水平管油-水兩相和油-氣-水三相流動(dòng)特性研究.pdf

1、油、氣、水三相混合物在管內(nèi)的流動(dòng)是常見(jiàn)于石油、天然氣工業(yè)中極其復(fù)雜的氣液多相流動(dòng)現(xiàn)象。深入研究油-水兩相和油-氣-水三相在管道內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律，特別是流型和壓降規(guī)律，可以為石油生產(chǎn)解決重要的技術(shù)難題，對(duì)完善多相流理論及實(shí)際應(yīng)用具有十分重要的意義。本文在內(nèi)徑50mm、長(zhǎng)為40m的水平管中，系統(tǒng)地研究了油-水兩相和油-氣-水三相的流動(dòng)型態(tài)及流動(dòng)特征。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下： 1.通過(guò)可視觀察、攝影、攝像以及電導(dǎo)探針和壓力傳感器采集的信號(hào)

2、特征分析，得到9種油水兩相流型：(1)SM；(2)SW；(3)DOSW；(4)ST-MI；(5)O-DO/W-W；(6)DO/W-W；(7)O-DO/W:(8)O-DW/O；(9)DO/W。并結(jié)合靜態(tài)分析手段(PDF分析)，從形成機(jī)理上詳盡描述了各流型的相分布及流動(dòng)特征。采用無(wú)因次量關(guān)聯(lián)的方法，得到了各流型轉(zhuǎn)變的預(yù)測(cè)關(guān)系式。分別以油水混合速度νm和入口體積含水率φ、折算油速和折算水速為橫縱坐標(biāo)，繪制了油-水二相流型圖，并嘗試性繪制了以油

3、相和水相的無(wú)量綱數(shù)Re、Fr、We以及體積含水率φ的乘積為橫縱坐標(biāo)的流型圖，以強(qiáng)化流型圖的普適性。 2.根據(jù)油-氣-水三相流動(dòng)是氣液流動(dòng)與油水流動(dòng)的耦合的特點(diǎn)，提出了一種新的油-氣-水三相流型定義，據(jù)此識(shí)別了12種典型流型：(1)SM ‖ SM；(2)SW ‖ ST；(3)SW ‖IN；(4)SW ‖ DW/O&DO/W:(5)IN‖ST；(6)IN ‖ O&DO/W；(7)IN ‖DO/W&W；(8)IN‖O&DW/O；(9)

4、IN‖DO/W；(10)AN ‖ O/W；(11)AN ‖W/O；(12)AN ‖ DW/O&DO/W。從可視特征、壓力信號(hào)、壓差信號(hào)以及電導(dǎo)探針測(cè)取的信號(hào)特征入手，結(jié)合靜態(tài)分析手段(PDF分析)，詳盡描述了各流型的相分布及流動(dòng)特征。以折算氣液速分別為橫縱坐標(biāo)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按不同的油水比繪制了油-氣-水三相流型圖，從機(jī)理上分析了各流型轉(zhuǎn)換的特性。并嘗試性繪制了以氣相和油水混合液相的無(wú)量綱數(shù)Re、Fr、We以及體積含氣率β的乘積為橫縱坐標(biāo)的

5、流型圖，其適用性還處于探索階段。 3.與Mandhane和Taitel&Dukler氣液兩相流型圖對(duì)比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)液相中入口體積含水率小于80％時(shí)，油氣水三相波狀分層流動(dòng)區(qū)域上移，該區(qū)域?qū)?yīng)為SW‖IN流型范圍，其油水兩相呈間歇流動(dòng)狀態(tài)，液相含水率高于50％時(shí)該流動(dòng)型態(tài)是由IN ‖ DO/W段塞流型轉(zhuǎn)變而來(lái)，液相含水率低于50％時(shí)由SW ‖ ST流型轉(zhuǎn)變而來(lái)；在低氣速時(shí)，SM ‖ SM流型向IN ‖ ST間歇流轉(zhuǎn)換的邊界隨著含油率的

6、升高以及折算氣速的增加而下移。 4.對(duì)水平管中油-水兩相和油-氣-水三相流動(dòng)平均壓力梯度、截面持水率和管壁水潤(rùn)高度的變化規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)地研究。 油水兩相壓力梯度隨著油水混合液速νm的增大均單調(diào)非線性遞增。而隨著入口體積含水率的增加，當(dāng)混合速度大于0.566m/s時(shí)，均出現(xiàn)了壓力梯度的峰值特性，結(jié)合流型轉(zhuǎn)變分析，確定油水兩相流動(dòng)轉(zhuǎn)相對(duì)應(yīng)的入口體積含水率大約為60％，并以轉(zhuǎn)相點(diǎn)為分界點(diǎn)，得到了截面持水率與體積含水率和混合速度

7、間的模擬關(guān)系式：利用雙流體模型對(duì)油水分離分層流動(dòng)壓力梯度及截面持水率進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析，并對(duì)平面與曲面兩種油水界面形態(tài)下的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析。 對(duì)于油-氣-水三相流動(dòng)，不同液相含水率下的壓力梯度均隨著氣液相折算速度的增加而增大。但隨著入口體積含水率的增加，在一定的折算氣液速的條件下，壓力梯度出現(xiàn)了與轉(zhuǎn)相相關(guān)的峰值特性，由峰值對(duì)應(yīng)的液相入口體積含水率確定轉(zhuǎn)相點(diǎn)對(duì)應(yīng)的液相體積含水率為40％，明顯低于油水兩相流動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)相點(diǎn)(入

8、口體積含水率約為60％)。在高折算液速或者低折算液速但液相含水率高于50％工況下，隨折算氣速的增大，截面持水率呈指數(shù)衰減的變化趨勢(shì)。定義了一個(gè)新的概念——管壁水潤(rùn)高度，分析了折算氣液速以及入口體積含水率對(duì)該參數(shù)的影響趨勢(shì)。 5.采用互相關(guān)技術(shù)分流型研究了油-氣-水三相分層流和環(huán)狀流界面波速特性，結(jié)果表明：固定油水比時(shí)，SW ‖ ST流型氣-油界面和油-水界面波速、AN‖DO/W流型和AN‖DW/O流型的氣液界面波速均隨折算氣速和

9、折算液速的增大麗增大。固定折算液速或折算氣速時(shí)，隨著液相中入口體積含水率的增加，SW ‖ST流型氣-油界面波速逐漸減小，而油-水界面波速增大，且含水率越高，增大的幅度越大。AN ‖ DO/W流型和AN ‖DW/O流型的氣液界面波速均增大。SW ‖IN流動(dòng)型態(tài)其油水間歇流動(dòng)的特性使氣液界面波速的變化比較復(fù)雜，沒(méi)有表現(xiàn)出比較有規(guī)律的變化趨勢(shì)。而油水間歇流動(dòng)的特性參數(shù)(水塞速度、水塞長(zhǎng)度、水塞頻率)隨折算氣液速及液相含水率的變化表現(xiàn)出一定的變