（油气储运工程专业论文）水平管油气水三相流动特性模拟和实验研究.pdf

气水三相流动过程中参数的变化规律。对油气水三相流动特性进行了模拟 和实验研究，得出了含油率、折算气速、折算液速等参数对摩擦压降和截 面含气率的影响规律。 利用油气水三相模拟软件对实际管线进行了模拟研究，并将模拟结果 与p i p e p h a s e 模拟结果进行了比较，两者符合较好。 关键词：油气水三相流双流体模型数值模拟实验研究流动特性 n u m e r i c a la n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no u o i l - g a s 职h t e rt h r e ep h a s ef l o wi nh o r i z o n t a l p i p e l i n e s q ij i a n b o ( o i l & g a ss t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rh el i m i n a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o nad e t a i ls t u d yo nd i f f e r e n tp a r c mc o n v e r s i o n , o i l - w a t e r p a r a m e t e r sa n df l o wp a r a m e t e r sc h a n g eo f o i l a i r - w a t e rf l o ww a sm a d eb y n u m e r i e a is i m u l a t i o ma n de x p e r i m e n t s , a n ds i m u l a t i o ns o l , r a r eo f o i l - a i r - w a t e rw a sc o m p i l e d 。 a p r e d i c t i n gm o d e lo fp a t t e r n - c o n v e r s i o no fd i f f e r e n tp a t t e m sw a sb u i h b yt h o r o u g ha n a l y s i sa n dt h e o r yi n v e s t i g a t i o no no i l a i r - w a t e rt h r e ep h a s ef l o w p a t t e r nc o n v e r s i o nm e c h a n i s m c o m p a r e dw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t , 9 0 0 d r e s u l tw a sg o t t e nb yt h em o d e l l e a d m gf a c t o r sw h i c ha f f e c t e do i l - a i r - w a t e r t h r e ep h a s ep a r e mc o n v e r s i o nw e r es t u d i e db yt h em e t h o d so fs i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t ，a n dt h ea f f e c t i n gr u l e so fo i lc o n t e n ti nl i q u i dp h a s e ，p i p e l i n e d i a m e t e r , r e d u c e da i rv e l o c i t y , r e d u c e d1 i q u l dv e l o c i t yt od i f f e r e n tp a t t e r n c o n v e r s i o nw e r eg o t t e n a p r e d i g e s t i n gs t e e l ym o d e lo fa i r - l i q u i dt w op h a s ef l o ww a sb u i rb y i m p r o v i n go rt h et r a d i t i o n a li n t e g r a t e dh y d r a u l i cm o d e l i nt h ep r e d i g e s t i n g m o d d e q u a t i o n s ，w h i c hw a ss o l v e db y t h et w om e t h o d s - a d a m sf o u r t h - o r d e r p e r d i e t o r - e o r r e c t o rm e t h o da n dr u n g - k u t t am e t h o d , t h er e l a t i o n sa m o n gt h e p r e s s u r e ，a i rv e l o c i t y , l i q u i dv e l o c i t ya n dv o i df r a c t i o nw e r ec o n s i d e r e d a v s i m u l t a n e o u sh y d r a u l i cm o d e lo fa i r - l i q u i dt w op h a s ef l o ww a sb u i l tb a s e do n t h et w o - f l u i dm o d e la n dc o n s e r v a t i o nl a wo ff l u i dm e c h a n i c s ，a n d c h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i sw a sp u to nt h em o d e le q u a t i o n s i nc o n s i d e r a t i o no f m a t hc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee q u a t i o n s ，t h em o d e lw a sd i s p e r s e di nt h em e t h o d o f u p w i n di m p l i c i td i f f e r e n c ef i r s t a n dt h e ns o l v e dw i l l lg a u s s i a ne l i m i n a t i o n c a l c u l a t i n gp r o g r a m m ew a sc o m p i l e dt od os i m u l a t i n gr e s e a r c ho ft h e p a r a m e t e rv a r i a t i o ni ns t e a d yo rs i m u l a t i o nb e h a v i o r c o m p a r i s o no ft h e s i m u l a t i o nr e s u l ta n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l td e m o n s t r a t e dt h a tt h et w o - p h a s e m o d e l sb u i l tw o u l dp r e d i c tt h ep a r a m e t e rv a r i a t i o nr u l e so f o i l - a i r - w a t e rt h r e e p h a s en o ww e l l c h a r a c t e r i s t i c so fo i l a i r - w a t e rt h r e e - p h a s ef l o ww e r es t u d i e d b yt h em e t h o d so fs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a n dt h ea f f e c t i n gr u l e so f p a r a m e t e r sa so i lc o n t e n t ，r e d u c e da i rv e l o c i t ya n dr e d u c e dl i q u i dv e l o c i t yt o f r i c t i o nd i f f e r e n t i a lp r e s s u r ea n dv o i df r a c t i o nw e r eo b t a i n e d 髓ea c t u a l p i p e l i n e w a s ：s i m u l a t e dw i t ho i l - a i r - w a t e rt h r e e - p h a s e s i m u l a t i o ns o f t w a r e ，s i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t ht h er e s u l t sw i t h p i p e p h a s es o f l w a r e k e yw o r d s ：o i l - a i r - w a t e rt h r e ep h a s ef l o w ，t w o - f l u i dm o d e l ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，e x p e r i m e n ti n v e s t i g a t i o n ，f l o wc h a r a c t e r 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得石油 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 签名： 社岬年 主, e 潍b 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 学生签 导师签 另 ； 勇 日 咚b 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第l 章前言 1 1 研究意义和工程背景 石油与天然气开采及输送过程是与多相流动密切相关的，在这一流 动过程中，各相界面和相分布状况随着输送介质( 油、气、水) 比率、 管线尺寸以及地形起伏的不同，形成了各种各样的流动型态，简称流型。 流型的不同直接决定了多相流动的不同的流动特性。有关流动特性的研 究也是多相流研究中的重要课题之一。 自从2 0 世纪7 0 年代的石油危机以来，人类已将油气开采的目光由 陆地转移到了海上。这主要是因为世界上已探明的油气田中，有5 0 位 于水深3 0 0 m 以下的海底。与陆上油气田相比，海上油气田大有可开发 前途。将深海油井的产油输送至海岸加工处理，有油气分输和油气混输 两种方案，而使用同一条管线将油气直接从深海输送至海岸的油气混输 技术，可以减少油气田开采初期在海上架设平台和在海底铺设输油管线 的巨额投资。目前，这一采输方案已为国际上许多石油公司所关注，并 注入大量的资金进行研究开发。据报道，利用多相混输技术可以降低油 气田开采费用的1 0 - - 4 0 。因此，各个国家都投入了大量的财力进行研 究，其中欧洲北海油田的f l a g - s 管道总长度达到4 4 8 k m ，内径9 1 4 m m ， 管道末端7 0 k m ，是目前世界上最长的混输管线。t 随着我国石油工业向西部及海上的发展，多相混输技术由于其在使 油田快速投入开发、降低初期投资、减少运行费用等方面的优点而日益 得到广泛应用。我国从7 0 年代开始了混输技术的研究，并相继纳入了国 家8 6 3 计划，中国石油天然气集团公司九五重点科技攻关项目。 对混输管线内油气流动特性的深入研究是混输技术的基础，对指导 混输管线及相关设备的设计至关重要。油气水三相流动是一种十分复杂 的流动现象，整个系统内最重要的特征是结构及分布上的不均匀性和状 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 态的多值性，且各相间存在可变形的相界面。这些相界面及其所引发的 特征与各自的物性、流量、流动参数、管道几何形状及几何位置等因素 直接相关。整个系统是非平衡的，只有某一特定条件下的相对稳定，这 给油气水三相流动的研究带来了很多困难i l 2 1 。 随着计算机科学的迅猛发展，数值模拟越来越成为两相流研究的重 要工具。过去几十年中两相流动的数值模拟研究已经取得了相当大的进 展，但仍然有许多问题需要解决。近年来，随着人们对两相流动现象本 质的认识不断加深以及计算流体力学的飞速发展，使我们有可能对复杂 的两相流瞬态过程进行精确的数值模拟。这方面的研究工作具有相当重 要的工业应用价值和很高的学术水平，因而越来越受到人们的关注。 总之，鉴于多相流技术的巨大实用价值和由此带来的经济效益，有 必要对多相流进行系统地研究。 1 2 多相管流理论研究进展 随着计算机技术和多相流理论的发展，针对多相流数值计算模型的 研究越来越多，国内外学者对此提出了一系列计算各种工况的数值模型， 在此难以一一列举，其中使用较广的有均相流模型、双流体模型和漂移 模型。双流体模型是所有模型中最严格的模型，本文详细讨论双流体模 型及其数值解法。 双流体模型又称为分离流模型，1 9 6 7 年由苏绍李( s l s o o ) 提出， 近年来其应用范围大为扩展，已不仅在气固两相流中得到成功应用，并 在气液或液液两相流中得到成功应用四。双流体模型分别对气液两相建 立质量、动量和能量守恒方程，并考虑了气液相阀的作用，可用于多种 流型，被认为是目前最严谨的模型。但模型的数学方程复杂，数值计算 稳定性不好。求解困难。有时会出现复特征根，模型偏微分方程组的初边 值问题不适定，目前双流体模型的数值求解方法仍在不断探索之中双 流体模型在实际应用中，常采用各种简化形式：将两个气相和液相能量 方程合并为一个混合能量方程；假设瞬态过程等温，省去能量方程，减 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 小求解的复杂度等。模型边界条件通常采用管线入口气液流量和出口压 力，同时还需补充一个条件，许多研究者使用v o n n e u m a n 型边界条件， 即认为管线末点含液率的梯度为零 4 1 。 h e n a u l 5 l 等人应用双流体模型对段塞流进行了研究，建立了气相和液 相瞬态动量方程。在推导段塞流相问曳力系数时采用静力平衡方程，对 瞬态过程有一定影响。算法依据有限容积法，采用交错网格存储参数； 对微分方程在控制体长度上和时间上积分，得到组线性代数方程组； 进行差分离散后，对积分方程应用牛顿线性方法求解。研究中还模拟了 气相流量变化的瞬态过程，结果表明，预测压力和含液率等参数的变化 趋势与实验结果基本一致1 6 1 。 2 0 0 3 年，m b o n i z z i 等 8 1 在一维瞬态双流体模型的基础上，提出了模 拟三相( 气液液) 分层和段塞流的数学模型。该方法也适用于水平管油 气水三相流动研究，还能预测两相液体混合后是乳状液( w o 型还是 o w 型) 还是分层流动。模型能准确预测主要段塞特性( 压力梯度，段 塞频率以及总持液率) ，与实验观察的变化趋势吻合较好。研究结果表明， 两液相间的滑脱对三相段塞流的特性起到很重要的作用。 2 0 世纪8 0 年代以来，许多石油公司和科研机构都开始重视多相流 软件的开发，目前国外已开发出几种瞬态多相流模拟软件，比较常见的 有o l g a 、p l a c 、t a c i t e 、t u f f p 和p e t r a 等。 国内在瞬态气液两相流方面的研究起步较晚，理论和实验研究相对 落后，但是，经过几十年的发展，也取得了一些成果。中国石油大学的 李玉星以双流体模型为基础，针对湿天然气管线建立了瞬态两相流模型， 考虑到天然气管线含液率数值很小，采用稳态流动方程求解含液率，并 模拟了湿天然气管线供气和储气过程，预测出压力、含液率和气液相速 度随时间和管长的变化网。 中国石油大学的江延明以双流体模型为基础，针对气液两相流建立 了瞬态两相流模型，采用特征线算法求解方程组，预测出压力、含液率 和气液相速度随时间和管长的变化【4 j 。 西安交通大学的粱志鹏用简化的瞬态两相流模型研究气相和液相流 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 量变化的瞬态过程，模型中对控制方程组中的动量平衡方程作了局部平 衡假设，采用交错网格和隐式离散格式。模型能够预测瞬态过程参数的 大致变化趋势，但由于动量方程采用稳态关系式，没有考虑压力波的传 播。文中给出了入口气相流量增加过程的压力计算值和实验值的比较， 结果表明计算的压力上升和回落都偏快，即计算的瞬态过程短于实际过 程。由于实验管路长度仅有1 8 m ，难以对实验现象进行细致分析【l o l 。 西安交通大学的张西民等采用双流体模型将油气水三相流动简化成 气液两相流动，并假设单位管长的气液两相流中各相的摩擦阻力压降相 等，且等于总摩擦阻力压降；同一截面上各相的压力相等。根据双流体 模型及上述相关假设给出了不同流型下油气水三相流摩擦阻力压降计算 式m 。 1 3 多相管流流动特性的实验研究进展 1 3 1 水平管内流型及其转变的研究 关于水平管内流型及其转变的研究，前人已经做了大量的工作，其 中大多是以气、水两相流动的研究结果做出的，很少直接以油、气、水 为工质进行水平管内三相流型的研究。s i m p s o n i l l 】指出，由于受流体的物 性、管径、流动工况等多种因素的影响，流型及其转变研究成果的可通 用性差，相关实验研究成果在油田工程应用中缺乏普遍性。 气液多相流流动特性和流型密切相关，从上个世纪上半叶至今的几 十年中，对气液两相流的流型已经进行了大量的研究。流型的不同蕴含 着不同的流体动力特性和传热传质机理，而且也决定着流动参数测量的 准确度。在流型的划分上，目前有两种方法，一种按流动外形划分：气 泡流，气团流，分层流，波浪流，段塞流，环状流，弥散流；另一种按 力学特性划分：间歇流( 包括气团流和段塞流) ，分离流( 包括分层流、 波浪流和环状流) ，分散流( 包括气泡流和弥散流) 流型的分布、转 变和流型图的研究，也取得了很多的成就，如常用的b a k e r ( 1 9 5 4 ) 、 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 m a n d h a n e ( 1 9 7 4 ) 、w e i s m a n ( 1 9 8 1 ) 等人的流型图以及t a i t e l & d u k l e r ( 1 9 7 6 ) 流型划分法。 由于油气水三相流中油和水为两种不浸润液体，通常情况下特别在 弹状流时必将发生乳化现象，油水两相不能单独表现为各自特性，因此， 油气水三相流可以看作特殊的气液两相流来处理。不少研究者使用已有 的气液两相流的知识来解决三相流的问题。h e w i t t t l 2 1 等人采用“混合程度 系数”的新概念来计算油水混合物的有效粘度，而m e w e s 【l 习认为在油水混 合物性质明确的前提下，在水为连续相时用水的物性，而在油为连续相 时用油的物性。 1 9 9 3 年，英! 国h a r w e l l 实验室i 拘h a l l t l 4 1 等学者，将l i n & h a n r a t t y 关于 气液两相流的线性稳定性理论，推广应用至0 油气水三相流动，给出了判 断分层流与段塞流之间转变的方法。在给定气相折算速度和含水量的情 况下，比较液相折算速度的测量值与l i n & h a n r a t t y 稳定性理论得出的计 算值，两者差别越大，流动处于段塞流的可能性越大；反之，流动处于 分层流的可能性越大。但是，实验中只有段塞流而无分层流出现，上述 方法是否可行，还有待进一步检验。 1 9 9 4 年，德国汉诺威大学的s t a p c l b e r 矿冠等学者指出，如果不考虑油 水间的分散程度，水平管中观察到的油气水三相流的流型与气液两相流 相同，可用两相流的流型图来描述油气水三相流的流型。研究发现，在 低流量下，油气水三相按其密度分层流动。增加气液流量，先在油水界 面上，继而在油气界面上出现小波浪。流量继续增加，波浪流变为段塞 流，但此时液相中的油水仍然分层流动。若再增加流量，段塞流速增加， 油水开始掺混，最后形成分散流动。作者用修正的b a k e r 流型图来描述油 气水三相流的流型。由于他们的研究集中在段塞流上，液相为完全掺混 的油水混合物，其结论存在一定的局限性。 从1 9 9 3 年至1 9 9 6 年，美国0 恤。大学以j 印s 0 n 【1 矗1 7 l 为首的课题组连续 撰文论述了其在油气水三相流方面的研究结果，包括流型、压降、分层 流的液膜厚度和段塞频率等内容。使用压力传感器、摄像机结合目测研 究流型，将所观测到的流型分为三类：分层流( 包括分层光滑流、分层 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 波浪流和波浪流) ，间歇流( 包括气团流、段塞流和拟段塞流) 和环状 流。并给出了不同油水比下的油气水三相流型图。 1 9 9 5 年。著名学者t a i t e l 、b a r n e a 和b f i l l 等 1 8 1 人。把适用于气液两相 流的t a i t e l d a k l e r ( 1 9 7 6 ) 流型划分法推广到油气水三相流动，得到了判断 分层流向其它流型转变的方法，并发现在较低的气体流速下与实验结果 吻合较好。作者还指出，在给定的气体流量下，分层流向其它流型的转 变与液面高度鬼有直接的关系，由于油的粘度较大，所以当油水流量比 增加时，液面鱼会上升，分层流将在较低的气体和液体流量下发生变化。 因此，油水的流量比对流型的转交有重要的影响。 2 0 0 0 9 ，上海交遥大学的于立军等1 1 9 】通过对4 5 m m 管径、水平放置圆 管内油气水三相流流型的实验研究，整理出7 v 。平面流型图，并从双 流体模型基本方程出发，通过动力学分析，对水平管内油气水三相流动 中各流型间相互转交的机理和预报模型进行了研究，得到了4 种基本流型 问相互转变的预报关系式。当油气水三相流中的油水乳化液处于o w 型时，含油率对流型转换的影响很小，油水可作为一相来处理。 2 0 0 0 年，东北电力学院的周云龙等【2 0 】从气液界面总体特征和油水界 面特征两个方面对水平管内油气水三相流动的流型进行分类，即o w 型 的泡状流、平滑分层流、波状分层流、气弹状流及环状流和w o 型的泡 状流、平滑分层流、波状分层流、气弹状流及环状流，得到了含油率为 0 2 5 ，0 5 ，0 7 5 下的流型图 2 0 0 1 年，西安交通大学的胡志华等【2 l 】对水平管内油气水三相流动 的流型及其转变规律进行了实验和理论研究，建立了水平管内的油气， 水三相流型问的转变关系式和含水率为o 3 和0 6 下的流型图。 1 3 2 油气水三相流动特性 目前，大多数研究者都集中予气液两相流动，而对于油气水三相在 圆管中的流动研究却较少，并且可供参考的资料相对较少。对于油水两 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 相及油气水三相的流动特性的研究是从5 0 年代开始的，当时的研究主要 集中于油水两相流动的流动特性及传热特性方面。r u s s e l ，t & h o d g s o n e t a l 圆于1 9 5 9 年研究了水平管内油水混合物的流动情况，对油水两相的流 动特征作了初步的研究；y e h , g c e ta l 网于1 9 6 4 年较为详细的研究了油 水分散体系在相转变点附近相体积份额的关系，根据实验建立了一个较 为粗略的转换关联式；z a k i i h ，j l e ta l 【2 4 】于1 9 7 9 年发表了原油输送过程 中采用水包油型油水乳状液进行的实验研究，但只描述了的一些变化趋 势，并未给出数学计算模型。 p i l e h v a r i , a e ta l i 2 s l 讨论了水平管内进行高粘度原油输送时油水乳状 液的流动特性，其研究内容包括油包水和水包油，但主要集中在水包油 型油水乳状液；m a o ，m l e “例通过对水平管内水包油型油水乳状液的 研究认为稳定的水包油型油水乳状液表观粘度应该是剪切应力、温度、 油的体积份额的函数；h a r a l dk v a n d a le ta 1 1 2 7 在其对水平管内水包油型油 水乳状液的研究的基础上提出了压降的计算关联式以及表观粘度的计算 方法；1 9 6 2 年c e n g e l ，j a 1 2 8 1 发表了油包水型油水乳状液在水平管及垂 直管中层流和紊流时的流动特性的研究成果，提出了油包水油水乳化液 在水平管和垂直管中层流和紊流工况下相对粘度和分散相体积份额的关 系，给出了o w 型油水乳状液表观粘度的计算式，并且认为，在水平管 中，当分散体积份额大于3 5 时，便呈现出非牛顿流体的特性。 在对油水乳状液基本的流动特性有了较为深入的了解之后，各国学 者将研究课题主要集中于油水水力计算之上。p i l e h v a d 和s a o d e v a n d i t 2 9 1 等根据各自的理论研究和实验结果，通过计算油水乳状液管流时的广义 雷诺数，采用d o d g e - m e t z a e r 公式计算沿程压降，取得了令人比较满意 的结果。 对于水平管内油气水三相流的研究，前人的研究成果较少，起步亦 较晚。a c i k g o z t 3 0 l 等在1 9 9 2 年参照气液两相流流动时的流型，建立起了 水平管内油气水三相流动的流型图，同时也考虑了液相中的分散相和连 续相，然而对于不同类型的液相和不同管径的几何尺寸时，没有对流型 之间的转换界限做出进一步的分析。l p a n & g e ，h e w i t t 3 h 等人在管径 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 为7 7 9 2 m m 及5 个大气压的情况下对水平管内油气水三相流动的流型及 连续相和非连续相之间的转变作了迸一步的研究，他们提出的最大的摩 擦压降是由于连续相发生变化而造成的，所以在摩擦阻力的计算中，波 相的有效粘度的准确估算是十分重要的；在此前提下，他们根据对液相 粘度的加权体积相份额的计算公式和b f i c k m a n 提出的液相粘度的计算 式，提出了计算液相表观粘度的混合程度系数方法。1 9 9 5 年，m n a d l e r & d m e w e s 3 2 1 在对油气水三相流在水平管道中的流动情况研究后指出，当 含水率大于3 0 时水作为连续相，而当含水率小于1 0 时油作为连续相， 而当含水率在1 0 - - 3 0 时是油作为连续相转换为水作为连续相的过渡 区间，这时摩擦压降会发生大的跳跃，但并未提出计算水平管内油气水 流动的摩擦阻力关联式。 综上所述，关于圆管内油气水三相流动方面的研究仍然较少，可供 参考的文献资料亦很少，面对日益发展的石油工业，有待于广大研究者 更为深入的研究圆管内油气水三相的流动特性，以期获得能广泛应用于 工程的摩擦压降计算方法和各流型之间的转换界限方程。 1 4 本文的主要研究内容 油气水三相流动是一个极为复杂的水力过程，管道内油气水三相流 动特性研究在石油及天然气工业中是一个非常重要的课题。本文开展油 气水三相流动特性研究的目的就是在国内外已有研究成果的基础上，结 合石油及天然气管道内油气水三相流动情况，通过对油气水三相流型及 转变、油气水三相稳态和瞬态流动特性及其计算模型的研究，进行模拟 计算软件开发，取得具有实际意义和研究价值的成果，为多相流管道的 设计和管理服务。本文研究的主要内容： l ，在水平环道上进行油气水三相流实验，获得充分的三相流实验数 据。 2 对油水混合物的物性参数计算进行深入研究，建立求解物性参数 的新的模型。 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 3 对水平管内油气水三相流型转换机理进行深入分析，通过理论推 导和实验验证，获得油气水三相流动流型间转换的预测模型。对影响油 气水三相流型间转换的主要因素进行模拟和实验研究，分析各因素的影 响规律。 4 从流体力学守恒定律出发，以双流体模型为基础，建立油气水三 相流稳态和瞬态水力学模型，对两种模型的求解方法进行探讨以保证结 果的准确性和解法的收敛性，并利用实验数据对模型进行修正对水平 管油气水三相流动过程中流动参数的变化进行模拟和实验研究，详细分 析含油率的变化对摩擦压降和截面含气率的影响。 5 根据上述研究结果，开发油气水三相模拟计算软件。 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章实验系统及数据处理方法 第2 章实验系统及数据处理方法 本论文的实验研究内容是在中国石油大学( 华东) 室内小型多相流 实验环道和室外大型多相流实验环道上完成的。本章详细描述了所采用 的实验系统、测量装置、实验方法、实验数据的处理、实验参数及实验 介质的物性等。 2 1 小型多相流实验环道 实验装置由油气水各相计量系统、油气水三相混合器、实验管段和 三相分离系统组成。油路计量系统包括：油罐( 1 m 3 ) 、齿轮油泵、腰轮 流量计( o 5 级) 和油相调节阀。水路计量系统包括；水罐( 1 m 3 ) 、离心 水泵、椭圆齿轮流量计( o 5 级) 和水相调节阀。气路计量系统包括： a t l a s c o p c o 螺杆式压缩机，气体缓冲罐( 2 一) 、k r o h n e 金属管浮子流 量计( 1 6 级) 和s w a g e l o k 气体精密调节阀。三相分离系统由气液两相 旋风式分离器与油水两相重力沉降式分离器组成。详细流程如图2 1 所 不。 从压缩机l 来的压缩空气经气体缓冲罐2 稳定和金属管浮予流量计 4 计量后进入混合器1 4 ；油罐6 中的油经齿轮油泵7 增压和腰轮流量计 8 计量后进入混合器1 4 ；水罐l o 中的水经离心水泵1 1 增压和椭圆齿轮 流量计1 2 计量后进入混合器1 4 ；油气水三相在混合器9 中混合后进入 实验段1 5 ，从实验段流出来的油气水三相混合物经旋风式分离器分离后， 气体排入大气，油水两相进入重力沉降式分离器，经分离后，油相返回 油罐，水相返回水罐。 实验管路为内径5 0 m m ，长为4 0 m 的不锈钢管，其中包括一段内径 5 0 m m ，长为l m 的透明有机玻璃管和两段内径5 0 m m ，长为0 5 m 的不锈 钢软管。如图2 2 所示。由于空间限制，把实验段设计为u 型结构，u 型段的半径为0 3 m 。整个实验段分为入口稳定段、实验测量段和出口稳 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章实验系统及数据处理方法 定段三部分。为了保证实验段的严格水平，整个实验段固定在一个可以 上下转动的、由槽钢制作的平台上，该平台可以以测量段进出口处为支 点上下转动，可调角度为士3 。测量段和进出口稳定段之间布置有两个不 锈钢软管，以保证转动灵活。 1 5 图2 - 1 油气水三相流实验环道流程图 l 一螺杆式压缩机；2 一气体缓冲罐：3 - - 球阀；4 一金属管浮子流量计； 5 - - 气体精密调节阀；6 - - 油罐；7 一齿轮油泵；8 一腰轮流量计；9 - - 油调节阀； 1 0 一水罐；l l 一离心水泵；1 2 - - 椭圆齿轮流量计；1 3 一水调节阀；1 4 - - 三相混合器； 1 5 一实验管段；1 6 一气液分离器；1 7 一油水分离器 坤钿k 旦l 4 璧- 4 剖 图2 - 2 实验环道布置图 为了使实验段入口处油气水三相强制分层，油气水三相混合器1 4 采 用隔板式混合器。气相、油相、水相分别从混合器的上层、中层、下层 囊 i l j 蛆 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章实验系统及数据处理方法 进入混合器。实验中为了保证入口气液流量的稳定，且下游压力波动不 要影响到上游计量仪表，实验气源采用螺杆式压缩机供气，并增加气体 缓冲罐的缓冲容积( 2 m ? ) ，通过提高进入金属管浮子流量计之前的气源 压力，即增加金属管浮子流量计中浮子两端的压差，来解决下游实验段 的压力波动对气体流量计的影响。 2 2 大型多相流实验环道 实验环道采用不锈钢管焊接而成，全长3 8 0 m ，管道内径为0 0 8 m ， 整个环道呈水平状态。多相流实验装置主要是由起点的气液相介质供应 系统、大型实验环道、终点的气液分离系统以及控制系统和数据采集系 统组成。为了便于观察流型，在实验段上布置有一段长2 m 的透明有机 玻璃管；环道沿程设置了温度、压力、压差、截面含气率、流型等测量 点；终点安装了管束式捕集器和容器式捕集器。整个实验系统实现了微 机自动控制，利用【办v i e v e 采集实验管路起点的气液流量、压力、温度、 沿线的压力、差压，采样频率为1 0 0 0 h z 。该实验环道能够进行气液两相 和油气水三相流动的多种实验模拟。 图2 3 所示为多相流实验环道的流程图，实验流程如下：油、水通 过螺杆泵和离心泵增压，分别计量后进入油水混合器内进行混合。空气 由变频压缩机提供，经过缓冲罐和气体流量计后与油水两相在气液混合 器内再次混合，之后进入实验环道。最后，油气水三相进入卧式分离器 进行气、液分离，气相直接排空，从分离器内流出的油水混合物再进入 油水立式分离器，依靠油水的密度差进行重力沉降分离，密度较小的油 上浮到油水界面之上，经过堰板溢流进入油罐，水则循环回到水罐。 实验环道由一台v - - 1 3 1 2 5 型压缩机供气，其最大供气压力为 1 2 5 k g e m 2 ，最大排气量为1 3 8 0 m 3 h 。为了使入口气相压力保持稳定， 对压缩机采用变频调速，另外在压缩机出口连接有l m 3 和2 m 3 的气体缓 冲罐，以平衡排出气体的压力波动。液相采用水或轻质油品，由一台 i s y 8 0 一5 0 一3 1 5 轻油离心泵和一台w 4 1 2 7 z k - w 7 3 双螺杆泵供应，离 心泵供液量为o 6 0 n a 3 h ，双螺杆泵供液量为0 5 n l o m 3 m 。双螺杆泵安 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章实验系统及数据处理方法 装有变频器，通过调节频率改变流体排量。 图争3 大型多相流实验环道的流程图 l 一水罐；2 一油罐；3 一离心泵；4 一螺杆泵；5 - - 调频压缩机；6 一缓冲罐： 7 一气路调节阀；8 一水路调节阀；9 - - 油路调节阀；1 0 一金属浮子流量计； 1 1 ，1 2 - - r o s e m o u n t 质量流量计；1 3 一油水混合器；1 4 一气液混合器；1 5 一测试段； 1 6 一气液分离器；1 7 一油水分离器 气液混合器的管段内设置一个水平隔板，挡板长为5 0 0 m m 。隔板上 方为进气通道，下方为进液通道。这种设计能够减小两相之间的影响， 使气体流量的波动大为减小，混合器上游的气量波动幅度可控制在3 5 范围内。 2 3 实验数据的滤波处理 般来说，数据采集系统采集到的数据中往往叠加有噪声。噪声有 两大类：一类为周期性的，另一类为不规则的。前一类的典型代表为5 0 h z 的工频干扰，后者的典型代表为随机干扰信号。由于随机干扰信号的存 在，采样中的高频成份比较丰富，为保证实验数据的可靠，需要进行滤 波处理。滤波方法常分为两类：滑动平均法和最佳滤波法。滑动平均法 1 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章实验系统及数据处理方法 是一种古老而实用的算法，可以抑制动态测试数据中较频繁的随机起伏， 其最主要的特点在于其简洁性。但是，滑动平均法存在一定的主观性或 任意性，其应用效果在很大程度上取决于其算法中参数的选定，更适合 于平稳数据的处理。最佳滤波方法主要用于滤掉干扰噪声或抑制随机测 量误差。最佳滤波方法通常分为两类：非递推维纳滤波和递推数字滤波。 维纳滤波仅限于处理平稳数据，递推数字滤波已进步发展为自适应滤 波，更适合于非平稳数据的滤波。 常用的滤波方法有五点三次滤波、5 1 点三次滤波、低通滤波、m e d i a n 滤波、小波自适应滤波等。图2 - 4 为原始信号经过以上几种滤波方法滤 波后所得到的频谱分析图。通过对几种滤波方法的比较分析发现，小波 自适应滤波能更为有效地摒弃各种噪声地影响，所以我们利用自己设计 的小波自适应滤波器对实验数据进行滤波处理。 2 4 实验参数及实验介质的物性 2 4 1 实验参数范围 实验介质为：白油、水和空气。 温度：1 6 - 3 8 。c ； 气相折算速度0 4 1 7 2 m s ； 油相折算速度0 1 枷8 m s ； 水相折算速度0 1 o 8 m s 。 2 4 2 实验介质的物性 ( 1 ) 密度 空气的密度 由气体状态方程可得： p p 2 r ( t + 2 7 3 1 5 ) 其中：气体常数r = 2 8 7 1 j ( k g k ) ；p 是绝对压力，p a 1 4 ! 里互塑查堂! 兰奎! 堡圭堡奎墨! 童壅墅墨竺墨墼堡竺墨查堡 水的密度 水在2 0 c 、o 1 m p a 时的密度：9 9 8 2 k g m s 。 白油的密度 p = 8 5 4 8 7 8 0 7 0 3 3 3t ( 2 ) 秸度 空气的动力粘度 = ( - 0 9 8 6 0 1 + 9 0 8 0 1 2 5 x 1 0 。t 1 1 7 6 3 5 5 7 5 x 1 0 4 t 2 + 1 2 3 4 9 7 0 3 x 1 0 。7 t 3 5 7 9 7 1 2 9 9 x 1 0 。”) x 1 0 4 t 4 p a j 其中：1 气+ 2 7 3 1 5 水的动力粘度 水在2 0 、o i m p a 时的运动秸度：1 0 0 7 1 0 石m 2 s 。 自油的动力粘度 _ - - 6 0 7 5 + 6 7 1 9 2 e x p ( - t 1 8 2 ) l 二p 豳州鼍k 攀二二一弋 f i * 图2 - 4 几种滤波方法得到的频谱图 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章油气水三相流动的基本方程和物性参数 第3 章油气水三相流动的基本方程和物性参数 管内油气水三相流动是一种十分复杂的多元流动，在流动过程中， 许多参数不仅沿轴向变化，而且在管道的同一截面上也发生变化。在研 究中要全面的考虑这些问题，是不可能也没有必要的。根据多相流体动 力学的发展现状和本文研究的内容，将管内油气水三相流动简化为沿轴 向的一维流动，同时，将油水作为均相处理，可以避免由于油水两相较 为复杂的混合方式以及气相对这两相混合物的扰动等所带来的分析和处 理上的困难，也使得三相流动问题转变为两相流动问题，可利用在气液 两相流中已经取得的结论来帮助研究油气水三相流。 本章将以双流体模型为基础，建立求解油气水三相流动的基本模型， 并给出油气水三相流动的基本方程和油水混合物密度及粘度等的计算方 法。 3 1 基本方程 双流体模型中将油气水三相流动看成一种由油和水组成的均质液相 与气相分开的气一液两相流动。针对油气水三相流动特点及现有研究成 果，作出如下基本假设： ( 1 ) 油相与水相均匀混合，无相对滑脱； ( 2 ) 管内气液两相界面上的压力相等； ( 3 ) 三相介质处于热力学平衡状态； ( 4 ) 控制体内气液两相具有相同的温度，两者处于温度平衡状态。 基于以上假设，可以得到气液两相流动的双流体模型的基本方程如下： 气相连续性方程： 昙( 攻刚) + 昙h v 。倒) = ( 3 - 1 ) 液相连续性方程： 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章油气水三相流动的基本方程和物性参数 昙以珥4 ) + 昙协v j 珥爿) = 锄， ( 3 2 ) 昙( & 州k ) + 鲁( & k 2 州) + 昙( p 州) = 锄。 昙( 易哆一巧) + 丢( n 砖2 县4 ) + 昙( p q 爿) = 啊嘞 昙c & 妒4 c + 孚：孑，+ n q 彳c 马+ 孚+ g z ， + 。一。， + 丢f p , v , 9 , a c h , + 5 曙- + 劝槲删岛+ 芋+ 弘) 】= 砌卵一t o ) 叫相发生相变时的流速，当岘 0 时，v 。= v 。；幽， 2 0 0 0 时，采用c o l e h d 0 k & w h i t c 刚经验关系式： 方以。s 卅g 睁研9 3 5 爿 p t 式中，e 管壁面的绝对粗糙度，d 管内径， r e 一雷诺数，定义为r _ e ：旦兰望 ( 3 1 3 ) 旺水力直径，液相和气相的水力直径分别为： 见= 等d g = 羔 ( 3 - 4 ) 其中，& = d s ( 2 厍一1 ) ，既= 窿d 一最，墨：d 正二画i 矿， 如= 钟叫籼) 母，) 瓜可 4 = 三d 2 一如，再= 堕d ，吃管内液面高度 许多研究者对气液相问的水力摩阻系数z 进行了研究，但未得到满 意的关系式，且大都是经验关系式，各种公式的计算结果相差较大。为 了进行比较研究，下面给出几种常用的计算公式： 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章油气水三相流动的基本方程和物性参数 ( 1 ) a n d