氣液兩相流集輸管匯偏流問題研究*

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(xué)（北京）

在油氣田生產(chǎn)工藝系統(tǒng)中，管匯大量應(yīng)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(tái)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(jí)處理設(shè)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(diào)壓計(jì)量。在深水油氣田開發(fā)領(lǐng)域，水下管匯用于收集多個(gè)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(tái)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(tái)并聯(lián)的生產(chǎn)分離器。流型、重力、慣性力等因素導(dǎo)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(yán)重時(shí)，部分分離器負(fù)荷嚴(yán)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(dǎo)致分離器運(yùn)行效率過低。

在設(shè)計(jì)油氣處理工藝系統(tǒng)時(shí)，為適應(yīng)嚴(yán)重偏流工況，通常需要提高氣液分離器等油氣處理設(shè)施的冗余能力，從而造成分離器處理能力與尺寸設(shè)計(jì)偏大，不僅增加集輸系統(tǒng)占地面積，還會(huì)增加投資費(fèi)用。因此，為降低油氣集輸系統(tǒng)的投資費(fèi)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(jìn)行研究。目前，鮮有文獻(xiàn)報(bào)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(xiàn)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(gè)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(shí)會(huì)出現(xiàn)偏流現(xiàn)象，而且單相流流體也會(huì)出現(xiàn)偏流。與單相流管匯偏流問題相比，多相流流型的復(fù)雜性、慣性力等因素使得管匯偏流問題更為復(fù)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(rèn)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(jī)理已從理論上得到驗(yàn)證[1-4]。然而，匯管內(nèi)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(huì)導(dǎo)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(nèi)各引出管壓力分布不均的主要因素有摩阻損失、動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓能、克服高程差、幾何結(jié)構(gòu)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(shè)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(jìn)入?yún)R管后可均勻流向匯管兩端，沿著流動(dòng)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(dǎo)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(huì)加重流量分配不均勻程度[6]。動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓能是指當(dāng)流體處于湍流狀態(tài)時(shí)流體流動(dòng)過程中存在一個(gè)徑向速度，當(dāng)流體流至壁面附近時(shí)徑向速度降低，損失的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓能，影響匯管內(nèi)壓力分布情況。以豎直管匯（圖3）為例，假設(shè)輸送介質(zhì)為水，受重力影響，位于匯管入口下側(cè)引出管的流量一般會(huì)高于位于上側(cè)引出管的流量。實(shí)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(huì)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(huì)產(chǎn)生渦流區(qū)域，導(dǎo)致匯管入口流向兩端流量不均。當(dāng)匯管內(nèi)流體湍流強(qiáng)度較大時(shí)匯管內(nèi)會(huì)形成多個(gè)渦流區(qū)域，渦流區(qū)域的位置、數(shù)量、大小均會(huì)影響各引出管流量分配的均勻性。

（3）慣性力造成偏流。當(dāng)流體水平流經(jīng)某豎直引出管時(shí)，慣性力的作用導(dǎo)致部分本應(yīng)進(jìn)入引出管的流體繼續(xù)水平向前流動(dòng)，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(huì)降低。

（1）兩相流流型造成管匯偏流。對于段塞流，匯管內(nèi)可能出現(xiàn)漩渦區(qū)；對于波狀分層流，匯管內(nèi)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(dāng)匯管入口流體質(zhì)量流量較低時(shí)，流型對管匯流量分配起決定性作用；當(dāng)流體質(zhì)量流量較高時(shí)，尤其是氣相流量提高時(shí)，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(dāng)氣、液兩相同時(shí)水平流經(jīng)某豎直引出管時(shí)，氣相慣性遠(yuǎn)小于液相慣性，使得氣相更容易進(jìn)入該支管。

（3）氣體攜帶液體造成管匯偏流。當(dāng)氣相流速較大時(shí)，氣相會(huì)攜帶大量液相進(jìn)入靠近匯管入口的引出管，一定程度上會(huì)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(yùn)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(nèi)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(jìn)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(nèi)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(shí)，液相偏向于從遠(yuǎn)離匯管入口的引出管流出；垂直向下流出時(shí)，液相偏向于從靠近匯管入口的引出管流出。實(shí)驗(yàn)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(dāng)各引入管來流工況一致時(shí)，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(dāng)各引入管來流工況偏差較大時(shí)，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(jìn)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(dāng)引出管長度增加或管徑降低達(dá)到一定程度后，改善效果將明顯減弱。增大流體在引出管內(nèi)流動(dòng)產(chǎn)生的摩阻損失，即引出管壓降遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于匯管內(nèi)壓降時(shí)，各引出管入口壓力不均對管匯偏流程度的影響將會(huì)降低，引出管壓降將對流量分配起決定性作用。此時(shí)，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(nèi)流體流動(dòng)產(chǎn)生的摩阻損失，使得沿著流動(dòng)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(qiáng)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(yùn)行參數(shù)

影響氣液兩相流管匯偏流程度的運(yùn)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(zhì)量流量[9]、壓力[21]。匯管入口流體運(yùn)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(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，提高氣相折算速度氣相偏流程度將會(huì)降低，而液相偏流程度將會(huì)加重。

（2）液相折算速度。當(dāng)氣相折算速度較大時(shí)，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(huì)降低。但是當(dāng)氣相折算速度較小時(shí)，增加液相折算速度，氣、液兩相偏流程度均會(huì)加重。

（3）質(zhì)量流量。增大入口流體總質(zhì)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(huì)加重，而液相偏流程度將會(huì)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(jié)構(gòu)調(diào)整、壓力分布調(diào)整、流型調(diào)整、氣液兩相預(yù)分離、多級(jí)分配。

（1）幾何結(jié)構(gòu)調(diào)整。在管匯系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)出最優(yōu)的管匯結(jié)構(gòu)。

（2）壓力分布調(diào)整。通過將引出管插入?yún)R管[23-25]、匯管內(nèi)安裝阻尼元件[26-27]、引出管安裝調(diào)節(jié)閥[28-29]調(diào)整流體在管匯系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)時(shí)受到的阻力，使得各引出管壓力分布情況盡可能一致，進(jìn)而降低壓力分布不均對偏流的影響?？紤]到只有當(dāng)引出管插入?yún)R管深度足夠大時(shí)偏流程度才會(huì)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(shí)，流通面積縮小，流體進(jìn)入引出管的速度提高，當(dāng)流速大于當(dāng)?shù)芈曀贂r(shí)，便會(huì)形成臨界流動(dòng)來克服引出管阻力特性和出口壓力不一致導(dǎo)致的偏流問題。

（3）流型調(diào)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(shí)，由于流動(dòng)面積減小或者離心力的作用，兩相流將會(huì)充分混合形成均相流，此時(shí)流動(dòng)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(dāng)兩相流質(zhì)量流量較高時(shí)，混合元件可以降低液相偏流程度；而當(dāng)兩相流質(zhì)量流量較低時(shí)，由于流體動(dòng)量小，無法充分混合形成均相流，可能導(dǎo)致偏流程度加重。

（4）氣液兩相預(yù)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(jìn)行分離，兩相分別進(jìn)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(shè)計(jì)了分相式分配器，氣液兩相流經(jīng)預(yù)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(gè)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(jí)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(yùn)行系統(tǒng)，與單級(jí)流量分配系統(tǒng)相比，多級(jí)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(nèi)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(nèi)安裝笛形管[19，37]對流量進(jìn)行二次分配，并且當(dāng)?shù)研喂芸卓诜较虮硨R管引出口時(shí)，管匯偏流程度將會(huì)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(diào)整笛形管各個(gè)小孔直徑來改變匯管內(nèi)壓力分布情況。匯管內(nèi)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(dāng)匯管內(nèi)氣液兩相流體處于段塞流時(shí)，笛形管還可以消除匯管內(nèi)流體呈現(xiàn)的周期性脈動(dòng)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(nèi)外關(guān)于該問題的研究正處于起步階段，相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道較少，還存在著諸多關(guān)鍵問題有待深入研究。

（1）建立管匯內(nèi)氣液兩相流流動(dòng)過程三維仿真模型。管匯偏流問題是典型的三維流動(dòng)問題，相關(guān)文獻(xiàn)提出的管匯系統(tǒng)壓力、流量分布計(jì)算方法主要將其簡化為一維流動(dòng)問題，導(dǎo)致理論模擬結(jié)果與實(shí)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(qiáng)的壓力與流量分布預(yù)測模型。

（3）管匯流量分布是時(shí)間與空間的分布函數(shù)，研究構(gòu)建偏流指標(biāo)以真實(shí)反映管匯偏流程度隨時(shí)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。