气液两相流广泛存在于海洋油气田油气采输工业中,由于气液两相流动特性的复杂性,常常会在气液混输管道输送石油和天然气时发生一种危害流动——严重段塞流。这种流动因其大幅压力波动和剧烈气液喷发等特点,严重威胁了海洋油田的安全生产;尤其对于立管高度达到上千米的深水油田,其管线运行压力维持在几十兆帕,一旦发生严重段塞流,剧烈的压力波动会引发重大的流动安全事故。目前已经开展的集输-立管气液两相流的实验研究和理论研究,大多局限于短距离和常低压,采用的实验平台也并不能有效模拟深水高压环境。本文为了填补深水高压段塞流研究的空白,建立了一套全新的大型高压集输-立管多相流实验系统,该套实验系统集输管长380 m,下倾管长25 m,倾角-5°,立管高21 m,管道内径75 mm,管线最高运行压力30 MPa,可满足对3000 m深水高压环境模拟的需求,平台各项参数均处于本领域的领先水平。借助该实验平台,本文对集输-立管中气液两相流动特性及流型转变机理进行了系统而深入的实验研究、理论研究和计算模拟。本文研究旨在加深对集输-立管中气液两相流基础理论的认识,也为深水油田流动安全保障提供技术支持。本文主要研究内容和结论如下:在集输-立管气液两相流实验研究方面,开展了不同分离器压力、不同气液流速下的流动特性实验研究。根据分布在管线不同位置的压力压差信号,将实验中出现的流型分为第一类严重段塞流、过渡型严重段塞流、振荡型流动以及稳定流动,并绘制了不同分离器压力下的流型图。在高压工况中,发现了低幅值严重段塞流和溶解型稳定流动,证明了气体压缩性和气体溶解度对于消除严重段塞流起到的重要作用。利用概率密度函数、功率谱密度分布和互相关原理等统计学工具对信号进行分析处理,总结了立管压力波动幅值和频率在不同压力下的变化规律,绘制了立管压力波动幅值和频率的云图分布。对于气泡移动速度的分析则表明,不同的立管底部进气状态(连续进气或间歇进气)将导致不同的气泡移动速度变化规律。在集输-立管气液两相流流型转变机理研究方面,根据严重段塞流发生基本条件,推导了流型转变的各类判据,并在不同分离器压力下逐一评估了各类判据的适用性。与实验对比结果表明,现有分层流稳定判据(Stability of stratified flow)及稳态运行稳定性判据(Stability of steady state operation)都无法准确预测高压条件下的严重段塞流发生区域。本文基于高压下气体压缩性和溶解性影响流型的实验结果,在严重段塞流流型转变准则中分别引入气体压缩系数和气体溶解度方程,开发了一套适用于各种分离器压力下的严重段塞流边界预测模型。模型预测的流型转变边界线与本文实验结果对比符合良好。在集输-立管气液两相流计算模拟方面,根据实验得到的立管底部进气方式对气泡移动速度的影响规律,本文将集输-立管气液两相流的各种流型处理为“立管底部持续进气”和“立管底部阻塞”两个基本状态的组合。分别对集输管和立管建立守恒方程,并以一维漂移流模型和理想气体状态方程等对守恒方程组进行封闭,再通过特征线法将偏微分方程组转变为常微分方程组进行求解,提高计算效率。本文模型综合考虑了重力作用、摩擦力作用、液相加速度作用和气相加速度作用对流动的影响,较为准确的模拟了集输-立管中包括第一类严重段塞流、过渡型严重段塞流、振荡型流动和稳定流在内的多种流型。此外,本文还对立管顶部节流、立管底部注气和增加分离器压力等严重段塞流消除方法进行模化,并引入到气液两相流计算模型中,使之能够模拟各类消除严重段塞流的方法。计算结果证明混合法可以在更小的分离器压力、更低的注气量和更大的阀门开度下实现对严重段塞流的消除。