水平管油-水兩相和油-氣-水三相流動特性研究.pdf

1、油、氣、水三相混合物在管內(nèi)的流動是常見于石油、天然氣工業(yè)中極其復雜的氣液多相流動現(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，對完善多相流理論及實際應(yīng)用具有十分重要的意義。本文在內(nèi)徑50mm、長為40m的水平管中，系統(tǒng)地研究了油-水兩相和油-氣-水三相的流動型態(tài)及流動特征。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下： 1.通過可視觀察、攝影、攝像以及電導探針和壓力傳感器采集的信號

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)，從形成機理上詳盡描述了各流型的相分布及流動特征。采用無因次量關(guān)聯(lián)的方法，得到了各流型轉(zhuǎn)變的預測關(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，繪制了油-水二相流型圖，并嘗試性繪制了以油

3、相和水相的無量綱數(shù)Re、Fr、We以及體積含水率φ的乘積為橫縱坐標的流型圖，以強化流型圖的普適性。 2.根據(jù)油-氣-水三相流動是氣液流動與油水流動的耦合的特點，提出了一種新的油-氣-水三相流型定義，據(jù)此識別了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、壓差信號以及電導探針測取的信號特征入手，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特征。以折算氣液速分別為橫縱坐標，將實驗數(shù)據(jù)按不同的油水比繪制了油-氣-水三相流型圖，從機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量綱數(shù)Re、Fr、We以及體積含氣率β的乘積為橫縱坐標的

5、流型圖，其適用性還處于探索階段。 3.與Mandhane和Taitel&Dukler氣液兩相流型圖對比，發(fā)現(xiàn)當液相中入口體積含水率小于80％時，油氣水三相波狀分層流動區(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狀態(tài)，液相含水率高于50％時該流動型態(tài)是由IN ‖ DO/W段塞流型轉(zhuǎn)變而來，液相含水率低于50％時由SW ‖ ST流型轉(zhuǎn)變而來；在低氣速時，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.對水平管中油-水兩相和油-氣-水三相流動平均壓力梯度、截面持水率和管壁水潤高度的變化規(guī)律進行了詳細地研究。 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，當混合速度大于0.566m/s時，均出現(xiàn)了壓力梯度的峰值特性，結(jié)合流型轉(zhuǎn)變分析，確定油水兩相流動轉(zhuǎn)相對應(yīng)的入口體積含水率大約為60％，并以轉(zhuǎn)相點為分界點，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：利用雙流體模型對油水分離分層流動壓力梯度及截面持水率進行了預測分析，并對平面與曲面兩種油水界面形態(tài)下的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進行比較分析。 對于油-氣-水三相流動，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，由峰值對應(yīng)的液相入口體積含水率確定轉(zhuǎn)相點對應(yīng)的液相體積含水率為40％，明顯低于油水兩相流動時的轉(zhuǎn)相點(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。定義了一個新的概念——管壁水潤高度，分析了折算氣液速以及入口體積含水率對該參數(shù)的影響趨勢。 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，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，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流動型態(tài)其油水間歇流動的特性使氣液界面波速的變化比較復雜，沒有表現(xiàn)出比較有規(guī)律的變化趨勢。而油水間歇流動的特性參數(shù)(水塞速度、水塞長度、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