段塞流捕集器

1.段塞流

多相流动中会产生段塞流。 尤其在天然气的开采过程中， 因为清管、加入新井和井组等，管路随地形起伏，气液流动的参数变化会等等都有可能产生严重段塞流。 下图是典型的因为管道结构（起伏）引起的段塞流。 其表现为突然的大幅流量波动， 压力波动。给油气田生产设备正常操作造成影响（通常的分离器按照稳定流量和操作条件设计）。 图1（a）是段塞流的一种产生方式，图1（b）给出了管道压力随段塞流而波动的情况。 图1(c)是用多相流量计测得的沙特一油田管道的瞬时气液流量变化， 明显， 此管道处于段塞流条件下。

图1， 段塞流产生及影响。 图左部的（a）图表示因为管道升高，管道的底部产生积液，液体越积越多， 堵塞管道，气体无法流通。随着气体的压缩，压力的增加，直至到达临界，推动液体高速运动。 图右边的（b）表示了管道压力随着时间的变化。从积液到吹通，压力从0.2bar左右增加到1.2bar左右。

图1（c），段塞流条件下的流量随时间变化（威瑞泰默赛多相流量计数据）。

2.段塞流对于油气田地面处理设施的影响

严重段塞流造成的大幅压力与流量波动会干扰生产分离设备，严重时无法实现正常的分离功能以及对设备或管道造成损伤。以此， 需要对于严重的段塞流进行处理。 减小其对于生产分离系统的冲击， 保证系统正常运行。 

3.处理段塞流的方法

段塞流处理的目的是降低严重段塞流引起的压力与流量的大幅波动， 给下游设备提供比较均匀的压力与流量。 通常的处理方法有： 容器式， 管道式（指式）， 管道与容器的组合。容积式一般应用于段塞小于100立方米以及低压的情况。高压和大段塞时， 用管道式更加经济。 随后的内容给出了几个典型的处理方法及图片。

图2和图3是管道上段塞流捕集与柱状旋流分离器的组合。 此种组合体积小， 结构简单，可以代替大部分容积式段塞流捕集器。 成功应用案例有几十个以上。

 图4是容积式段塞流捕集器。 其体积大， 成本高，但比GLCC管道式的储存容积大。 在低压和对于储存有要求的应用， 比较合适。

图4，容器式段塞流捕集器

图5与图6是管道式与容器式的组合。 利用管道式高能分离器GLCC实现缓冲与气液分离， 利用容器实现储存与油水分离。 对于高压的应用优势非常明显。

图7，指式（管道式）段塞流捕集器（TFG）

GLCC和GLCC与容器的组合式，相较于传统的容器式， 体积小， 成本低， 可以保障系统稳定运行，得到了广泛的应用与好评。

指式段塞流捕集器相对于容器式段塞流捕集器成本低， 在大段塞流量， 高压的应用场合得到广泛的应用。

 4.指式段塞流捕集器流动结构设计

常规分离器的设计方法通过多年的迭代，已经很成熟。 此方法没法延伸到指式段塞流捕集器的设计， 因为指式段塞流捕集器的工作流型流态区域与常规分离器大不相同。 指式段塞流捕集器依靠相同直径的、微倾斜的、平行管道来实现分离。 即使是在stokes分离区域，也需要不同的修正公式。同时，由于段塞流捕集器的主要功能是分离严重段塞流条件下的气液，此时的流动状态是非稳态的， 这点在结构设计也需要考虑。 综合起来， 指式段塞流设计要点有：

（1）非稳态，预测的极端段塞流的特点，化范围；

（2）非稳态条件下的设计计算方法；

（3）非稳态条件下的结构设计。

传统上， 指式段塞流捕集器的设计以经验为主。 目前，逐渐变成为依靠多相流分析，非稳态多相流模拟等手段结合的综合的设计方法。目的是避免过度设计， 降低建造成本。 因为是管道式分离与缓冲，从入口到各个分支管路都要进行仔细分析与设计、模拟。综合起来， 有下列要素：

（1）入口段一次分布设计；

（2）入口段分布管汇设计（减小偏流）；

（3）段塞流（气液）分离区（粗分离， 保障气体分离区）设计；

（4）气体分离区设计；

（5）油水分离区设计。

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