[发明专利]一种抑制集输立管系统内严重段塞流的流动调节装置

说明书

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；