气液两相流集输管汇偏流问题研究*

陈海宏 李清平 姚海元 李焱 宫敬

1中海油研究总院

2中国石油大学（北京）

在油气田生产工艺系统中，管汇大量应用在油气集输、长输管道、处理厂等工艺环节。在海上油气田的井口平台或陆上油气集输站工艺中，管汇用于汇集各井口采出物，通过集输管汇输送到下一级处理设施，例如气液分离装置、段塞流捕集器等。而在长输管道系统中，管汇主要用于多路调压计量。在深水油气田开发领域，水下管汇用于收集多个水下井口来流，直接回接或通过水下增压系统集中输送至浅水平台或陆上油气终端。管汇起着前部流体收集和后部流体分配的双重作用（图1）。在管汇入口处，各引入管来流一般是不均匀的气液两相流，并且可能呈现不同的流型。在油气集输系统的管汇终端通常连接多台并联的生产分离器。流型、重力、惯性力等因素导致各分离器入口流量无法均匀分配，即出现管汇“偏流”现象。偏流严重时，部分分离器负荷严重超载，出现“冒顶”或油气水分离紊乱等生产问题，而其他分离器仍存在较大余量，导致分离器运行效率过低。

在设计油气处理工艺系统时，为适应严重偏流工况，通常需要提高气液分离器等油气处理设施的冗余能力，从而造成分离器处理能力与尺寸设计偏大，不仅增加集输系统占地面积，还会增加投资费用。因此，为降低油气集输系统的投资费用和提高油气收集、处理过程的安全性，有必要对油气田工艺系统偏流问题进行研究。目前，鲜有文献报道油气田工艺系统偏流问题。针对核电站、联箱、换热器等系统中出现的偏流问题，大量文献作了初步研究，对油气田油气集输管汇系统偏流问题的研究具有一定的借鉴意义。本文将从偏流成因、偏流影响因素和偏流控制方法三个方面介绍气液两相流集输管汇偏流问题研究现状。

图1 油气田集输管汇示意图Fig.1 Schematic diagram of the gathering and transportation manifold in oil and gas fields

1 偏流成因

在管汇系统中，不仅气液两相流流量分配时会出现偏流现象，而且单相流流体也会出现偏流。与单相流管汇偏流问题相比，多相流流型的复杂性、惯性力等因素使得管汇偏流问题更为复杂。

1.1 单相流管汇偏流

对于单相流管汇系统，研究初期认为各引出管压力分布不均是造成管汇偏流的主要原因，目前这一机理已从理论上得到验证[1-4]。然而，汇管内流量分布情况并不能总是符合压力分布情况，湍流、惯性力等因素也可能会导致管汇偏流[5]。

（1）压力分布不均造成偏流。造成管汇系统内各引出管压力分布不均的主要因素有摩阻损失、动能转化为静压能、克服高程差、几何结构不对称、各引出管来流工况不一致、各引出管出口压力不一致等。以水平管汇（图2）为例，假设水沿汇管中间位置径向流入，各引出管末端连接大气。流体进入汇管后可均匀流向汇管两端，沿着流动方向各引出管入口压力逐渐降低，而这些支管出口压力均为大气压，各引出管压降不一致，导致2#、3#引出管流量高于1#、4#引出管。对于非水平布置管汇，重力可能会加重流量分配不均匀程度[6]。动能转化为静压能是指当流体处于湍流状态时流体流动过程中存在一个径向速度，当流体流至壁面附近时径向速度降低，损失的动能转化为静压能，影响汇管内压力分布情况。以竖直管汇（图3）为例，假设输送介质为水，受重力影响，位于汇管入口下侧引出管的流量一般会高于位于上侧引出管的流量。实际生产中，管汇各引出管出口工况不一致、各引入管来流工况不一致都可能会加重管汇偏流程度。

图2 水平管汇示意图Fig.2 Schematic diagram of horizontal manifold

图3 竖直管汇示意图Fig.3 Schematic diagram of vertical manifold

（2）湍流造成偏流。流体径向流入汇管，受到汇管管壁阻挡，汇管入口处可能会产生涡流区域，导致汇管入口流向两端流量不均。当汇管内流体湍流强度较大时汇管内会形成多个涡流区域，涡流区域的位置、数量、大小均会影响各引出管流量分配的均匀性。

（3）惯性力造成偏流。当流体水平流经某竖直引出管时，惯性力的作用导致部分本应进入引出管的流体继续水平向前流动，影响了引出管流量分配的均匀性。

1.2 气液两相流管汇偏流

与单相流管汇偏流成因相比，气液两相流管汇偏流成因还包括两相流流型、气液两相惯性差异、气体携带液体的能力等[7-9]。一般来说，管汇气相与液相流量呈相反的分配规律。对于某引出管，气相流量增加，液相流量将会降低。

（1）两相流流型造成管汇偏流。对于段塞流，汇管内可能出现漩涡区；对于波状分层流，汇管内存在波峰、波谷区。漩涡区、波峰区、波谷区与引出管的相对位置将直接影响流量分配。针对气液两相流水平管汇[10]，当汇管入口流体质量流量较低时，流型对管汇流量分配起决定性作用；当流体质量流量较高时，尤其是气相流量提高时，压力分布情况是影响管汇流量分配的主要因素，两相流流型对流量分配仍有影响，但其作用程度大为减弱。

（2）气液两相惯性差异造成管汇偏流。当气、液两相同时水平流经某竖直引出管时，气相惯性远小于液相惯性，使得气相更容易进入该支管。

（3）气体携带液体造成管汇偏流。当气相流速较大时，气相会携带大量液相进入靠近汇管入口的引出管，一定程度上会影响管汇偏流程度。

2 偏流影响因素

管汇各引出管流量分配均匀性的影响因素主要有几何因素、运行参数和流体物性。

2.1 几何因素

流体流入与流出方向[11-12]、引入与引出管的数目[13]、引入与引出管的内径与长度[14]、汇管直径[15]、各引出管截面积之和与汇管截面积的比值[16]、支管间距[17]、壁面粗糙度[18]等几何因素均有可能影响管汇流量分配均匀性。

（1）流体通过引入管进入汇管的方式有轴向引入与径向引入。对于基于径向引入方式的管汇系统，汇管内压力分布的平稳性更高，提高了各引出管流量分配的均匀性。因此，径向引入方式一般优于轴向引入方式。

（2）流体流出汇管的方向有水平流出、垂直向上流出和垂直向下流出。垂直向上流出时，液相偏向于从远离汇管入口的引出管流出；垂直向下流出时，液相偏向于从靠近汇管入口的引出管流出。实验研究发现，管汇偏流程度从低到高的流出方向依次为垂直向上流出、水平流出、垂直向下流出。

（3）根据径向引入管数目不同，管汇可分为单管引入、双管引入和多管引入。对于多管引入管汇，当各引入管来流工况一致时，引入管数目越多，各引出管入口处压力越接近，管汇偏流程度越低；但是当各引入管来流工况偏差较大时，引入管数目越多，管汇偏流程度越高。

（4）引出分支管数目增加，有助于各支管间压力与流量的自平衡，进而可提高引出管流量分配的均匀性。

（5）引出管长度增加或管径降低可以降低管汇偏流程度，但当引出管长度增加或管径降低达到一定程度后，改善效果将明显减弱。增大流体在引出管内流动产生的摩阻损失，即引出管压降远远大于汇管内压降时，各引出管入口压力不均对管汇偏流程度的影响将会降低，引出管压降将对流量分配起决定性作用。此时，如果各支管压降相同，那么各引出管流量分配将趋于一致。

（6）汇管直径增加可以降低管汇偏流程度。增加汇管直径一方面可以降低汇管内流体流动产生的摩阻损失，使得沿着流动方向压力分布更加均匀；另一方面可以降低流体流速，减小雷诺数，使得湍流强度降低，涡流的大小、数目减小。这两方面的共同作用使得管汇偏流程度得到降低。

（7）随着各引出管截面积之和与汇管截面积的比值增加，管汇偏流程度先增加、后降低，最后再增加。

（8）增大引出管间距有助于提高管汇流量分配均匀性。

（9）以扁平多分支管管汇系统为研究对象，通过数值模拟发现，汇管壁面粗糙度对管汇偏流程度影响较小。

2.2 运行参数

影响气液两相流管汇偏流程度的运行参数主要有汇管入口流体的气相折算速度[19]、液相折算速度[8，20]、质量流量[9]、压力[21]。汇管入口流体运行参数不同将形成不同的气液两相流流型，流型不同将直接影响管汇偏流程度。

（1）气相折算速度。针对水平径向单管引入、垂直向上多管流出管汇，实验研究发现，提高气相折算速度气相偏流程度将会降低，而液相偏流程度将会加重。

（2）液相折算速度。当气相折算速度较大时，增加液相折算速度气相偏流程度基本保持不变，而液相偏流程度将会降低。但是当气相折算速度较小时，增加液相折算速度，气、液两相偏流程度均会加重。

（3）质量流量。增大入口流体总质量流量，气相和液相偏流程度均降低，并且气相偏流程度始终低于液相。

（4）压力。降低入口流体压力有助于降低偏流程度。

2.3 物性参数

汇管入口流体物性也可影响管汇偏流程度。增加液相黏度，气相偏流程度将会加重，而液相偏流程度将会降低[22]。

3 偏流控制方法

从偏流成因出发，降低管汇偏流程度的方法主要有几何结构调整、压力分布调整、流型调整、气液两相预分离、多级分配。

（1）几何结构调整。在管汇系统设计阶段，根据流体流入与流出方向、汇管直径、引出管间距等几何因素对管汇偏流程度的影响，设计出最优的管汇结构。

（2）压力分布调整。通过将引出管插入汇管[23-25]、汇管内安装阻尼元件[26-27]、引出管安装调节阀[28-29]调整流体在管汇系统内流动时受到的阻力，使得各引出管压力分布情况尽可能一致，进而降低压力分布不均对偏流的影响。考虑到只有当引出管插入汇管深度足够大时偏流程度才会降低，建议将引出管插入至汇管中央。此外，在引出管入口处安装喷嘴[30]也可以用于降低管汇偏流程度。流体经过喷嘴时，流通面积缩小，流体进入引出管的速度提高，当流速大于当地声速时，便会形成临界流动来克服引出管阻力特性和出口压力不一致导致的偏流问题。

（3）流型调整。在汇管入口处安装喷嘴[20]、螺旋叶片[30-33]等混合元件，气液两相流流经混合元件时，由于流动面积减小或者离心力的作用，两相流将会充分混合形成均相流，此时流动压降特性将接近单相流，最终可以消除流型对偏流的影响。对于气液两相流，在汇管入口处安装混合元件可以增加两相混合程度。当两相流质量流量较高时，混合元件可以降低液相偏流程度；而当两相流质量流量较低时，由于流体动量小，无法充分混合形成均相流，可能导致偏流程度加重。

（4）气液两相预分离。由于单相流量分配效果较好，气液两相流流体流入各引出管前，可以先利用重力将气液两相进行分离，两相分别进行流量分配，分配后再由各自管路汇合至各引出管。梁法春等人[34-36]设计了分相式分配器，气液两相流经预分离处理后，两相流量分配均匀性显著提高。分相式分配器存在一个有效工作区域，对分层流、段塞流具有较好的流量分配效果，而对环状流流量分配效果较差。

（5）多级分配。对各引入管来流，先汇合、再分配、再汇合、再分配，如此循环直至获取满意的流量分配情况。对于锅炉运行系统，与单级流量分配系统相比，多级分配系统偏流程度更低。针对换热器偏流问题，一般可在汇管内安装分流板，使得流量二次分配，可以提高流量分配均匀性。对于轴向单管引入、垂直多管引出系统，可通过在汇管内安装笛形管[19，37]对流量进行二次分配，并且当笛形管孔口方向背对汇管引出口时，管汇偏流程度将会显著降低。笛形管不仅可以增加气液两相混合程度，而且还可以通过调整笛形管各个小孔直径来改变汇管内压力分布情况。汇管内加入笛形管前气相流速对液相偏流影响较大，加入笛形管后这种影响显著降低。此外，当汇管内气液两相流体处于段塞流时，笛形管还可以消除汇管内流体呈现的周期性脉动现象。

4 展望

油气田集输管汇系统偏流问题由来已久，国内外关于该问题的研究正处于起步阶段，相关文献报道较少，还存在着诸多关键问题有待深入研究。

（1）建立管汇内气液两相流流动过程三维仿真模型。管汇偏流问题是典型的三维流动问题，相关文献提出的管汇系统压力、流量分布计算方法主要将其简化为一维流动问题，导致理论模拟结果与实际存在较大偏差。

（2）针对不同的气液两相流流型，建立通用性强的压力与流量分布预测模型。

（3）管汇流量分布是时间与空间的分布函数，研究构建偏流指标以真实反映管汇偏流程度随时间的分布规律。

（4）研究如何降低因各引入管来流工况不一致、各引出管出口参数不一致对管汇流量分配的影响。