勝利海上油田的累計(jì)開發(fā)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)26年，部分平臺(tái)采油井已進(jìn)入開采后期，出砂嚴(yán)重，含水率高達(dá)90%以上，平臺(tái)間大量采用油氣水混輸，這導(dǎo)致油井至計(jì)量間的單井管線容易受到?jīng)_蝕，形成溝槽，彎頭位置尤為嚴(yán)重， 且隨著采出液含水率不斷上升以及化學(xué)驅(qū)影響，油井采出液攜帶砂的能力增強(qiáng)，管道的沖蝕風(fēng)險(xiǎn)加劇，管線壽命縮短，原油泄漏事故頻發(fā)。

固體顆粒沖蝕是結(jié)構(gòu)壁面受到離散微粒沖擊產(chǎn)生損傷的一種現(xiàn)象。影響沖蝕的因素多達(dá)三十余種，其中比較重要的影響因素有顆粒速度，沖擊角，顆粒尺寸、形狀、材質(zhì)，以及被沖擊表面的材料屬性等。含固體顆粒的多相流管道的沖蝕非常復(fù)雜，管道內(nèi)的流型多變。這導(dǎo)致離散顆粒的運(yùn)動(dòng)更為復(fù)雜，而顆粒的運(yùn)動(dòng)及分布又直接決定了管道的沖蝕特性。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于管道的沖蝕進(jìn)行了一系列研究，但關(guān)于油氣水砂三相流環(huán)境中的沖蝕研究尚不多見。為此，西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院和中石化勝利油田分公司海洋采油廠的研究人員利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值分析方法，連接海底與海上平臺(tái)相連的輸送管道內(nèi)的砂粒流動(dòng)特性及其對(duì)管壁的腐蝕特性，考慮更為真實(shí)的油氣水三相黏性湍流態(tài)流體與砂粒之間的相互作用。

1 研究方法

針對(duì)海上油田的典型管道布置方式，選取沖蝕風(fēng)險(xiǎn)較大的海上平臺(tái)至海底的管段進(jìn)行分析研究，管道三維模型如圖1所示。管道流動(dòng)計(jì)算模型的網(wǎng)格剖分使用六面體單元進(jìn)行劃分，最終得到的模型網(wǎng)格數(shù)量為670萬(wàn)。計(jì)算網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖1 管道結(jié)構(gòu)示意

圖2 網(wǎng)格劃分示意

使用CFD程序?qū)斔凸艿纼?nèi)的油氣水砂多相流的物理現(xiàn)象進(jìn)行求解，分別使用歐拉-歐拉多相流體系和歐拉-拉格朗日多相流體系求解連續(xù)相及離散相。在計(jì)算中，CFD多相流控制方程主要包含質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒方程，使用Edwards等給出的一種可應(yīng)用于CFD的磨損預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)顆粒腐蝕，該模型考慮了顆粒的碰撞速度、侵入角、形狀、直徑和質(zhì)量流量等因素，其表達(dá)式為：

式中：V為磨損量；p為靶材流動(dòng)應(yīng)力；K為常數(shù)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證；a為沖擊角；m為顆粒質(zhì)量；v為顆粒速度。

本工作并不需要考慮流體的化學(xué)屬性，因此近似將任意一相流體介質(zhì)考慮為物性接近的純凈物。選取油田的典型輸量和含砂率進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果

流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

管道各處橫截面上的流速分布情況如圖3所示。可以發(fā)現(xiàn)，在重力和浮升力的作用下，油氣水混合物的高速區(qū)向下方偏移。進(jìn)入立管彎頭時(shí)，在離心力的作用下在速度分布上體現(xiàn)為偏心程度更強(qiáng)。總體而言，速度分布在水平管段主要受重力作用，在彎頭附近主要受離心力作用。

圖3 截面流速分布云圖

油氣兩相的相含率分布情況如圖4所示。可以發(fā)現(xiàn)，各相在進(jìn)入平臺(tái)水平管段的初始分布接近于均勻混合，隨著在水平管段的流動(dòng)，在重力和浮升力的作用下氣相和油相逐漸向管頂聚集。進(jìn)入立管彎頭后，在離心力的作用下氣相迅速向彎頭外側(cè)移動(dòng)。在立管段，油氣兩相又逐漸恢復(fù)均勻混合分布，當(dāng)由立管段進(jìn)入海底水平段時(shí)氣相又向彎外側(cè)偏移。

（a）油相

（b）氣相

圖4 截面相分布云圖

沖蝕計(jì)算結(jié)果

管道兩個(gè)彎頭附近的含砂率分布如圖5所示。可以發(fā)現(xiàn)，砂粒在重力和自身慣性的作用下在平臺(tái)進(jìn)入立管的彎頭附近時(shí)主要向彎心聚集。而在立管進(jìn)入海底管的彎頭附近時(shí)，重力不再影響砂粒的偏轉(zhuǎn)，在重力的作用下砂粒向彎頭外側(cè)聚集。可見，沖蝕將主要發(fā)生在彎頭外側(cè)的壁面。

圖5 截面顆粒相分布云圖

圖6和圖7所示為不同條件下管道彎頭附近壁面當(dāng)量沖蝕量，表示因沖蝕而產(chǎn)生的壁面單位面積材料損失量。可以發(fā)現(xiàn)，由于在彎頭附近離心力的作用，砂粒在彎頭外側(cè)的運(yùn)動(dòng)速度更高。而隨著輸液量的增加，砂粒對(duì)下彎管處管壁的沖蝕隨之增大，沖蝕范圍也有所增加，尤其是在輸液量達(dá)到1萬(wàn)立方米/天時(shí)，上部彎管也開始出現(xiàn)砂粒沖蝕較明顯的區(qū)域。

（a） 0.2萬(wàn)方/天  （b）0.5萬(wàn)方/天

（c）1萬(wàn)方/天 （d）2萬(wàn)方/天

圖6 不同輸量下管道彎頭處腐蝕量分布圖

（a）0.005%    （b）0.01%

（c）0.02%     （d）0.04%

圖7 不同含砂率下管道彎頭處腐蝕量分布圖

圖8 不同條件下的管道最大腐蝕量

結(jié)合圖6~8可知，隨著輸液量的增加，沖蝕范圍有所增加，沖蝕率也隨之增長(zhǎng)。相同輸液量的情況下，含砂率的增加雖然不會(huì)對(duì)沖蝕范圍造成影響，但卻會(huì)導(dǎo)致沖蝕率的增長(zhǎng)。

3 結(jié) 論

(1) 使用CFD數(shù)值計(jì)算方法，選取適當(dāng)?shù)奈锢砑皵?shù)學(xué)模型能夠良好捕捉到管道中的流動(dòng)形態(tài)以及相分布規(guī)律。選取領(lǐng)域內(nèi)經(jīng)過驗(yàn)證的顆粒沖蝕模型能夠良好捕捉到管道中的腐蝕分布規(guī)律；

(2) 在慣性和連續(xù)流體介質(zhì)共同作用下，砂粒堆積主要發(fā)生在管道彎頭的外側(cè)區(qū)域。而在本工作研究的海上油田低含砂量范圍下砂粒在管道內(nèi)的總體沖蝕量仍然較低；

(3) 沖蝕率隨著輸液量的增加而增大，沖蝕范圍也同時(shí)增加。相同輸液量下，沖蝕率隨著含砂率的增加而增大，但對(duì)沖蝕范圍無明顯影響。