际应用中十分方便与灵活。

附图说明

图1为本发明基本结构组成示意图(a)为一圈螺旋的基本结构，(b)为两圈螺旋的基本结构；

图2为两种基本结构的参数示意图(a)为一圈螺旋的基本结构参数，(b)为两圈螺旋基本结构参数；

图3为几种基本单元示意图(a)为两个基本结构间相切且其螺旋半径相等，(b)为两个基本结构间相离且其螺旋半径相等，(c)为两个基本结构间相切且上游基本结构的螺旋半径大于下游基本结构的螺旋半径，(d)为两个基本结构间相切且上游基本结构的螺旋半径小于下游基本结构的螺旋半径；

图4为由螺旋半径相等的基本结构构成的n(n≥1)个相同基本单元组成的流动调节装置；

图5为由螺旋半径依次减小的基本结构构成的n(n≥1)个相同基本单元组成的流动调节装置；

图6为由螺旋半径依次增大的基本结构构成的n(n≥1)个相同基本单元组成的流动调节装置；

图7为由螺旋半径依次增大的基本结构构成的n(n≥1)个不同基本单元组成的流动调节装置；

图8为由螺旋半径依次减小的基本结构构成的n(n≥1)个不同基本单元组成的流动调节装置；

图9为由螺旋半径相等的基本结构构成的两个相同基本单元组成的流动调节装置用于抑制集输立管系统内严重段塞流的示意图；

图10为由螺旋半径相等的基本结构构成的两个相同基本单元组成的流动调节装置对立管压差波动幅度的抑制效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

一种抑制集输立管系统内严重段塞流的流动调节装置，包括至少两个基本结构，所述基本结构包括：

至少一圈螺旋结构及与其连接的第一直管段、第二直管段；

螺旋结构与第一直管段、第二直管段的内径相同，且连接方向为切向；

螺旋结构的圈数为整数，方向可以为左旋或右旋，中轴线与过第一直管段或第二直管段的竖直平面垂直；

包括至少一个基本单元，基本单元由螺旋方向相反的两个基本结构串联而成，使两个基本结构的第二直管段连为一体、第一直管段共线，各基本结构间相切或者相离。

通过调节螺旋结构的螺旋半径、螺距与圈数，实现基本结构的幅度与形状调节；

通过调节第一直管段长度、第二直管段长度、螺旋管段的螺旋半径，实现基本结构的长度调节。

每个基本单元所包含的两个反向的基本结构，其螺旋结构可以相同，也可以不同。

当设置两个以上基本单元时，基本单元之间的连接方式为串联，各基本单元的结构可以相同，也可以不同。

当设置两个及两个以上基本单元时，各基本单元间相切或者相离。

参见图1所示，本发明给出了两个组成一种抑制集输立管系统内严重段塞流的流动调节装置的基本结构，包括：螺旋结构、第一直管段、第二直管段。

参见图2所示，基本结构的几何参数主要由基本结构长度L、螺旋结构的螺旋半径r、螺旋结构的螺距P、螺旋结构的螺旋圈数N(N≥1)以及管内径d决定。在实施过程中可根据集输立管结构形式与装置安装环境灵活调节各参数使装置满足工程应用要求。

在上述技术方案基础上，可将多种不同参数的基本结构串联组装成多种不同形式的基本单元，组成基本单元的各基本结构的螺旋间可以相切或相离，各基本结构的螺旋半径可以相等，也可以依次增大或减小，参见图3所示。

本发明的原理与优势在于：

1.在较低折算液速条件下，由于所述装置存在变化平缓的上倾和下倾管段而使分层的多相流体流体开始积累，从而破坏立管上游分层流动结构以形成较短液塞后流入立管，最终对集输立管系统内严重段塞流引起的剧烈波动进行抑制；

2.在较高折算液速条件下，液相具有较强携带气相的能力，且多相流体在各基本单元中做多次360°的圆周运动，可实现气液相间的充分混合，气液两相则较为连续地进入立管，最终有效对集输立管系统内严重段塞流引起的剧烈波动进行抑制；

3.所述装置沿程各处管径均无突变，不会对管线系统定期清管作业造成影响；

4.所述装置结构简单，易于加工，可通过灵活调整第一直管段的长度、第二直管段的长度、螺旋结构的螺旋半径与螺旋圈数，实现装置的长度与装置与平面的接触面积调节，具有更高的工程实用性；

5.所述装置的基本单元曲率较小，多相流体在基本单元中的流动方相变化平缓，不会对装置产生较大的冲击，可显著增加装置的服役寿命。

在上述技术方案基础上，可通过串联基本单元构成多种形式的用于抑制集输立管系统严重段塞流的流动调节装置。上述流动调节装置可以由多个相同几何参数的基本单元串联而成：可由螺旋半径相等的基本结构构成的n(n≥1)个相同基本单元组成装置，参见图4所示；可由螺旋半径依次减小的基本结构构成的n(n≥1)个相同基本单元组成装置，参见图5所示；可由螺旋半径依次增大的基本结构构成的n(n≥1)个相同基本单元组成装置，参见图6所示。

在上述技术方案基础上，可通过串联基本单元构成多种形式的用于抑制集输立管系统严重段塞流的流动调节装置。上述流动调节装置可以由多个不同几何参数的基本单元组装而成，可由螺旋半径依次增大的基本结构构成的n(n≥1)个不同基本单元组成装置，参见图7所示；可由螺旋半径依次减小的基本结构构成的n(n≥1)个不同基本单元组成装置，参见图8所示。

在上述技术方案基础上，将由螺旋半径相等的基本结构构成的两个相同基本单元组成的流动调节装置实施安装于集输立管系统的立管基部上游一定距离的位置，以实现抑制集输立管系统内严重段塞流形成的功能，参见图9所示。

在上述技术方案基础上，使用图9所示的安装流动装置后的集输立管系统作为实施案例进行实验研究，对安装上述流动调节装置前后的立管压差波动特性进行比较，参见图10所示。该装置通过改变立管内流动结构将不稳定流动危害显著减弱，如可将波动幅度剧烈与波动频率低的严重段塞流转变为波动幅度较小与波动频率较高的另一类严重段塞流或振荡流动，甚至可将第一类严重段塞流直接转变为波动幅度小与波动频率高的稳定流动，立管整体压差波动幅度被显著降低，对立管压差波动幅度的最大抑制率约为60％，说明上述流动调节装置具有显著抑制集输立管系统内严重段塞流产生剧波动的功能，可用于抑制集输立管系统内严重段塞流的发生，以提高系统运行的经济效益与安全性能。

上述仅为本发明的几种实施方式，不是全部的实施方式。本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种抑制集输立管系统内严重段塞流的流动调节装置，其特征在于，包括至少两个基本结构，所述基本结构包括：

至少一圈螺旋结构(1)及与其连接的第一直管段(2)、第二直管段(3)；

螺旋结构(1)与第一直管段(2)、第二直管段(3)的内径相同，且连接方向为切向；

螺旋结构(1)的螺旋圈数为整数，方向为左旋或右旋，中轴线与过第一直管段(2)或第二直管段(3)的竖直平面垂直；

两个基本结构构成一个基本单元。

2.根据权利要求1所述的一种抑制集输立管系统内严重段塞流的流动调节装置，其特征在于，基本单元由螺旋方向相反的两个基本结构串联而成，使两个基本结构的第二直管段(3)连为一体、第一直管段(2)共线，各基本结构间可相切也可相离。

3.根据权利要求1所述的一种抑制集输立管系统内严重段塞流的流动调节装置，其特征在于，调节螺旋结构(1)的螺旋半径r、螺距P与圈数N，实现基本结构的幅度与形状调节；

调节第一直管段(2)的长度、第二直管段(3)的长度、螺旋结构的螺旋半径r，实现基本结构长度L的调节。

4.根据权利要求2所述的一种抑制集输立管系统内严重段塞流的流动调节装置，其特征在于：每个基本单元所包含的两个反向的基本结构，其螺旋结构(1)相同或者不同。

5.根据权利要求1或2所述的一种抑制集输立管系统内严重段塞流的流动调节装置，其特征在于，当设置两个及两个以上基本单元时，基本单元之间的连接方式为串联，各基本单元的几何参数相同或者不同。

6.根据权利要求2所述的一种抑制集输立管系统内严重段塞流的流动调节装置，其特征在于，当设置两个及两个以上基本单元时，各基本单元间相切或者相离。