抑制段塞流专利技术综述

张露

（国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏苏州215011）

抑制段塞流专利技术综述

张露

（国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏苏州215011）

随着海洋油气开采不断走向深海，气液混输组合管线系统严重段塞流已成为深海油气工程中的热点问题之一。介绍了海洋严重段塞流产生原因、抑制海洋严重段塞流技术的起源及发展趋势。

海洋立管；段塞流；抑制

引言

海洋油气集输所使用的气液混输管线系统通常由卧底管线和立管组成，卧底管线铺设于海底，入口端与海底油井相连，并通过与之相连的立管输送到海洋平台上。当管道内气液流量较低时，液体容易在立管底部积聚并堵住立管入口，阻止气体进入立管，并逐渐在管线中形成长度可达一倍甚至数倍立管高度的长液塞，同时在卧底管线中形成一个气体压缩空间。当卧底管线中气体压力累积到一定程度后会引发气体空间的急剧膨胀，并将管道中的长液塞高速推向管外，这即为典型的严重段塞流现象。

从控制角度出发，严重段塞流抑制技术分为主动抑制和被动抑制两类。主动抑制需要注入外部资源来使得抑制措施得以实施，其原理是给系统加入外部能量使得流体速度加快或者分相运输从而达到抑制严重段塞流的目的；被动抑制则通过改造自身系统，通过临时储存分层流或改变分层流流型以抑制严重段塞流。

1　抑制段塞流专利技术发展趋势

1.1被动抑制技术

被动抑制技术无需外部资源，通常使用系统自身改造的形式，而不同的被动抑制装置抑制严重段塞流的形式不同，被动抑制技术主要集中为四大类：液塞捕集器法、流动调整法、海底分离器法、自供气气举法。

在四类主要的技术分支中，通过对国内外专利申请进行统计，可见设置“液塞捕集器法”和“流动调整法”为主要的改进和研究方向，而“海底分离器法”和“自供气气举法”由于自身设备的安装和实施条件及后续清管工作存在实际困难，因此其专利申请量相对匮乏。

1.1.1液塞捕集器法

液塞捕集器法是指在管线中设置一初级分离器用于临时储存液塞，由此缓解液塞对管线的冲击效果。

法国专利FR2513356A1于1981年最早发明在立管出口和下游主分离器之间设置一初级分离器，用于临时储存来自立管的液塞对下游设备的冲击的目的；随后挪威专利NO853656 A将液塞捕集器下端的立管分为互相连通的并排两根，由此可以缓解体积较大或运动速度较快的液塞的冲击；1992年美国专利US5232475A在立管出口设置初级分离器的同时，在集输管线的上游又设置一初级分离器，用以临时储存集输管线中最早形成的液塞并将分离的气相和液相重新混入集输管线中，以此从集输管线上游消除段塞流；由于传统的液塞捕集器容量毕竟有限，能处理的液塞体积也有限，随后的十几年中并没有继续出现对其的改进发明，直至2011年，美国港口科技专利US201219900A发明了一种环形的液塞捕集器，其通过离心作用将液塞进行初步分离，环状液塞捕集器摆脱了传统的箱体式，能够更加有效的处理运动速度较快的液塞。

国内在2000年后才开始对此有比较活跃的研究，专利CN102174991A于2001年发明了一种上倾入口双层管式段塞流捕集器，两个上层管段和两个下层管段均水平并列排布，上倾管段的首端与入口管连通，下层管段的末端与集液管连通，两个集气管水平并列排布，双向入口捕雾器与上层管段的尾部通过排液管连通，由此可使气相和液相分离的更彻底。

中国石油大学CN104148196A提出一种柱状气液旋流分离器入口整流装置，其中设置扩径缓冲段、大角度弯管、螺旋下倾管和渐缩喷嘴，当段塞流通过竖直方向上的扩径缓冲段时气液相混合加剧的同时液塞的速度与长度都明显降低；进入螺旋下倾段以后，在离心力与重力的双重作用下强制将段塞流转化为分层流，实现气液两相的预分离；最后经过整流管出口的渐缩喷嘴使气液两相加速切向进入柱状旋流分离器进行旋流分离。

由此可见，虽然在单独使用液塞捕集器来抑制段塞流的方式中，国内起步晚于国外，国外于2011年已研究成熟并停止研究，但至2014年年底，国内关于此的研究正处于蓬勃发展的阶段且水平已与国外不相上下。

1.1.2流动调整法

流动调整法是指立管上游的管线内安装有流动调整装置将气液分层流转变为其他流型，以消除严重段塞流形成的必要条件之一：上游管线内的流型必须为气液分层流。

1988年英国专利GB2239193A提出一种在集输管线上设置一容器，该容器能临时储存液塞并将其分离，分离后的气相和液相再次通过连接管道同时均匀混入集输管线的管道中，从而将分层流分离后混合为其他流型；1992年美国专利US5232475A在集输管线上游设置的分离器也能将互相分离的气相和液相混匀入下游管线中，具有气液分层流转变为其他流型的作用，因此该分离器同时也具有流动调整功能；2000年美国专利US6413299B提出在集输管线的中段增加一段管道，并使用细长管道将该管道和集输管线的中段管道的顶部连通，由此可以将集输管线中的长液塞调整为小段细小的短液塞，从而缓解了严重段塞流的影响；2007年美国专利US2008264645A提出了一种波浪管装置，由多个标准90°弯头连接而成，其能在圆周运动的过程中使气相和液相相互混合以达到改变流型的效果。

而国内对此研究较晚且资源匮乏，仅在2012年中国石油大学首次提出专利CN102767340A为一种多相流流动调整装置及利用其抑制段塞流的方法，其使用了一种180°主弯管和90°的前后弯头组合的调整装置，由于主弯管弯曲半径较大，使波形管具有较大“波动”幅度，利于在主弯管顶部储存气体，利于产生混合作用，连接基本单元的直管段使装置的总长度可方便调节，使装置能够平稳安置于平面上。

由此可见，对于单独使用流动调整法来抑制段塞流的方式中，国内外均是以调整上游分层流或者已形成的段塞流的流型的目的来设计和构造流动调整装置，而国内对其研究和改进还处于起步和发展阶段。

1.2主动抑制技术

主动抑制技术无需外部资源，需要引入外部资源，而不同的主动抑制装置抑制严重段塞流的形式不同，主动抑制技术主要集中为三个分支：1）接泵法；2）自动控制法；3）外部供气气举法。

在三类主要的技术分支中，通过对国内外专利申请进行统计，可见“自动控制法”和“接泵法”为主要的改进和研究方向，而“外部供气气举法”由于压缩气体容易与石油发生反应，降低石油质量，且设备安装繁琐，整体经济效益差，故其专利申请量相对较少。

2　结语

从全球的专利申请趋势以及来源情况看，海洋严重段塞流抑制技术还将保持一个稳定的发展态势，并且中国作为该领域主要的专利申请国，将伴随着日趋成熟的海洋钻采技术的发展而对海洋立管安全性的研究和关注度不断提高；主动抑制与被动抑制两大技术分支的专利申请比例相对均衡，而对于各种不同的抑制形式，世界各国的专利申请在从更加细致的角度如结构、形状、位置等不断进行技术的发展与完善，以期实现更好的严重段塞流抑制效果。

（编辑：杨婷婷）

Review of Patent Technology on Restraining Slug Flow

Zhang Lu
（Patent Examination Cooperation Jiangsu Center of the Patent Office，SIPO，Suzhou Jiangsu 215011）

With the development of offshore oil and gas exploration to the deep sea，a combination of a gas-liquid mixed transportation pipeline system severe slugging has become one of the hot issues deepwater project.This article describes the causes of severe slug flow，and development trend of restraining slug flow.

transportation-vertical pipeline；slug flow；suppression

TE832

A

2095-0748（2016）10-0087-02

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.10.36

2016-04-15

张露（1987—），女，湖北武汉人，硕士研究生，毕业于北京科技大学，现就职于国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，研究实习员，研究方向：石油钻探。