水下臥式采油樹油管掛出油口角度的優化設計

秦 蕊，李清平，羅曉蘭，段夢蘭

(1. 中海油研究總院，北京 100028；2. 中國石油大學(北京)海洋油氣研究中心，北京 102249)

水下臥式采油樹油管掛出油口角度的優化設計

秦 蕊1，李清平1，羅曉蘭2，段夢蘭2

(1. 中海油研究總院，北京 100028；2. 中國石油大學(北京)海洋油氣研究中心，北京 102249)

針對減少流動損失這一工程問題，通過分析油管懸掛器的結構特點，綜合考慮其在水下臥式采油樹中的位置和功能，基于阻力系數方法提出了油管懸掛器出油口角度的優化設計方法。同時，采用FLUENT軟件對不同出油口角度下的油管懸掛器內部流體流動進行數值模擬，為理論設計方法提供證明和依據。最終得到的理論計算結果和數值模擬結果均表明：出油口角度在11°～12°之間時流動損失最小。

海底管道；水下臥式采油樹；油管掛；出油口角度；優化設計

0 引 言

隨著海上油氣田開發的推進，深水油氣田的開發逐步成為人們關注的焦點。水下生產系統作為適于深水油氣田開發的主要模式之一，在巴西、挪威等地的海域均有廣泛應用[1-2]。在水下生產系統中，采油和外輸的關鍵設備是水下采油樹，因此，世界各國的學者、專家在技術理論、數值模擬及結構設計方面均對水下采油樹進行了深入的探索和研究。但國內在這方面的研究剛剛起步。

在水下臥式采油樹正常生產期間，其內部流體的能量是否足以滿足整個流程的動力需求，這是水下臥式采油樹面臨的最主要工程問題之一。水下臥式采油樹的結構復雜，包括油管懸掛器、主閥、翼閥、采油樹本體和出油管等部件，其中油管懸掛器直接決定著水下采油樹的整體性能及外輸能力。本文給出了油管懸掛器出油口角度的優化設計，可以減少水下臥式采油樹內流體的流動阻力，從而使得采油樹內部流體的能量滿足動力需求。

1 水下臥式采油樹油管懸掛器的結構

油管懸掛器位于水下臥式采油樹內，如圖1所示[3]。油管懸掛器與位于水平通道上的生產主閥和生產翼閥以及采油樹本體和出油管等部件組成了水下臥式采油樹的過流部件，是井下流體向外輸送的唯一通道。

油管懸掛器的結構可分為外部結構和內部結構兩部分，如圖2所示[4]。其中外部結構按照功能、作用的不同可分為鎖定機構、密封機構和定向機構；內部結構則包括內部通路(包括數量和尺寸兩個影響因素)和內部型面兩個方面。

圖1 油管懸掛器的位置Fig.1 Position of the tubing hanger

圖2 油管懸掛器的結構Fig.2 Structure of the tubing hanger

2 油管掛出油口角度的優化設計

水下臥式采油樹油管掛與采油樹本體之間組成一個彎曲的管路，使得生產流體的流向發生改變，從而產生離心力。離心力的出現使得彎管內外壁處流體流速發生相對變化，即在外壁處流速減小，而在內壁處流速相應增大，從而形成渦流副，造成壓力損失，影響流體的流動。另外，內壁處流速增大還會使流體對油管掛出油口處的沖擊變大。那么，在何種轉彎角度下可以使得壓力損失最小，并減小沖擊呢？這便是本文所研究的油管懸掛器出油口角度優化的目的與判斷標準。

壓力損失的多少與彎管中阻力系數的大小有關，因此，采用阻力系數法對不同出油口角度的阻力系數進行計算，從而得到流動損失最小的出油口角度。

油管懸掛器內部通路的簡化模型如圖3所示，可近似看為帶盲管的銳角邊粗糙壁彎管與不帶盲管的銳角邊粗糙壁彎管的合成，如圖4和圖5所示。

圖3 油管懸掛器內部通路簡圖Fig.3 Internal pathway of the tubing hanger

圖4 帶盲管的銳角邊彎管Fig.4 Acute angle bending pipe with blind tube

圖5 不帶盲管的銳角邊彎管Fig.5 Acute angle bending pipe without blind tube

彎管中的阻力系數與流體雷諾數、管壁相對粗糙度、轉角θ及相對曲率半徑等因素有關。彎管總阻力系數ζ為摩擦阻力系數ζTP與局部阻力系數ζM之和[5]：

(1)

ζ=κΔκReCAζM(0°<θ<180°).

(2)

圖6 A和ζM的值Fig.6 Values of A and ζM

對于帶盲管的銳角邊粗糙壁彎管，阻力系數的計算公式為

ζ1=1.2ζ=1.2κΔκReCAζM(0°<θ<180°).

(3)

因此，總阻力系數可近似用以下公式表示：

(4)

(5)

在油管懸掛器中，φ與θ為互余的關系，由式(4)和式(5)計算可得到ζ0與θ的關系，如圖7所示；進而可以得到ζ0與φ的關系，如圖8所示。

圖7 ζ0與θ的關系Fig.7 Relation between ζ0 and θ

圖8 ζ0與φ的關系Fig.8 Relation between ζ0 and φ

從圖7可以看出，當角度θ為78°(與垂直方向的角度差)時，總阻力系數最小，流動最順暢，即當油管掛出油口角度為12°(與水平方向的角度差)時，油管掛結構最佳。

3 油管掛出油口角度的數值模擬

在水下臥式采油樹研究的初期，沒有確定的理論模型或者公式來分析其內部流動情況，因此，需要借助模擬軟件對水下臥式采油樹及其組成部件內部流體的流動特性進行模擬，從而優化水下臥式采油樹過流部件——油管懸掛器的設計方案。本文采用FLUENT軟件，分別對不同出油口角度(0°、8°、10°、11°、12°、15°、17°、18°、20°、25°、30°和35°)下的油管懸掛器內部流動情況進行數值模擬研究，以驗證油管掛出油口角度優化設計理論推導的結果。下面分別介紹數值模擬的物理模型、邊界條件、網格劃分和計算結果。

針對舉升到同一水平位置的不同出油口角度進行數值模擬，其物理模型如圖9所示。其中，油管懸掛器的內徑為115 mm，高度為1.5 m，出油口直徑為102 mm，出油口水平通道距油管掛底部高度為1 m。

圖9 物理模型Fig.9 Physical model

圖10 油管懸掛器的網格劃分Fig.10 Meshing of the tubing hanger

圖11 速度矢量圖Fig.11 Velocity vector

在油管掛的計算模型中，底面定義為速度入口“VELOCITY_INLET”，速度為1.5 m/s；右側出油管出口定義為流體出口“OUTFLOW”，其余邊設置定義為“WALL”。

油管掛的網格劃分如圖10所示，采用Tet/Hybrid四面體網格形式。

對出油口角度分別為0°、8°、10°、11°、12°、15°、17°、18°、20°、25°、30°和35°共12種工況下油管懸掛器內的流動情況進行數值模擬計算，得到不同出油口角度下的水平出油口處平均速度，結果如表1所示。

以出油口角度為10°、11°、12°、15°、17°和18°為例，它們的速度矢量圖如圖11所示。根據表1結果繪制出圖12。

彎管的流動損失可以看做是在一段長度為l的管路中由沿程摩擦阻力造成的，如下式所示[6]：

(6)

式中：λ為沿程摩阻系數，與雷諾數和管壁粗糙度有關；d為管道內徑；v為管道有效截面上的平均速度。在油管懸掛器中，沿程摩阻系數為一定值，由式(6)可知，當平均速度越大時，彎管的流動損失越大，則壓力損失越大。從表1和圖12可以看出：當出油口角度為11°(與水平方向角度差)時，平均速度最小，即壓力損失最小。因此，數值模擬的結果表明出油口的最優角度為11°。綜合考慮基于阻力系數法的計算結果，油管懸掛器最佳的出油口角度應在11～12°之間。

表1 不同出油口角度下的計算結果Table 1 Calculation results for different outlet angles

圖12 不同出油口角度下的平均速度Fig.12 Average speeds for different outlet angles

4 結 語

通過對油管掛出油口角度設計的理論研究和數值模擬，取得下述成果：

(1) 水下臥式采油樹油管掛出油口角度的優化設計可以采用阻力系數法。

(2) 對油管懸掛器內部流動情況的數值模擬結果表明，當出油口角度為11°時為最優角度。綜合考慮阻力系數法的計算結果，油管懸掛器出油口角度在11°～12°之間時流動損失最小，即此時角度最佳。同時，在油管懸掛器的加工制造中，需將拐角處做圓滑處理，使阻力進一步降低。

[1] Eric D, Larson P E, Kevin G K. Marginal subsea development with existing subsea trees[C]. OTC, 2004：16533.

[2] Lafitte J I, Perrot M, Lesgent J, et al．Dalia subsea production system：presentation and challenges[C]. OTC, 2007:18541.

[3] Picciani F, Luce R. North Bardawil development project[C]. SPE, 2010:130281.

[4] ABB. HT subsea horizontal tree general presentation[R]. 2008.

[5] 華紹曾,楊學寧.實用流體阻力手冊[M].北京:國防工業出版社，1985.

[6] 楊莜蘅,張國忠.輸油管道設計與管理[M].東營:石油大學出版社,1996.

OptimizationDesignofTubingHangerOutletAngleofHorizontalTree

QIN Rui1, LI Qing-ping1, LUO Xiao-lan2, DUAN Meng-lan2

(1.CNOOCResearchInstitute，Beijing100028，China; 2.OffshoreOil/GasResearchCenter，ChinaUniversityofPetroleum，Beijing102249，China)

Aiming at the engineering problem of flow loss, an optimization design method of tubing hanger outlet is proposed on the basis of drag coefficient method, which considers the structural characteristics of tubing hanger, as well as the position and function of tubing hanger. By using the FLUENT software, a finite element model for tubing hanger is developed and the fluid flow in the tubing hanger is simulated. The results obtained by the drag coefficient method and the numerical results show that the best tubing hanger outlet angle is between 11° and 12°.

subsea pipeline; horizontal tree; tubing hanger; outlet angle; optimal design

TE973.92

A

2095-7297(2015)01-0050-05

2014-09-29

國家科技重大專項(2011ZX05026-004)、國家863計劃(2012AA09A205)

秦蕊(1985—)，女，博士，主要從事海洋石油設施的設計方法與理論方面的研究。