混合立管系统严重段塞流流动特性的实验研究

深海油气田开采过程中混合立管系统会出现严重段塞流,造成系统流动特性参数周期性剧烈波动,严重危害海洋开发系统。在混合立管系统的模拟装置上,实验研究了混合立管系统严重段塞流的流动特性。研究结果表明：混合立管严重段塞流的1个周期分为液塞形成、液塞生产、液气喷发和液体回流4个阶段,立管的垂直管段与U形柔性管段的流动特性稍有不同,U形柔性管段在液气喷发阶段产生剧烈抖动;严重段塞流周期随气液相折算速度的增大而减小;立管压力波动幅度随气相折算速度的增大先增大后减小;液塞长度随气相折算速度的增加而减小,且下倾管增加缓冲容积时液塞长度明显增大,减小出油管长度有利于抑制严重段塞流;在深水混合立管系统结构尺寸变化范围内,垂直管高度和U形柔性管尺寸对严重段塞流的发生范围及特性影响不大。该研究结果将为混合立管的设计提供一定的参考依据。     

深水立管气举效果影响因素模拟分析

以西非某深水油田为研究对象,利用OLGA及PVTsim商业软件,对水深、气油比、含水率、输量以及管道出口压力等影响深水立管气举效果的因素进行了模拟分析。气举能有效地降低深水立管底部压力;在一定范围内,注气量的增大能有效地减小深水立管底部压力波动,但注气量并不是越大越好,每种工况对应一个最优注气量;在油田生产后期,随着含水率增大和管道入口处流体气油比减小,立管底部注气带来的压降获益效果越明显;输量越小,气举效果越好;管道出口压力越大,气举效果越好。     

柔性管段对立管严重段塞流特性的影响

严重段塞流是深海混输立管面临的流动安全问题之一,开展混输立管严重段塞流研究对立管的流动安全及实际生产具有重要意义。在中国石油大学（北京）原立管系统实验装置及改造后的混合立管系统实验装置上进行的不同工况下的严重段塞流特性实验结果表明,柔性管严重段塞流特性不同于垂直管段。在立管总高度相等条件下,利用L型立管和混合立管的流型图、压力、周期和液塞等数据分析了柔性管的存在与否对立管严重段塞特性的影响。相对于L型立管,柔性管存在会在一定程度上缩小严重段塞流I的范围,同时使立管底部最大压力增大约15%～20%,严重段塞周期减小约12.09%,液塞长度减小约1.38%,液塞速度增加约2.93%。在立管总高度等几何参数一定的情况下,对柔性管跨度和长度变化对严重段塞流特性的影响进行了分析。结果表明,柔性管跨度对严重段塞流特性的影响较小;柔性管长度增加,会同时增大严重段塞流的周期和立管底部最大压力。     

集输-S型立管中空气-油两相流流型特征实验研究

实验研究了集输-S型立管中空气-油两相流的流型特征。实验管路由119m的水平段,长14m、倾角为-2°的下倾段,高15.3m、长24m的S型立管段组成,管道内径为50.8mm。基于S型立管底部压力、立管顶部持液率两个信号来区分立管内的流型。实验中发现S型立管内存在第二类严重段塞流、过渡型严重段塞流和稳定流动三类流型,其中稳定流动又包括泡状流、弹状流和环状流。与空气-水两相流不同,并没有观察到第一类严重段塞流。第二类严重段塞流下立管顶部持液率呈方波状,其概率密度函数(PDF)分布系以0与1为峰的双峰结构;过渡型严重段塞流下立管顶部持液率针刺状,其PDF分布基本系以0为峰的单峰结构;稳定流动下顶部持液率波动平稳,其PDF分布在0.3~0.8之间。     

用节流阀消除立管剧烈段塞流

剧烈段塞流是指液塞长度大于立管高度的段塞流。这是管道出口气液瞬时流量变化最大的段塞流,在正常工作范围下,这种段塞流对管道和管道下游相应的设备危害最大。利用立管底部节流阀节流的方法可以改变立管中流体的流型,消除管内压力流量的大幅增大。节流阀的调节作用不是线性的,在开度为60%时,管内压力变化仍然很剧烈;直到开度为30%左右时,立管底部压力基本平稳,说明此时剧烈段塞流得到消除,但同时也造成了背压的明显增大。     

海上出油管线立管系统中的严重段塞流

本文描述了模拟海上出油管线立管系统中常见的严重段塞流不稳定两相流型的小规模实验,特别研究了立管底部辅助气举,出油管线倾斜度以及液体粘度对严重段塞流的影响。通过实验分析探讨了严重段塞流的物理过程,包括模型与原型状态之间的折算方法。并将试验结果和一简明的流体动力学计算机模型做了对比。     

深水立管严重段塞流控制方法及其模拟分析

深水立管中常会出现严重段塞流,如果不加以控制,会带来严重的流动安全问题。为此,对国内外深水立管严重段塞流控制方法进行了全面调研和分析,总结了每种控制方法的优缺点、现场应用情况和适用范围。在此基础上利用某深水油气田的海管和立管资料,采用多相流瞬态模拟软件OLGA模拟了典型年份的流动状况,对段塞流最严重年份分别采用节流法、气举法、节流和气举结合法等方法进行了模拟,并探讨了管径与段塞流的关系。结论认为：该油气田生产后期会出现严重段塞流;在管径优化和设计阶段要充分考虑严重段塞流的影响;不同的段塞流控制方法适用于不同的工况,针对具体深水工程项目,应在开展软件模拟分析时综合考虑各种因素,最终选取经济、有效的段塞流控制方法。     

海洋立管两相流动及管道振动特性试验研究

为了识别海洋立管系统中可能出现的各个流型及考察立管系统在各流型作用下的动态响应,利用室内试验装置模拟海洋立管系统,对立管中两相流动压力波动及其引起的管道振动位移进行测试。试验中共观测到7种流型,提取了不同流型下压力波动的时频域特征值和振动响应的时频域特征值。对气液两相流流动特征及其引起的立管振动特性进行对比分析。研究结果表明,可通过时域信号结合功率谱密度特征对立管中流型进行判别;在具有明显周期性的内部流动的激励下,立管的振动频率与内部压力波动频率相等;强烈段塞流Ⅰ、强烈段塞流Ⅲ和水力段塞流对立管振动影响较大,强烈段塞流Ⅰ下立管产生的位移最大,水力段塞流下立管的振动频率最高。研究结果对保证海洋立管的安全运行具有一定的参考作用。     

连续气举条件下气液两相流流型的研究

文章以奥齐思泽斯基流型分类公式为基础，对我国气举井中的气液两相流流型进行了较为全面的分析计算。由计算结果可以看出，目前气举井中只存在2种流型，即泡状流和段塞流．且段塞流普遍发生在注气点以上．因此，从应用角度来说．可以不考虑过渡流和雾状流2种流动型态．应主要加强对泡状流和段塞流的研究。     

稠油环空掺稀气举技术——以吐哈油田吐玉克区块为例

为了提高稠油冷采开发水平,利用高18.25 m的垂直多相管流实验回路开展了稠油气举流动实验及压降模型优选。基于实验结果及井筒传热机理,建立了环空掺稀气举井筒压力-温度梯度耦合预测模型,并可通过耦合环空与油管内流动进行循环迭代求解。实验结果表明:注气有助于稠油与稀油更快更充分混合;压降模型优选表明,Ansari模型误差相对最小,为12.12% 。针对吐哈油田吐玉克区块稠油井筒举升困难的实际情况,提出了稠油环空掺稀+气举工艺思路,并开展了实例井掺稀气举设计,对注气量、掺稀量等进行了敏感性分析。实例设计结果表明,实例井仅靠气举无法生产,其 掺稀生产极限产量可达到16 m³/d,而掺稀+气举极限产量能达到52.5 m³/d;定产油量条件下,在特定范围内增加注气量能极大地减小掺稀量,且井底掺稀气举能极大地提升稠油井的产能。     

气体加速泵排水采气举升效率研究

气体加速泵是结合气举工艺和喷射泵工艺的优点而发展起来的一种开采工艺设备,在国内外都有较广泛的应用,但对其举升效率和两相流方面的研究还未曾见报道。研究了气体加速泵的工艺原理以及气举的举液机理研究现状,从气举能量角度建立了气体加速泵排水采气举升效率计算模型。模型考虑了压能、热能、位能、膨胀能以及动能。算例分析表明,气体加速泵能较大幅度地提高气体举升效率。比较无滑脱压力梯度和Hagedorn-Brown方法以及Schmidt计算的压力梯度与实测压力梯度,表明气体加速泵能充分减小两相流压力损失。     

新型气举试验装置研制

球塞气举是一种新型高效的气举采油方式，可作为连续气举后期的接替工艺，提高举升效率。完成了球塞气举试验装置的结构和控制系统设计。该试验装置为排液采气井多相管流压降与流型实验、常规连续气举排液采气模拟试验和常规连续气举举升效率分析等研究提供了先进的手段。     

欠平衡钻井正气举过程井筒瞬态流动数值模拟

正举法气举作业的实施效果直接决定着欠平衡钻完井施工的成败,特别是气举过程中的井下压力动态演变,关系到整个作业过程中的井控安全。正举法气举作业的实质是在井下停止循环的初始条件下氮气连续气举作业,井下流体由静止状态到气体穿越液体滑脱至井口的不同于常规稳态流动的瞬态气液两相流动。针对这一特殊流动研究,完成了停止循环开井条件下气举时井下瞬态气液两相流动特征参数变化数值模拟计算方法和数学求解模型的建立,通过实际井数值计算连续气举时井下瞬态气液两相流特征参数变化得出规律性认识,如氮气沿井眼滑脱上升运动速度逐步加大、顶出钻井液随时间的增多、井底流压瞬时波动在初始阶段最大等。研究成果丰富了欠平衡氮气钻完井施工正举法气举作业的井筒流动模型体系和压力控制方案,增强了该特殊流动规律的认识,为井控安全提供了理论保障。     

催化裂化装置提升管T型出口结构压力降的实验分析

在大型循环流化床装置上对提升管的T型出口结构压力降进行了实验研究。首先,在不同实验条件下对循环流化床提升管T型出口结构的压力降进行了实验测量。重点分析了提升管浓度和气体速度与提升管T型出口结构压力降的关系。实验结果表明,由于大型循环流化床提升管T型出口结构处特殊的气流输送机制,循环流化床提升管T型出口结构的压力降主要受提升管T型出口结构处变截面尺寸、提升管出口处流体转向和提升管内气固两相之间摩擦的影响,在循环流化床提升管T型出口结构处形成较大的压力降。循环流化床提升管T型出口结构的压力降与提升管内催化剂浓度的一次方成正比关系,与提升管内气体速度的二次方成正比关系。最后,在实验数据的基础上,给出循环流化床提升管T型出口结构的压力降计算公式。     

Influence of separator control on the characteristics of severe slugging flow

Due to the special structure of offshore multiphase pipes, it is easy for severe slugging to occur in the riser at low gas-liquid velocity. Violent pressure fluctuations and dramatic changes of flow rate are the main characteristics of severe slugging, leading to the risk of serious damage. In this paper, the separator control is adopted to accurately control the separator liquid level and pressure under severe slugging flow conditions. This indicates that the separator liquid level control alone does not have a significant impact on the upstream flow, but it is beneficial for normal operation and pressure control of the separator. As the separator pressure increases, the peak pressure in the riser apparently diminishes, and the amplitude of pressure fluctuation gradually decreases, which means that severe slugging is inhibited. During the slug blowing out, the gas/liquid slipping in the riser intensifies. The long gas plug quickly flows through the riser, and then tends to morph into short and slowly flowing gas bubbles. The elimination effect of the pressure control strategy on severe slugging is related to the relative rate of the superficial gas/liquid flow.     

铅直气液两相管流研究现状综述

论述了深井气举采油的工作特点,阐述了气液两相管流研究对气举井设计和运行的重要作用,从研究方法上综述了国内外铅直气液两相管流的研究现状,分析了铅直气液两相流研究中尚存在的不足以及应用上的局限性,指出应加强铅直气液两相管流基础应用研究,提出适合我国的空隙率、混合液密度、压力梯度相关式。还针对气液两相流动特点和流动型态的多样性,提出应采用模糊数学方法来研究气液两相流的流动型态,以得到合理而科学的气液两相流分类公式和方法。     

Experimental Investigation and Numerical Simulation of Two-Phase Flow in a Large-Diameter Horizontal Flow Line Vertical Riser

Abstract

As oil and gas field development moves further into deep seas, maximizing hydrocarbon extraction at an acceptable cost is one of the greatest challenges facing the industry today. In this regard, considerable attention has been given to understanding the flow behavior in long and deep flow line risers of different topologies through transient multiphase simulation. However, the application of the large diameter to the above scenario is still an unresolved issue creating a great deal of uncertainty. This is mainly due to the limitation of the available experimental and field data being confined to much smaller diameters.

In view of the aforementioned, an experimental campaign to investigate the flow behavior in a 254-mm nominal-diameter horizontal flow line vertical riser has been performed. A numerical model to study the dynamic behavior of the large-diameter horizontal flow line vertical riser system is also developed using OLGA software with the intention of identifying the capability of this software. This article presents the comparison of the simulation and experimental data in terms of near riser base and flow line pressure variations along with flow regime predictions. The existence of the multiple roots in the OLGA code is also reported for the first time. Additionally, a review on the state-of-the-art application of the code and analysis of the numerical experiment performance of the code are included.     

气举井动态测试分析与应用研究

为了解油井动态，提高气举效率．进行了气举井的系统测试，包括地面压力、温度、流量测试，井筒压力、温度分布测试以及气举动态测试和不关井试井。通过对测试资料的分析．可以得出可靠的油井模型,分析气举井的实际工作状态，优选注气量等。     

Experimental measurement and modeling of the solubility and bubble pressure of nitrogen in white mineral oil

Before using oil-based drilling fluid (OBDF) in gas-lift dual gradient drilling (DGD), the pressure-volume-temperature (PVT) behavior of gas/OBDF mixture must be known. The main objective of this study is to figure out the PVT behavior of nitrogen and white mineral oil (#5) by experimental determination of such properties as the bubble pressure and solubility. These measurements were conducted in a window PVT cell apparatus by using constant composition expansion method. The conditions of experiment were planned for common riser conditions, pressure up to 3600 psi and temperature in the range of 68–176°F. Novel bubble pressure and solubility models were proposed. Moreover, these models were compared to the conventional black oil correlations.