（油气储运工程专业论文）管道结构对严重段塞流流动特性的影响规律研究.pdf

i n v e s t i g a t i o no ns e v e r es l u g g i n gp h e n o m e n o ni nm u l t i p h a s er i s e rp i p e s y s t e m l i uf a n g ( o i la n dg a ss t o r a g e & t 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 h el i m i n a b s t r a c t g a s - l i q u i dt w o p h a s ea n dm u l t i p h a s es l u gf l o wi sc o m m o n l ye n c o u n t e r e di nc r u d eo i l a n dg a sm u l t i p h a s ew e l l sa n d p i p e l i n e s ，b o i l e rt u b e sa n dh e a te x c h a n g e r s ，a n ds e v e r es l u g g i n g i sf r e q u e n t l yf o u n di nm u l t i p h a s et r a n s p o r ts y s t e mo fo f f s h o r ep e t r o l e u mi n d u s t r i e s d e t a i l e d r e s e a r c ho ft h eh y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s ef l o wr e g i m e si so ft h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a li m p o r t a n c e h o w e v e r , a v a i l a b l ee x p e r i m e n t a ld a t af r o ml a r g et e s tf a c i l i t ya n d c o r r e s p o n d i n gt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a lm o d e la r es e l d o mr e p o r t e dp r e s e n t l y t h ei n n e rd i a m e t e ro ft e s tp i p ei s0 0 5lm i nt h i ss t u d y , t h es e v e r es l u g g i n gp h e n o m e n a i nh o r i z o n t a l - d e c l i n e r i s e rt e s tp i p e ，a n di n c l i n e r i s e rt e s tp i p ew e r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y t h em e c h a n i s ma n df l o wc h a r a c t e r i s t i c so fs e v e r es l u g g i n gp h e n o m e n o nw e r ea n a l y z e d a n d a c c o r d i n gw i t hd e c l i n e r i s e rt e s tp i p ew i t ha d d i t i o ng a sv o l u m e ，t h em a i nc o n t e n t sa n d c o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： i ti sf o u n dt h a ti n t h e 。t e x tp i p e 、析t ha d d i t i o ng a sv o l u m e t h es p a c eo ft h ea d d i t i o ng a s v o l u m ei so b v i o u s l yb i g g e rt h a nt h eg a sa c c u m u l a t i o ns p a c eo fr e a lt e x tp i p e i nap e r i o do f t i m e ，t h eg a sc a nn o tf l o wa l o n gt h ed e c l i n ep i p ed o w n w a r d s ，b u tf l o wi n t ob u f f e rt a n k t h r o u g ht h ee n t r a n c e i ti sm o r ee a s i l yt oa c h i e v eg a s l i q u i ds e p a r a t i o n 、s t r a t i f i c a t i o n ，s ot h a t t h ea c c u m u l a t i o no fg a si nt h eb u f f e rt a n k t h el i q u i di sf o r m e di nt h ed e c l i n ep i p e i tv e r i f i e d t h a ti nt h ef o r e p a r to ft h er i s e rp i p eg a s l i q u i ds t r a t i f i e da c c u m u l a t i o ni so n eo ft h en e c e s s a r y c o n d i t i o n s t h eh o r i z o n t a l - d e c l i n e d - r i s e rp i p ea n dd e c l i n e d - r i s e rp i p ew i t hg a sa c c u m u l a t i o nv o l u m e w e r es t u d i e da n dc o m p a r e d i ti sf o u n dt h a tt h eo c c u r r e n c eo fs e v e r es l u g g i n gh a p p e n e di n d e c l i n e d - r i s e rp i p ew i t hg a sa c c u m u l a t i o nv o l u m ei sl a r g e rt h a nt h ee x p e r i m e n t a lr e g i o n b u t t h eo c c u r r e n c eo ft h et r a n s i t i o nr e g i o ni sl e s st h a nt h ee x p e r i m e n t a lh a p p e n i nt h es t u d i e s ，t h e u p p e rb o r d e ro ft h es e v e r es l u g g i n ga n dt h et r a n s i t i o np a t t e r ni so b v i o u s l yb r o a dt h a nt h i s e x p e r i m e n t s ，t h ef i g h tb o r d e ro ft h es e v e r es l u g g i n gp a t t e ma n dt h et r a n s i t i o np a t t e mi s s i m i l a rw i t ht h i se x p e r i m e n t s i tw a sf o u n dt h a tt h ei n f l u e n c e so fg a ss u p e r f i c i a lv e l o c i t y ，l i q u i ds u p e r f i c i a lv e l o c i t ya n d t h eg a sv o l u m eo fp i p eb e f o r er i s e rp i p eo nf l o wc h a r a c t e r i s t i c so fs e v e r es l u g g i n ga r eo b v i o u s ， s e v e r es l u g g i n gp h e n o m e n o nh a v es t r i c tp e r i o dc h a r a c t e r i s t i c t h el e n g t ho fp e r i o dd e c r e a s e s 谢t l lg a ss u p e r f i c i a lv e l o c i t y , l i q u i ds u p e r f i c i a lv e l o c i t yi n c r e a s i n g ，l o g a r i t h m i cc o o r d i n a t e si n al i n e a rr e l a t i o n s h i p t h ep r e s s u r ef l u c t u a t i o no fs e v e r es l u g g i n gd e p e n d so ng a ss u p e r f i c i a l v e l o c i t y , l i q u i ds u p e r f i c i a lv e l o c i t ya n dt h eg a sv o l u m eo fp i p e b e f o r er i s e rp i p e t h e m a x i m u mv a l u eo fp r e s s u r ef l u c t u a t i o no c c u r sa tt h er i g h tb o u n d a r y i nt h eh o r i z o n t a l t i n yi n c l i n e dp i p es y s t e m ，t h ei n s t a n t a n e i t yo fi n c l i n e dp i p ec o m p a r e d 谢t hh o r i z o n t a lp i p e ，i ti sf o u n dt h a ti nt h ei n c l i n e dp i p e ，t h es l u g g i n gi sf o r m e db ya i rb u b b l e e f f e c to nt h ei n t e r f a c ew a v e ，b e s i d e s ，t h ec h a n g eo ft h el e n g t ho ft h es l u g g i n gi sf r o mt h es h o r t t ot h el e n g t ha n dt h e nw e a k e nt ot h es h o r t t h ed i s t r i b u t i n gf l o wp a t t e r ni nt h et i n y i n c l i n e d r i s e rp i p ei sa b s o l u t e l yd i f f e r e n tf r o mh o r i z o n t a l t i n yi n c l i n e dp i p e ，t h es t r a t i f i c a t i o n p h e n o m e n o nd o e s n o to c c u ri n t i n y i n c l i n e dp i p e ，a n dt h e r ei sn os e v e r es l u g g i n g p h e n o m e n o ni nt h ec o m b i n a t i v er i s e rp i p e s k e yw o r d s ：m u l t i p h a s ef l o w ，s e v e r es l u g g i n g ，f l o wp a t t e mm a p ，i n c l i n e dp i p e s ，s l u g g i n g 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：_ 产啦 日期：勿7 年铲月矽日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借 阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或 其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期： 日期： 研年- t 带乡 月矽日 月矽日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究意义 多相流是广泛存在于化工、石油、冶金、动力等工业设备和自然界中的较为特殊的 流动现象，指的是同时考虑物质两种或几种相态共存，且具有明显相界面的混合物流动 力学关系的流动现象, 2 , 3 , 4 1 。 在石油、天然气等工业中，油气输送有分相输送和混相输送两种方式，油气水多相 管道流动是最常见的输送方式，据统计在矿场集输管路中大部分都属于两相或多相混输 管路【5 ，6 。在石油工业中，混输技术与分输技术相比主要有以下优势： 可以减少分输方式建立的处理站或处理平台的数量，降低工程投资和开发成本。 比采用分输方式减少一条管道的建设工程量。据测算，长距离混输技术的应用可 以使油田的开发费用减少1 0 - - 4 0 ，而且可以缩短工期，使油田的开发速度加快。 可以使在分输工艺条件下不具备开采价值的一些边际油田获得经济有效的开发。 如处于深水区域的小区块油田，沙漠腹地的零散区块油田，一般陆地油田外围的边缘区 块油田等。 在海洋油气开采系统中，将原油及其伴生气从海底井口输送到海面平台预处理系统 需要经过一段沿海底铺设的管道和立管，由于输量变化以及海底地形起伏对管线的影 响，立管中通常会出现严重段塞流。严重段塞流又称强烈段塞流，其特点是管道压力波 动剧烈、管道出口气液相流量随时间变化很大，与通常的水力段塞流相比，严重段塞流 的液塞长度很长，可达一个或几个立管高度。因此，严重段塞流会对海洋油气开采系统 带来诸多危害。 首先，严重段塞流使管路压降急剧增大，导致井口回压增大，油气井产量降低；其 次，管道出口处气、液交替流出，造成下游分离器溢流或断流现象；其次，压力的剧烈 波动会加剧管壁腐蚀，特别是加剧立管的腐蚀；而且压力的剧烈波动会引起管道的震动， 造成管线接头和支柱的机械损害，对作业平台的结构强度、安全性和稳定性构成危害； 压力的波动还会使平台上的增压设备发生气蚀现象。此外，立管中气体在喷发过程中会 产生焦耳一汤姆逊降温效应，使混输流体温度降低，导致管壁结蜡和水合物的形成，阻 塞管道。 因此，研究强烈段塞流的压力波动特点、流动特征参数的变化规律及强烈段塞流的 消除方法，对于优化海底油气输送工艺、保障油气输送管道和油气处理设备的运行安全 都具有十分重要的意义。 第1 章绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 3 严重段塞流的产生机理 y o c u m l 8 】于1 9 7 3 年在海洋油气田上生管中发现了这种现象，但没有对其进行定义， 仍然称为段塞流。之后的s c h m i d t 又对这种现象进行了深入的研究，定义这种现象为“严 重段塞流”。随后，许多研究者对这种流型的流动特性进行了理论和实验研究。，随着 近海石油开发向深水区域的发展，严重段塞流也越来越受到人们的重视。 s c h m i d t t 9 , 1 0 , 1 1 】等人的研究发现，严重段塞流( s e v e r es l u g g i n g ) 年i 水力段塞( s l u gr i o w ) 的形成机理有着很大不同。他通过实验研究发现，严重段塞流通常发生在气液流量较低 的时候，由于地形起伏及其他因素的影响，管线在立管底部附近往往会稍微下倾，容易 形成分层流。液体积聚在立管底部堵塞管内气体而形成液塞，之后液塞长度越积越长， 甚至会超过立管高度，从而形成严重段塞流。通常，严重段塞流的液塞长度能达到一个 或几个立管高度。而水力段塞流通常发生在油田生产的中高期流量较高时，一般认为是 气液相流体沿管线分层流动过程中，由于k e l v i n h e l m h o l t z 不稳定效应引起的界面波动 使液体桥塞管线，液塞长度一般仅为3 0 倍管径。严重段塞流的特点是压力剧烈波动， 管道出口气、液瞬时流量很大。特别是当深水管线中的立管段垂直高度达几百米甚至上 千米时，将严重危及管道和管道下游相应设备的正常工作。两者相比水力段塞流的危害 要小得多【1 1 1 【1 2 1 。f a r g h a l y 1 3 】在z a k u i m 管线上升管系统中进行了实验研究，指出在低气 体流量下，略微起伏或变管径管线中容易形成严重段塞流，同时指出严重段塞流会导致 整个油田生产系统的不稳定，并且使油田平均生产能力比预期下降5 0 左右。 s c h r n i d t 9 , 11 1 给出了三个独立的严重段塞流转变准则： a 层流一非层流的转变；即，假定立管前的下倾管的流态已经是层流，则会促使严 重段塞流出现。 b 立管内流动的稳定性：如果在某一液体流量下随立管压力减小而气体流量增加， 则认为流动不稳定，易产生严重段塞流。 c 严重段塞流和严重段塞流过渡阶段的边界的判别标准是最低气体流量和一个液 体流量下使立管中的液塞长度小于立管高度时，其流体动力学模型的直接解。 f a r g h a l y l l 3 1 给出了类似的严重段塞流判别法则，并给出了“严重段塞流量度 l l s s ： ，一z r t m w f = ” g 工日g 睨 ( 1 1 ) 只有i l s s d , 于1 的时候才会发生严重段塞流，否则进入的气体质量流量将超过竖直管 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 内的静水压力的增加速率。结果是在液塞填满竖直管之前水平管内的气体就进入竖直 管，使得严重段塞流不能发生。 1 9 8 1 年，b o e 给出了判断立管系统中严重段塞流产生的数学准则，即管线中气体 累计压力和液体的静水压力相等： r o 。r 7 m l 一= 1 劬，p o t g ( 1 2 ) 式中：嚷、q 分别为气相、液相流速，m s ；m 为气相分子量；l p 为立管长度，m ； 口为立管中的含气率，丁为流体温度，k ；r 为气体常数；g 为重力加速度，m s 2 。 p o t s 1 5 1 等人进行了严重段塞流的小型实验、油田测试和水力学模拟研究，提出了一 个与b o e 准则类似的判断准则，并且认为下倾管出现分层流并不是严重段塞流产生的前 提，指出流体的相问分离和流动动量是产生严重段塞流的重要原因。作者还认为流体粘 度对严重段塞流的产生没有影响，但是会影响液塞的速度。 t a i t e l t l 6 】给出了立管系统稳定流动产生的条件，指出当气体的膨胀力低于立管中液 塞的静水压力时，管线内流动稳定，即 ，奶矽( 口口】l r p 一办) 二- - - - - - - - - - - - - - - - - ：- - - - - 一 易e oi ( p l g ) ( 1 3 ) 式中：p 聊为分离器压力，p a ；p o 为油相压力，p a ；肌为液相密度，k g m 3 ；为立 管中的持液率，t ；t 为立管基部管线中的含气率，口为立管中的含气率，h 为立管高度， m ；，。为立管基部管长，i n 。 t a i t e l 1 6 1 采用上述准则和b o e 准则一起来预测严重段塞流的形成区域，并根据 s c h m i d t 实验数据进行验证，指出单独使用b o e 准则会过大地预测严重段塞流的形成区 域。而v i e r k a n d t 1 7 1 所进行的实验表明在t a i t e l 稳定性不等式所预测的稳定流动界线之上 仍然有液塞产生。 目前，对严重段塞流产生机理的研究局限于简化的模型中，仅考虑了流速、物性和 立管高度等，而没有考虑管线的布置形式、近水平管流型、管线压力和下游分离器等因 素。因此，要开展深水混输就必须对严重段塞流的产生机理进行进一步的研究。 1 2 4 严重段塞流的循环过程 目前，大多数研究者认同典型的严重段塞流呈现周期性运动，一个周期大约可分为 四个阶段【9 ，1 6 】：液塞形成( s l u gf o r m a t i o n ) 、液塞流出( s l u gp r o d u c t i o n ) 、液气喷发( b l o w o u t ) 、 第1 章绪论 液体回流( l i q u i df a l l b a c k ) 。 a 液塞形成 在液塞形成阶段，由于立管内液体的回流和下倾管内液体的流入，液体在立管底部 低洼处积聚，积聚的液体堵塞气体通过，形成液塞头。此时立管顶部几乎没有液体和气 体流入分离器。 b 液塞流出 在液塞增长阶段，下倾管内气体压力增加的速率小于立管内液体产生的静水压力速 率，则气体不能进入立管而在下倾管中积聚，而液体会不断流入立管，立管内的液柱逐 渐上升，达到立管项部，开始不断流入分离器，此后立管底部压力不再变化。 c 液气喷发 在液气喷发阶段，气体在下倾管线中积聚，体积和压力都增加。最终气体的体积增 加到可以进入立管。进入立管的气体使立管内液体减少，压力降低，这又会使气体膨胀， 加速进入立管。在气体的推动下立管中的液体开始急剧加速喷入分离器，液体流量瞬间 达到峰值。同时，上游管内的压力也随着液塞高度的减小而减小，当液塞尾部到达立管 项部时，压力达到最小值，近似等于分离器中的压力。 d 液体回流 在液体回流阶段，随着立管中的气液相的不断喷出，气体压力降低，气体流速减小。 当气体流速不足以支持管壁上的液膜后，立管中残留的液体停止流出，在重力的作用下 流回立管底部，重新开始积聚，逐渐形成下一个液塞，开始新一轮循环。 1 2 5 严重段塞流的特征参数 1 9 8 0 年，s c h m i d t 等人【9 , 1 0 , 1 1 1 在内径为2 英寸，水平段长1 0 0 英尺，上升段高5 0 英尺的 水平一上升管组合管道上对严重段塞流进行了实验研究和数值模拟，分别得出了严重段 塞流的特征参数，如液塞长度、液塞形成发展时间、立管中液体回流长度、回流时间等。 早期在实验室中所得到的严重段塞流的液塞长度一般都在立管高度的几倍以内，如19 8 0 年s c h m i d t 等人实验测得的液塞长度在5 0 1 5 0 英尺之间，最大长度仅为立管高度的3 倍。 然而，b r i l l 等人【1 8 】在阿拉斯加油田现场内径为4 0 6 4 m m ，管线上游近水平部分长4 5 7 2 m ， 下游立管高9 1 4 m 的管道系统中却发现了长度可达6 0 9 6 米的液塞。 至今，液塞长度与管道结构及系统参数的关系仍未被指明。对于其它流动特征参数， 特别是液塞运动速度的研究更少。 在1 9 7 6 年，j u p r a s e t l l 9 】、s c h m i d t l 9 1 等学者以d u n s r o s 无因次气液速度准数，提出了 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 判断严重段塞流的流型图。s c h i d t 【1 1 , 1 2 】等人提出一种预测严重段塞流的动态计算模型。 模型中假定管线入口的气液流速恒定，管线末端分离器内压力保持不变，液塞不含有气 泡，需要用持液率相关式来计算严重段塞流的持液率、立管内液体回流量等相关的经验 系数。作者没有对模型进行验证。f a b r e 【2 0 】等人在内径为2 英寸的立管系统上，采用立 管根部气举法，模拟了管内的瞬变流动，提出了一个瞬变模型。该模型采用拉格朗日漂 流模型，假设气体为理想气体、等温流动、相间没有摩擦和质量传递。之后，s a r i c a & s h o h a m 2 1 1 采用了f a b r e 模型，并且修正了在立管中两相和单相界面的不连续性问题，但 没有给出相关模型的进一步实验验证。 对严重段塞流的流动特征参数，如液塞运动速度、循环周期等的研究，分析管线布 置方式及参数对流动特性的影响，不仅有助于充分认清严重段塞流的流动特性，而且对 探讨控制和消除严重段塞流有重要的指导意义。 1 2 1 段塞流的物理模型及特征参数 f l 仇rd i r e c t i o n i it 一+ ii 图1 - 1 段塞流的物理模型 f i g l - 1s l u g g i n gp h y s i c sm o d e lf i g ur e 典型的段塞流模型如图1 1 所示。该段塞单元由液塞段和大气泡段组成，在大气泡 段的下面有一层液膜存在。根据管径的大小和流动条件的不同，该液膜段或为光滑液膜， 或为光滑液膜和波状液膜的组合。而液膜可分为两部分，前端是一定长度的高含气混合 区，其余是边界层充分发展区。边界层充分发展区的气体有朝管项运动的趋势，含气率 分布趋于稳定。除在液塞中会有小气泡存在外，在液膜中也会有小气泡存在，同样在大 气泡中也会有小液滴存在。典型的段塞流的主要参数为：段塞尾部的流动速度等于大的 t a y l o 汽泡的速度；段塞前端的速度为坼，段塞前端中的低速气泡在位置2 混入液塞 第l 章绪论 中。液塞中的小气泡的平均运动速度为u o s ，液塞中的液体平均流动速度为u l s ，液塞中 的空泡份额为s 。在位置1 ，底部液体受管壁切应力的影响，速度减慢，形成了层状流， 液相高度为h 1 。在液塞之间形成的层状流包含一个大气泡，该气泡的平均速度为l ， 液层的平均速度为u 扣 1 2 2 段塞流形成机理研究的进展分析 通常，通过透明管段对管内气液流动情况的直接观察、高速摄影、射线测量并根据 压力波动特征等来确定流型。这种确定流型的方法自然很难有个对流型的统一分类法， 所以人们利用特定实验系统和气液流体实验观察而建立的流型图来给出流型存在的范 围，如，j t l b a k e r f 2 2 1 、m a n d h a n e 等【2 3 j 根据大量实验数据整理的流型图。但是，这些经验 方法建立的流型图无法用来预测流型，因为流型转换的边界依赖于管径、管道倾角以及 流体物性等参数。因此许多研究者提出了流型转换的理论，而段塞流与分层流、泡状流 等流型的转换研究就揭示了段塞流的形成机理。 目前的一些文献对于段塞流形成机理主要针对水平管流动，这些模型基于分层流型 液膜稳定性来预测液塞现象。近年来，国内外研究者在段塞流的形成机理方面已经取得 了一些研究成果。k o r d y b a n & r a n o v ( 1 9 7 0 ) 1 2 4 j 在矩形管道中的研究指出，管道中层状流 的k h 不稳性由于上管壁的近距离效应而被加强。w a l l i s & d o b s o n ( 1 9 7 3 ) 1 2 5 】认为液塞形 成是由于界面小正弦波的不稳定引起。t a i t e l & d u k l e r ( 1 9 7 6 ，1 9 7 7 ) 2 6 ，2 7 】认为，当持续生长 的不稳定界面波在层状流界面和上管壁之间形成液桥时液塞形成。m i s h i m a & i s h i i ( 1 9 8 0 ) 2 8 】他们把出现“最危险波( 是指具有最大生长率的界面波) ”作为液塞产生的先决 条件k o r d y b a n ( 1 9 9 0 ) 2 9 1 ，f a b r e & l i n e0 9 9 2 ) 3 0 1 等人在对气液两相流实际研究的基础上， 基于波动理论，认为界面波的k e l v i n h e l m h o l t z 不稳定效应是段塞流形成的基本机理。当 由于压力变化所产生的抽吸力作用于界面并达到可以克服对界面波起稳定作用的重力 时，就会发生k e l v i n h e l m h o l z 不稳定效应，导致界面波生长，形成液弹，即段塞流产生。 当用上式预测水平管道段塞流产生时，对气相速度的计算结果明显大于液塞形成时的实 际气相速度。 对于液塞的形成机理还有一些研究者提出了不同于k h 不稳定性理论的观点。t r a p p ( 1 9 8 6 ) p i l 则怀疑k h 局部不稳定性的存在。他认为液体动能对界面波的生长有促进作用。 a h m e d & b a n e r j e e ( 1 9 8 5 ) 3 2 】应用非线性理论分析了非粘性流体二维流动条件下界面波的 不稳定性。该研究结果表明，非线性波相对于线性波来说更不稳定。 上述对界面波不稳定性的研究均没有考虑流体的粘性影响，即属于理想流体界面波 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 不稳定性理论。再考虑流体粘性的前提下，许多人也提出了不同的段塞流形成机理。考 虑了流体粘性的l i n & h a n r a t t y ( 1 9 8 6 ) t 3 3 】研究表明，当流体不稳定性发生时，界面波波速 大于液体的平均流速，液塞由长波发展而来。李广军( 1 9 9 6 ) f 3 4 】的研究也表明界面长波失 稳形成液塞。w u 和w ue ta l 等的研究表明管径、压力以及液体粘性等对液塞的形成有影 响。w o o d s i s 5 j 的研究表明，在低气体流速时，水平管内的液塞是从小波长、大波幅的界 面波发展而来，这些波通过非线性的增长机理来吸收更小波长的波从而增加能量，当波 高增长达到管顶部时就出现了液塞；在高气体流速时，小波长的界面波不会形成液塞， 但是这些波会破碎生成滚动波，这些滚动波会发生合并形成液塞。顾汉洋和郭烈制3 6 1 采用一维双流体模型研究了管内分层流的界面不稳定性并成功计算了液塞生长的过程， 并与实验数据进行了比较。 尽管很多研究者对于界面波的不稳定性是液塞形成的基本机理这一理论上持有相 同的观点，但对液塞形成点的判定仍存在着不同看法。非粘性不稳定性理论认为，界面 波的不稳定点就是层状流向段塞流的转变点；而粘性不稳定性理论则认为，新形成液塞 的准稳定点是流型的转变点。上述研究对层状流向段塞流转变时的液塞形成机理进行了 探讨。如果液塞是在泡状流向段塞流转变过程中形成的，则不能够应用界面波不稳定性 理论加以解释。刘磊等) ( 1 9 9 8 ) 1 3 7 1 对两相流密度波现象的研究表明，泡状流向段塞流转 变时密度波传播过程的不稳定性所致。 国内各多相流实验室多年来对管内气液流动和油气水流动进行了广泛深入的研究， 许多研究者通过大量实验研究给出了流型图，并且涉及到了段塞流的发生规律。何利民 【3 8 】在内径5 4 毫米、长2 4 米以及内径8 0 毫米、长3 7 8 米的两种水平及微起伏管道上实验研 究了气液段塞流型的流动规律，总结出了采用压差信号测量液塞参数的新方法，对流动 参数进行了非线性分析。作者对段塞流型进行了管道入口流量瞬变的实验研究，给出了 压力变化的实验关联式，并且对清管过程中的液塞变化规律进行了实验研究。刘文红1 3 9 j 在水平及倾斜管内对气液和油气水流动进行了大量的实验研究，作者采用局部即时取样 方法研究了管内油水和油气水流动条件下的油水两相混合效应及油水混合物粘度变化， 发现油气水流动反相点的位置随气相流量增大向高含水率方向移动，而且提出了一个预 测反相点位置的关联式。对两相及三相流动的流型进行了实验研究，对流型转换边界进 行了分析。在流动机理分析的基础上给出了不同流型的截面含气率和压降计算模型及关 联式。 第l 章绪论 1 3 本文的主要研究目的和研究内容 气液严重段塞流是海洋油气混输管道中的一种较为常见流型，在严重段塞流研究方 面，多数文献报道的严重段塞流实验研究，都是在较短的管道上通过增加气体缓冲空间 来模拟较长管道进行实验的，这与实际管路系统有定的差别，因此有必要设计建造更 为合理的实验装置来获取实验数据，加深对严重段塞流产生机理的认识。 在前人的研究基础，在大型多相流实验环路装置上开展了如下研究工作： ( 1 ) 在本课题组老师同学的帮助指导下建造了大型多功能多相流实验环路装置，该装 置具有长达9 5 米的水平环道，可以完成多种管路条件和流动介质下的段塞流和严重段 塞流实验研究，该实验装置与己报道的实验装置相比，能够更好的模拟油田生产的实际 生产装置的情况。 ( 2 ) 对水平一下倾一上升实验管段上发生的空气一水两相严重段塞流进行广泛深入的 实验研究，观察记录严重段塞流发生时的实验现象，分析其产生机理，流型发生的区域 范围。深入地研究严重段塞流的周期特性、压力波动特性等特征参数的变化规律，并与 增加积聚空间来模拟管线长度实验中发生严重段塞流的特征参数进行对比分析。 ( 3 ) 进行了微上倾管一上升实验，记录分析了实验现象，分析研究了管路中出现的流 型变化规律，压力波动特性，液塞频率特性等特征参数的变化规律。 中目石油大学( 华东) 碰i 学位论文 第2 章实验系统与数据处理方法 本章详细地描述了在油气水三相段塞流实验平台上进行的气液两相严重段塞流实 验研究所采用的实验系统组成、实验管段布置方式、测量装置、实验方法、实验数据的 高速采集与预处理、实验参数及实验介质的物性等实验条件。 2 1 实验流程与主要设备 对课题组油气水三相段塞流实验平台进行改造，使之适用于空气一水两相严重段塞 流实验研究。液路计量系统包括：水箱( 1 m 3 ) 、离心水泵、过滤罂、m i c r o m o t i o n 质量 流量计( 0 1 级) 和s w a g e l o k 液体精密调节阀。气路计量系统包括：a t l a s c o p c o 螺杆压缩 机、过滤器、气体缓冲罐( 2 m 3 ) 、微小孔板气体流量计、s w a g d o k 气体精密调节阀。详 细流程如图2 1 所示。 1 一螺杆式空气压缩机；2 一气体缓冲罐；3 - 过滤器；4 一小孔板气体流量计：5 一气体精密调节阀； 6 一水罐；7 - 清水离心泵；8 一过滹器：9 一液体质量流量计；1 0 一液体调节阀：l l 一两相混合器； 1 2 一水平环道管段；1 3 一下倾管段；1 4 一立管段；1 5 - - 气液分离器 圈2 - 1 严重段塞流实验环遭流程 f i g e 2 - 1t e s t l o o po f s e v e r es l u g g i n ge x p e r i m e n t a ls y s t e m 压缩机1 捧出的压缩空气经气体缓冲罐2 后消除了压力波动，得到稳定的气源；气体 经过过滤器3 滤清杂质，进入微小孔板气体流量计4 计量后，从气体精密调节阀s 流出后 进入混合器1 l ；水罐6 中的水经离心水泵7 通过滤器8 击杂质后流入液体质量流量计9 计 量后通过液体调节阀1 0 流出，进入混台嚣1 1 ；空气一水两相介质在混合器l l 中混合后进 第2 章实验系统与数据处理方法 入实验段1 2 1 4 ，在实验管段1 2 1 4 中产生严重段塞流：从实验1 4 段流出来的空气和水两 相介质在气渡分离器中1 5 分离，空气直接捧入大气，永相返回水箱。 空气一水两相严重段塞流实验使用的是隔板式两相混合器，其结构如图2 - 2 所示。 由于严重段塞流一般在较低的气、液相流量下出现，因此无需考虑混合器的类型对其后 实验管道内流型的影响。 垂。 7 j 莓 水相 p 一 罔2 - 2 两丰日混合器不意图 f i g 2 - 2 g a s t i q u i d m i x e r 为保证实验过程中流入实验管段的气、液流量稳定，且下游实验管段内压力波动不 要影响到计量系统仪表的准确性，需提高流量计前后的压差。由于实验过程中实验管段 的最高压力并不高，不足o i m p a ，为此，实验气源采用体积较大的气体缓冲罐( 2 m 3 ) ， 并提高供气压力，使气相流量计之前的气源压力达到0 8 m p a ，基本消除下游实验段的 压力波动对气体流量计的影响。 2 2 测量装置 实验中需要测量的信号主要有：压力、流量及温度信号等。 2 2 1 压力变送器 本研究选用k e l l e rp a 2 3 压阻式压力变送器和r o s e m o u n t3 5 9 5 电容式压力变送 罂。 k e l l e r p a 2 3 压阻式压力变送器的频响为l k h z ，4 2 0 m a 输出，精度和重复性以及 温度稳定性都非常好，适于高精度高速数据采集，在实验中布置于实验管段上的各特征 点处，测量其压力波动。 r o s e m o u n t3 5 9 5 电容式压力变送器的频响为2 2 h z ，4 2 0 m a 输出，自带微处 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 理器、液晶显示屏并可以调节量程，在实验中用于测量气相进出口、水相入口及实验段 入口处的压力。 上述压力变送器在采集电路连接完成后使用标准压力表( o 2 m p a 一块，i m p a 一块) 进行标定，得到准确的换算系数。 2 2 2 温度传感器 本研究采用的温度传感器为自制的铜一康铜热电偶。在实验中用于测量环境温度、 气相计量进出口、油相入口、水相入口及实验段进出口的温度。 2 3 严重段塞流实验管段 海洋油气开采的环境复杂，技术多样，因此多相混输管道的敷设方式存在多种形式。 为全面研究海洋油气开采集输管路中的严重段塞流，本文在两种实验管段中进行了实 验，并与同课题组的马华伟博士一起进行了增加气体积聚容积来模拟管路长度的实验。 2 3 1 水平一下倾一上升实验管段 气液严重段塞流是海洋油气混输管道中的一种较为常见流型，在严重段塞流研究方 面，多数文献报道的严重段塞流实验研究，都是在较短的管道通过增加气体缓冲空间来 模拟管道长度进行实验的，这与实际管路系统，有一定的差别，因此有必要设计建造更 为合理的实验装置来获取实验数据，加深对严重段塞流产生机理的认识。 本实验中所使用的管线，为内径0 0 5 l m 的圆形不锈钢管。图2 3 、2 - 4 中蓝色标注 部分为同管径，材质是无色透明的有机玻璃( p m m a ) ，可以方便地观察管道内的流动状 态。其中立管高度为6 6 5 m ，水平管和下倾管的总长为9 5 2 1 m 。 验系统布置有7 个k e l l e r 电容式压力变送器( p 0 - - p 7 ) 。p 0 位于水平环道管入口 之后，p 1 、p 2 、p 3 位于水平环道弯角处，p 4 位于倾斜管入口处，p 5 位于立管底部部， p 6 、p 7 位于立管中部。各压力传感器所在位置的详细尺寸见图2 3 、2 4 。 第2 章实验系统与数据处理方法 1 2 =，2弓畜1u警ij岂誉s=鼬，n0=olo lu暑茹蠹ijb o蓍_1d导詈fjnl鲁宣iot8il岳f釜i 硒毫车知毒懈掣捌簧禽留摧黼文悟艮n山盈 1 i落乏蠡=lii兰k 蓍薹一i 鏊毒磊 篓耋：c审 婺善! p 匿匹 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 3 ilj弓；iu。暑ij。二z。事。仁叫暑=n暑。lj芸i。=。ii-嚣；名ij。io ij二。iu。e。ne年c-。皇屠三盘日m uik=t再三、：1n眦互 匣啦每群筝鄙面瞄曩f瞬繇泳堵黼留嘲l丫n函 阻，l础芝一怍蠢，l i 一d l ( ”参 i l l c 仃p i i l l 一：9q ， l l l ， 立 l l l z ： o - 工 l i l 卟ic z 一 辇言甜。 蘸肇三一w中 襄蒌 墨i j i i 第2 章实验系统与数据处理方法 2 3 2 微上升倾管一立管实验管段 为验证微上倾管中能否产生严重段塞流，本文还进行了微上倾管一立管实验。其中 立管高度为6 1 5 m ，上倾管长度为2 5 9 7 m 。其中图示蓝色部位为通明观察段。 实验布置有4 个k e l l e r 电容式压力变送器( p 4 - - p 7 ) 。p 4 位于倾斜管入口处，p 5 位 于立管底部，p 6 、p 7 位于立管中部。各压力传感器所在位置的详细尺寸见图2 5 。 函 宝 p - e 1 1 uu l 主 ，苎l 嘲钾芹地户1 。 ”p p c 1 南r ， - 图2 5 微上升倾一上升实验管段仪表布置图 f i 9 2 5 t h ed i a g r a mo f t h et i n ya s c e n d e dp i p e - r i s e rp i p e 2 3 3 增加气体积聚空间的下倾一上升实验管段 本文作者与马华伟博士【4 3 掣】一起进行了增加气体积聚空间