多相管流相關(guān)規(guī)律研究

朱 旭，冶克杰，楊 鵬，顧 騰

（1. 青海油田公司澀北作業(yè)公司， 青海 格爾木 816000； 2. 青海油田英東采油廠， 青海 德令哈 816400）

多相管流相關(guān)規(guī)律研究

朱 旭1，冶克杰1，楊 鵬1，顧 騰2

（1. 青海油田公司澀北作業(yè)公司， 青海 格爾木 816000； 2. 青海油田英東采油廠， 青海 德令哈 816400）

深入研究多相流動(dòng)規(guī)律對(duì)油田生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。通過對(duì)多相流動(dòng)常見模型的計(jì)算，比較和分析，得到：不同計(jì)算模型有其適用的工況，目前來說沒有一種模型適合于所有情況；針對(duì)不同工況，對(duì)選出符合的計(jì)算模型；在文中給定的條件下，Dukler法和BBM法具有較好的計(jì)算結(jié)果，相對(duì)誤差不大于5%，且Dukler計(jì)算結(jié)果較BBM計(jì)算結(jié)果大。當(dāng)原油量一定時(shí)，隨著氣油比或含水率增大，總體壓降均增大；隨著總傳熱系數(shù)增大，管道壓降稍微減小，且當(dāng)總傳熱系數(shù)達(dá)到一定值時(shí)，對(duì)管道壓降幾乎沒有影響。

多相流動(dòng)；壓降；模型；敏感性；規(guī)律

隨著原油的開采，會(huì)有一部分天然氣因壓力的降低而分離出來，在管道中形成油氣兩相流動(dòng)或三相流動(dòng)[1]。氣液（水）多相流動(dòng)相對(duì)于單相流動(dòng)具有其特殊的規(guī)律，深入研究其流動(dòng)規(guī)律對(duì)指導(dǎo)油田生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義[2]。研究多相流動(dòng)規(guī)律，合理設(shè)計(jì)集輸流程，可加速油氣田的開發(fā)，降低初期和運(yùn)行投資，減少運(yùn)行費(fèi)用和簡(jiǎn)化操作流程，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益[3]。這在一些海洋、沙漠等特殊油田顯的更為重要。至今，多相流動(dòng)的準(zhǔn)確計(jì)算仍然是一個(gè)有待深入研究的課題，特別是油氣水三相流動(dòng)。油氣開采和集輸中均為多相流動(dòng)，因此針對(duì)特定工況進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算公式的選擇就顯得尤為重要。

這里首先介紹幾種常見的計(jì)算模型，然后篩選出適合于給定工況下的計(jì)算模型，最后研究分析氣油比，含水率，總傳熱系數(shù)和液相輸量對(duì)多相流動(dòng)的影響。

1 多相流動(dòng)計(jì)算模型

氣液（水）多相流動(dòng)流態(tài)多種多樣，界限也不十分清晰，嚴(yán)格說來是很難明確區(qū)分，因此多相流的計(jì)算也就顯得十分復(fù)雜。經(jīng)過深入調(diào)研，這里列舉五種常見多相流動(dòng)計(jì)算模型。

1.1 貝格斯—布里爾（BBM）模型

貝格斯—布里爾從能量守恒方程[4]出發(fā)，得到了考慮管路起伏影響的兩相管路壓降梯度計(jì)算式。它即適用于水平管路，又可用于傾斜管路。

式中：

g -重力加速度，m/s2;

Ω -混合物速度，m/s;

d -管直徑，m;

λ -混輸摩阻系數(shù)，無因次;

G -混合物質(zhì)量流量，kg/s;

θ -管段傾角，(°);

dl -管段長(zhǎng)度，m;

ωsg-氣相折算速度，m/s;

ρl-液相密度，kg/m3;

ρg-氣相密度，kg/m3。

當(dāng)截面含液率等于1或0時(shí)，該式即為單相液體或單相氣體管路的壓降梯度計(jì)算公式。

1.2 洛克哈特—馬蒂內(nèi)利（LM）方法

洛克哈特（Lockhart）和馬蒂內(nèi)利（Martinelli）于1940年最先提出水平管中兩相流動(dòng)壓降的一般規(guī)律[5]。他們使用空氣—液體（如水、煤油、苯及其他油類）混合物在不同管徑，管長(zhǎng)，流體粘度，輸送壓力和溫度條件下進(jìn)行試驗(yàn)。早期該方法視為較優(yōu)的一種計(jì)算模型。今天，這種方法仍然廣泛應(yīng)用于各工業(yè)系統(tǒng)中，獲得了較好的計(jì)算結(jié)果。在LM方法中，認(rèn)為氣液兩相壓降可按照單相流動(dòng)壓降來計(jì)算。

式中：

Δp—總壓降，Pa;

λ1—液相沿程摩阻系數(shù)，無因次;

λg —?dú)庀嘌爻棠ψ柘禂?shù)，無因次;

L —管道長(zhǎng)度，m;

ν1—液相速度，m/s;

νg —?dú)庀嗨俣?，m/s。

1.3 杜克勒（Dukler）方法

根據(jù)氣液兩相的速度是否相同和相間是否存在滑脫損失，杜克勒（Dukler）把兩相管路壓降的計(jì)算分為兩種情況，即杜克勒I和Ⅱ法。杜克勒I法假設(shè)氣液兩相在管路內(nèi)混合得非常均勻，符合均相流模型的假設(shè)條件?？砂褮庖簝上喙苈樊?dāng)作單相管路進(jìn)行水力計(jì)算，只是在計(jì)算中用氣液混合物的各項(xiàng)參數(shù)取代的單相流體的參數(shù)。即管路的壓降梯度用達(dá)西公式計(jì)算。

其中，λ采用1930年化學(xué)工程師協(xié)會(huì)發(fā)表的計(jì)算式：

杜克勒Ⅱ法考慮了實(shí)際管路中氣液兩相流速的不等且相間存在滑脫。只有在非常高的流速下才可近似認(rèn)為相間無滑脫。他利用相似理論并假設(shè)沿管長(zhǎng)氣液相間恒定的滑動(dòng)比，建立了相間有滑脫時(shí)管路壓降梯度的計(jì)算方法，即杜克勒Ⅱ法。

1.4 丹斯—若斯（DR）方法

若斯（Ros）于1961 年研究了鉛直管中氣液兩相流動(dòng)中的相關(guān)規(guī)律。1963 年丹斯（Duns）和若斯對(duì)以上成果進(jìn)行了擴(kuò)充和改進(jìn)。改進(jìn)后的計(jì)算公式得到了較好的計(jì)算效果[6]。

其中，1pΔ是由于流動(dòng)的摩擦阻力而引起的壓差；2pΔ是由于管道進(jìn)出口高程的不同而引起的壓差；3pΔ是由于管流加速運(yùn)動(dòng)而引起的壓差。

1.5 哈格多恩—布朗（HB）方法

對(duì)于油、氣、水三相混合物在鉛直管中的流動(dòng)，哈格多恩（Hagedorn）和布朗（Brown）于1965年基于單相流體的機(jī)械能量守恒定律[7]，在Δz管段上得出了壓力梯度的計(jì)算公式。

λ—摩阻系數(shù)，無因次;

Q0—油品流量，m3/s;

G1—伴隨每生產(chǎn)1 m2地面脫氣原油的油、氣、水的總質(zhì)量，kg/m3;—混合物平均速度，m/s。

2 計(jì)算模型選擇

對(duì)某一集輸管道，利用不同計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相比較，篩擇出適合于該多相流動(dòng)的計(jì)算模型。集輸管道具體參數(shù)如下：

管徑為0.282 m，天然氣密度為0.711 kg/m3，原油密度為594.8 kg/m3，起點(diǎn)溫度為30 ℃，總傳熱系數(shù)為4.02 W/(m2/℃)，液體輸量為16.83 m3/h，天然氣輸量為47 000 m3/h。沿線地形數(shù)據(jù)見表1。

利用5種計(jì)算模型分別對(duì)上述集輸管道進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示。其中：絕對(duì)誤差=實(shí)際值-計(jì)算值；相對(duì)誤差=（實(shí)際值-計(jì)算值）/實(shí)際值。

表1 沿線地形數(shù)據(jù)Table 1 Profile data of pipeline

表2 五種模型計(jì)算結(jié)果與誤差Table 2 Results of five models and errors

通過計(jì)算可以看出，對(duì)于該工況，Dukler法和BBM法計(jì)算效果最好，其次是HM法。LM法和DR法效果最差，且超過工程所允許的誤差值10%。

3 敏感性分析

影響多相流動(dòng)的因素有很多，這里主要討論氣油比，含水率和總傳熱系數(shù)對(duì)流動(dòng)的響。分析結(jié)果有助于深入理解井筒和集輸管網(wǎng)的流動(dòng)。這里分別利用BBM法和Dukler法進(jìn)行分析。

3.1 氣油比

氣油比的大小決定多相流動(dòng)中含氣量。當(dāng)原油量一定時(shí)，隨著氣油比的增大，氣體越多，流速越大，引起的相間滑脫損失和加速損失越大，總的壓降也就越大。即隨著氣油比增大總體壓降增大（這里管道末點(diǎn)壓力一定，總體壓降表現(xiàn)為起點(diǎn)壓力，下同）。如圖1所示，BBM法和Dukler法均表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)，但Dukler法計(jì)算結(jié)果較BBM法大。

圖1 管道起點(diǎn)壓力隨氣油比變化規(guī)律Fig.1 Relationship between inlet pressure and gas-oil ratio

3.2 含水率

初始給定的工況中不含水，即兩相流動(dòng)。這里為了討論水的增加對(duì)流動(dòng)的影響情況。在計(jì)算中，保證原油量和氣油比恒定，逐漸增大含水率，得到管道總體壓力損失變化情況，結(jié)果如圖2所示。在水存在條件下隨著流動(dòng)剪切和過泵剪切，油品和水形成乳狀液，使得粘度增大，流動(dòng)性受阻，表現(xiàn)為總體壓降增大。即隨含水率增大管道起點(diǎn)壓力增大（末點(diǎn)壓力恒定）。BBM法和Dukler法均表現(xiàn)出相同的規(guī)律，且Dukler法計(jì)算結(jié)果較BBM法大。

圖2 起點(diǎn)壓力隨含水率的變化情況Fig.2 Relationship between inlet pressure and water cut

3.3 總傳熱系數(shù)

不同季節(jié)或同一條管道的不同區(qū)域，其周圍的土壤導(dǎo)熱系數(shù)不盡相同，影響管道的溫度分布。而油品黏度受溫度影響較大，進(jìn)而表現(xiàn)為壓降的不同。這里為了分析管道總傳熱系數(shù)對(duì)多相流動(dòng)的影響，依次改變總體傳熱系數(shù)得到壓力變化情況，如圖3所示。

圖3 起點(diǎn)壓力隨總傳熱系數(shù)變化情況Fig.3 Relationship between inlet pressure and overall coefficient of heat transfer

BBM法和Dukler法計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著總傳熱系數(shù)增大，管道起點(diǎn)壓力均稍微減小，這是因?yàn)檩斔偷幕旌衔镏袣庥捅容^大，含氣量較多，原油量較小。當(dāng)總傳熱系數(shù)增大時(shí)，沿線溫度逐漸減小，氣體體積的減小產(chǎn)生的摩阻減小值較少量原油粘度增大產(chǎn)生的摩阻增大值略大。從而表現(xiàn)為隨總傳熱系數(shù)增大，起點(diǎn)壓力稍微減小，且當(dāng)總傳熱系數(shù)達(dá)到一定值時(shí)，對(duì)管道壓降幾乎沒有影響。

4 結(jié)束語

在原油開采，集輸?shù)冗^程中，往往伴隨著多相流動(dòng)，而多相流動(dòng)較單相流動(dòng)有其復(fù)雜性，深入研究其流動(dòng)規(guī)律對(duì)油田生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。通過調(diào)研介紹了幾種常用的計(jì)算模型，并對(duì)各計(jì)算模型進(jìn)行比較，篩選出較好的模型，最后對(duì)氣油比，含水率和總傳熱系數(shù)的影響情況進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

（1）不同計(jì)算模型有其適用的工況，目前來說沒有一種模型適合于所有情況；

（2）針對(duì)不同工況，對(duì)不同模型進(jìn)行計(jì)算比較;篩選出符合的計(jì)算模型；

（3）在文中給定的條件下，Dukler法和BBM法具有較好的計(jì)算結(jié)果，相對(duì)誤差不大于5%，且Dukler計(jì)算結(jié)果較BBM計(jì)算結(jié)果大。

（4）當(dāng)原油量一定時(shí)，隨著氣油比或含水率增大，總體壓降均增大；

（5）隨著總傳熱系數(shù)增大，管道壓降稍微減小，且當(dāng)總傳熱系數(shù)達(dá)到一定值時(shí)，對(duì)管道壓降幾乎沒有影響。

［1］宮敬. 混相輸送技術(shù)與應(yīng)用[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn), 2003, 22(9): 35-38.

［2］宋承毅. 石油工業(yè)多相混輸技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn), 2003, 22(9)：26-29.

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［4］崔海清. 工程流體力學(xué)[M]. 北京：石油工業(yè)出版社.

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［6］陳杰，孫紅彥，梁志鵬，等. 水平管內(nèi)油水兩相流流型的實(shí)驗(yàn)研究[J].油氣儲(chǔ)運(yùn), 2000, 19(12). 27-31.

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Research on Multiphase Flow Characteristics

ZHU Xu1，YE Ke-jie1，YANG Peng1，GU Teng2
（1. Qinghai Oilfield Company Sebei Operating Branch, Qinghai Golmud 816000，China；2. Qinghai Oilfield Company Yingdong Oil Production Plant , Qinghai Delingha 816400，China）

Research on multiphase flow characteristics has important guiding significance to oilfield production. In this paper, several common models of the multiphase flow were computed, compared and analyzed. It’s pointed out that, every model has its application condition, and no one can adapt to all conditions; aimed at different conditions, the most adaptable model should be selected; under the specific background depicted in the essay, Dukler and BBM methods have better calculation results, whose errors are not bigger than 5% ,and the result calculated by Dukler method is larger than that calculated by BBM method; when quantity of crude is constant, pressure loss of the multiphase pipeline increases with increasing of both gas-oil ratio and water cut; the pressure loss has a slight decrease with increasing of the overall heat transfer coefficient, but when the overall heat transfer coefficient reaches to certain value, the pressure loss does not nearly change.

Multiphase; Pressure loss; Model; Sensibility; Characteristics

TE 863

： A

： 1671-0460（2015）02-0414-03

2014-08-29

朱旭（1990-），男，陜西藍(lán)田人，助理工程師，2012年畢業(yè)于西南石油大學(xué)，研究方向：從事油氣田開采集輸方面工作。E-mail：zhuxu_qinghai@sina.com。