组合立管系统中严重段塞流特性及其消除方法研究

论文摘要

在海洋石油开采过程中,严重段塞流是多相混输管道中一种有害现象,对其进行深入的研究具有重要的理论和实际意义。本文在内径为0.051m的下倾管-立管、增加气体缓冲空间的下倾管-立管、垂直下降管-下倾管-立管和下倾管-柔性立管共4套实验管段上对空气-水严重段塞流进行了深入、系统地研究,揭示了严重段塞流的产生机理和流动特性,提出了采用旁通管消除严重段塞流的一种新方法,并进行了实验验证。主要研究内容和结论如下:对4套实验管段上严重段塞流的流型图进行了对比研究和分析,发现严重段塞流的发生区域与实验管段的布置形式有关,主要受下倾管倾角和立管前气体积累空间的影响。下倾管倾角为0°时,严重段塞流的发生区域远小于-1°～-4°时。下倾管倾角介于-1°～-4°时,倾角的变化对严重段塞流发生区域的影响很小。立管前气体积累空间的大小对严重段塞流的发生区域有较大影响,严重段塞流的发生区域随气体积累空间的增加而增大。B?e判别准则预测的严重段塞流发生区域小于实验结果,本文推导了新的严重段塞流发生区域判别式,能更准确的预测严重段塞流的发生区域。对4套实验管段上严重段塞流的流动特性进行了实验研究和分析,发现实验管段入口处的气、液相折算流速、立管前气体积累空间对严重段塞流的流动特性产生较大影响,下倾管倾角对其影响很小。严重段塞流具有严格的周期性,周期长度随气相折算速度、液相折算速度和下倾管倾角的增加（从-4°到-1°）而减小。严重段塞流的压力波动幅度随气、液相折算流速的改变而变化,压力波动幅度的最大值出现在严重段塞流流型Ⅰ和过渡流型Ⅱ的转换边界上。对增加气体缓冲空间后下倾管-立管实验管段上严重段塞流的实验研究发现,当液相流量较大时,液气喷发阶段高速流动的气相将下倾管内液体吹起形成气速诱导液塞。气速诱导液塞会对立管底部产生很大的冲击,同时会对严重段塞流的周期特性产生影响。通过对下倾管-柔性立管实验系统中严重段塞流的循环过程进行了分析,指出了液气喷发阶段和液塞形成阶段液塞运动的两个步骤。根据实验中观察到的各实验管段内气、液两相的流动特点,建立了包含气体缓冲空间的下倾管-立管实验系统和下倾管-柔性立管实验系统中的严重段塞流模型,并将数学模型的计算结果与实验数据进行了对比。结果表明,该数学模型能够比较准确的描述出实验管段上严重段塞流的循环过程,并且得到严重段塞流的周期长度、液塞速度等特征参数。在有、无气体缓冲空间的下倾管-立管实验管段上,对旁通管法消除严重段塞流的效果进行了实验研究,并对有气体缓冲空间的下倾管-立管实验管段上采用旁通管消除严重段塞流的方法进行了改进。研究发现,实验管段开旁通管后会缩小严重段塞流的发生范围,特别是严重段塞流流型Ⅰ的范围显著缩小。当旁通管完全消除严重段塞流后,改变液量对旁通管的消除效果没有影响。旁通管的存在会减弱严重段塞流的压力波动幅度。根据旁通管和下倾管-立管实验管路的压力平衡,提出了旁通管法消除严重段塞流的稳态数学模型。使用这个数学模型可以指导旁通管的设计和调节阀的控制,实现严重段塞流的消除。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 创新点摘要
• 主要符号表
• 第1章 引言
• 1.1 课题的研究意义
• 1.2 国内外研究现状分析
• 1.2.1 严重段塞流的产生机理
• 1.2.2 严重段塞流的循环过程
• 1.2.3 严重段塞流的特征参数
• 1.2.4 严重段塞流的消除方法
• 1.3 本文的主要研究目的和研究内容
• 第2章 实验系统与数据处理方法
• 2.1 实验流程与主要设备
• 2.2 测量装置
• 2.2.1 压力变送器
• 2.2.2 温度传感器
• 2.2.3 电导探针
• 2.3 严重段塞流实验管段
• 2.3.1 下倾管－立管实验管段
• 2.3.2 垂直下降管－下倾管－立管实验管段
• 2.3.3 下倾管－柔性立管实验管段
• 2.4 数据采集及分析系统
• 2.4.1 数据采集系统
• 2.4.2 Labview 处理软件与界面
• 2.4.3 实验数据的滤波处理
• 2.5 实验参数及实验介质的物性
• 2.5.1 实验参数范围
• 2.5.2 实验介质的物性
• 2.6 实验数据的不确定性分析
• 2.6.1 不确定性分析的方法
• 2.6.2 测量参数的不确定性分析
• 第3章 组合立管系统中严重段塞流的流型图及流型转换特性
• 3.1 严重段塞流的定义及流型分类
• 3.1.1 严重段塞流的定义
• 3.1.2 严重段塞流的流型分类
• 3.2 严重段塞流发生判别准则的修正
• 3.2.1 严重段塞流发生判别准则的建立
• 3.2.2 增加气体缓冲空间后下倾管－立管实验管段中严重段塞流的发生判别准则
• 3.3 严重段塞流的流型图及流型转换特性
• 3.3.1 下倾管－立管实验管段中严重段塞流的流型图及流型转换特性
• 3.3.2 增加气体缓冲空间后下倾管－立管实验管段中的流型图和流型转换特性
• 3.3.3 U 形多相实验管段的流型图和流型转换特性
• 3.3.4 下倾管－柔性立管实验管段上严重段塞流的流型图和流型转换特性
• 3.4 本章主要结论
• 第4章 组合立管系统中严重段塞流的流动特性
• 4.1 严重段塞流的周期循环过程
• 4.1.1 下倾管－立管实验管段中严重段塞流的周期循环过程
• 4.1.2 增加气体缓冲空间后下倾管－立管实验管段中严重段塞流的周期循环过程
• 4.1.3 U 形实验管段中严重段塞流的周期循环过程
• 4.1.4 下倾管－柔性立管实验管段中严重段塞流的周期循环过程
• 4.2 严重段塞流的周期特性
• 4.2.1 典型的严重段塞流具有严格的周期性
• 4.2.2 严重段塞流流型Ⅱ和流型Ⅲ的周期性
• 4.2.3 下倾管－立管实验管段中严重段塞流的周期特性
• 4.2.4 增加气体缓冲空间后下倾管－立管实验管段中严重段塞流的周期特性
• 4.2.5 U 形实验管段中严重段塞流的周期特性
• 4.2.6 下倾管－柔性立管实验管段中严重段塞流的周期特性
• 4.3 严重段塞流的压力波动特性
• 4.3.1 下倾管－立管实验管段中严重段塞流的压力波动特性
• 4.3.2 增加气体缓冲空间后下倾管-立管实验管段中严重段塞流的压力波动特性
• 4.3.3 U 形实验管段中严重段塞流的压力波动特性
• 4.3.4 下倾管－柔性立管实验管段中严重段塞流的压力波动特性
• 4.4 严重段塞流的液塞速度特性
• 4.4.1 下倾管－立管实验管段中严重段塞流的液塞速度特性
• 4.4.2 增加气体缓冲空间后严重段塞流的液塞速度特性
• 4.4.3 U 形实验管段中严重段塞流的液塞速度特性
• 4.4.4 下倾管－柔性立管实验管段中严重段塞流的液塞速度特性
• 4.5 本章小结
• 第5章 空气－水两相严重段塞流的数学模型
• 5.1 建立模型前的假设
• 5.2 下倾管－立管系统上严重段塞流的数学模型
• 5.2.1 下倾管中气体的积累阶段
• 5.2.2 下倾管中气体的喷发阶段
• 5.2.3 数学模型计算结果与实验结果比较
• 5.3 下倾管－柔性立管实验系统上严重段塞流的数学模型
• 5.3.1 下倾管中气体的积累阶段
• 5.3.2 下倾管中气体的喷发阶段
• 5.3.3 数学模型计算结果与实验结果比较
• 5.4 本章小节
• 第6章 旁通管法消除严重段塞流的实验研究
• 6.1 旁通管法消除严重段塞流的原理及数学模型
• 6.1.1 旁通管法消除严重段塞流的原理
• 6.1.2 旁通管法消除严重段塞流的数学模型
• 6.2 旁通管法消除严重段塞流的实验研究
• 6.2.1 实验管道的布置
• 6.2.2 旁通管对严重段塞流流动特性的影响
• 6.2.3 增加缓冲容积后的下倾管－立管系统上旁通管法的改进及消除效果
• 6.3 本章小节
• 第7章 结论与展望
• 7.1 本文的主要结论
• 7.2 对未来工作的展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 个人简历