油氣水多相流壓降研究新進(jìn)展

范偉++劉志斌++孫建剛++王忠華

摘要：對(duì)國(guó)內(nèi)外學(xué)者在油氣水多相流壓降研究進(jìn)展進(jìn)行了階段總結(jié)，主要集中在壓降計(jì)算模型及影響因素分析兩方面。結(jié)果表明：在計(jì)算模型研究中，一部分人對(duì)Baker、Martinelli及Chishlom等經(jīng)典模型進(jìn)行修正，一部分人運(yùn)用新方法建立適合實(shí)驗(yàn)工況模型，一部分人利用已有模型及算法驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性；壓降影響因素包括各相介質(zhì)流速、含水率、溫度、管壁粗糙度、流動(dòng)形態(tài)、油品物性等，實(shí)驗(yàn)條件不同，影響因素對(duì)壓降作用效果不同。

關(guān)鍵詞：壓降；計(jì)算模型；影響因素；進(jìn)展

中圖分類號(hào)：TE973.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16749944（2017）16014303

1引言

集輸管路中油氣水多相流壓降規(guī)律變化一直是各方學(xué)者研究重點(diǎn)所在，由于混合液需克服湍流時(shí)流體質(zhì)點(diǎn)間相互碰撞并交換動(dòng)量造成能量損失及自身內(nèi)摩擦力，這時(shí)管路中流體流動(dòng)前后處便會(huì)產(chǎn)生壓差而引起壓力降低，稱為壓降。在油田開采過程中，管道的壓降是集輸系統(tǒng)運(yùn)行管理的主要技術(shù)依據(jù)，關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行[1]。基于外圍油田地區(qū)分散、原油物性各異、含水高、產(chǎn)能低的現(xiàn)狀，為了達(dá)到不加熱或少加熱集輸?shù)哪康?，?jié)省能源的同時(shí)又保證安全生產(chǎn)，這就需要準(zhǔn)確地計(jì)算出不同工況油氣水混輸管道壓降特性。為此，需了解當(dāng)前國(guó)內(nèi)外各位學(xué)者的研究現(xiàn)狀，為開展壓降研究打下基礎(chǔ)。

2油氣水多相流壓降研究進(jìn)展

劉曉燕等[2～6]于2003～2006年間在大慶油田現(xiàn)場(chǎng)做了多次油氣水壓降測(cè)試實(shí)驗(yàn)，對(duì)象為高含水油氣集輸管線，找到了影響壓降變化的因素，介質(zhì)溫度、含水率和流速，對(duì)比分析了間歇出油和正常出油油井的每100 m平均壓降大小。同時(shí)，用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)修正了經(jīng)典Baker模型，給出不同含水率間歇出油和正常出油的壓降計(jì)算式。該課題組通過降溫方法進(jìn)行混合液流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，確定了不加熱集輸界限為原油凝點(diǎn)以下3℃。2014年，對(duì)溫度為25℃，含水率70%～95%，流量為2.4～6.7 m3/h流態(tài)化整形后的膠凝原油與水的混合液進(jìn)行壓降試驗(yàn)研究，確定出其四種典型流型的壓降計(jì)算模型，結(jié)果表明：模型計(jì)算準(zhǔn)確率在17%以內(nèi)，含水率對(duì)壓降的影響存在一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)之前，對(duì)于同種流型，定流速時(shí)壓降隨含水率的增加而降低；轉(zhuǎn)折點(diǎn)之后壓降是流速的單調(diào)遞增函數(shù)[7]。

劉文紅和郭烈錦等[8]做了機(jī)械油-水兩相流摩擦阻力實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)管徑40 mm，含水率為10%～90%，經(jīng)過詳細(xì)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，整理得到了多種典型流動(dòng)形態(tài)下的摩擦阻力壓降表達(dá)式。2004年，該課題組[9]研究了油氣兩相流壓降，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)空氣和46#機(jī)械油，實(shí)驗(yàn)溫度為常溫，對(duì)Lock-hart-Martinelli關(guān)聯(lián)式中的參數(shù)C進(jìn)行了重新定義，給出了各流動(dòng)形態(tài)壓力梯度計(jì)算式。2015年，課題組成員[10]在內(nèi)徑為76.2 mm，水平管段長(zhǎng)度為400 m，立管高度為20.9 m的不銹鋼管內(nèi)，對(duì)集輸立管氣水兩相流壓差信號(hào)特征進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：四類流型的壓差變化速率差別明顯，過渡流型立管內(nèi)壓差變化速率最為劇烈，穩(wěn)定流動(dòng)壓差變化速率最為頻繁；嚴(yán)重段塞流流型、過渡流型及穩(wěn)定流動(dòng)都有明顯主頻，但穩(wěn)定流動(dòng)頻率幅值明顯小于其他三類流型。同時(shí)，還對(duì)集輸立管內(nèi)非穩(wěn)定流壓差波動(dòng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，中高折算速度條件下，立管整體壓差波動(dòng)幅度與水平管段壓差波動(dòng)幅度均隨折算速度的增大先増大后減?。欢诘驼鬯闼俣葪l件下，則表現(xiàn)為單調(diào)遞減的變化規(guī)律；并建立了各自相應(yīng)的壓差波動(dòng)特性等高線圖[11]。

呂宇玲等[12]研究了原油-水兩相流壓降變化規(guī)律，實(shí)驗(yàn)管徑25.4 mm，溫度40℃，研究結(jié)果表明壓降隨含水率的變化分為油包水、反相和水包油三個(gè)階段，油包水階段壓降隨含水率的升高而逐漸變大，水包油階段含水率對(duì)壓降的影響較??；加入表面活性劑后，壓降梯度在不同流量下都大于不加劑的情況；反相階段出現(xiàn)二次分散現(xiàn)象，且反相后溫度和含水率變化對(duì)壓降影響較小[13]。該課題組還對(duì)原油凝點(diǎn)以下的油水混合物分析了溫度對(duì)壓降的影響效果，結(jié)果表明：壓降隨溫度的升高略有降低，這是因?yàn)橛退旌衔锏膲航堤荻戎饕赏庀鄾Q定，在水漂油塊流型下外相水相的黏度隨溫度變化較小，導(dǎo)致油水混合物的壓降梯度隨溫度的升高而略有減小[14]。

秦立森等[15]以白油為油相介質(zhì)，在水平管中開展了油氣水三相流實(shí)驗(yàn)，研究了含水率及混合液流量對(duì)壓降的作用效果，所得結(jié)論如下：混合液流量越大，壓降越大；隨著液體含水率的增加，壓降先增大后減小。宮敬等[16]以3種高粘度油品和自來(lái)水為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，進(jìn)行了油水兩相流壓降變化規(guī)律研究，利用定常圓管層流流動(dòng)的阻力公式估算了不同流型壓降值，研究結(jié)果表明，壓降是流速、含水率、溫度、混合物粘度的函數(shù)，流型轉(zhuǎn)化時(shí)壓降波動(dòng)較大，分層流和環(huán)狀流壓降最小。周云龍等[17]對(duì)比研究了鋼管和有機(jī)玻璃管內(nèi)的油水兩相流動(dòng)摩擦阻力隨流速及含水率變化特性，結(jié)果表明：隨含水率升高壓降增大，在低含水率較低及含水率較高時(shí)壓降幾乎不受流速影響；有機(jī)玻璃管內(nèi)油水兩相摩擦阻力大于鋼管，分層流除外。高偉等[18]建立了油氣水三相段塞流基本方程并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M測(cè)試，建立了高含水期油氣集輸管路流動(dòng)特性智能預(yù)測(cè)模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模型計(jì)算誤差較小，實(shí)現(xiàn)了壓降的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。汪國(guó)琴等[19]以10#白油、自來(lái)水和空氣為介質(zhì)，對(duì)水平管內(nèi)油氣水多相流壓降特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，基于Chishlom的壓降關(guān)聯(lián)式，重新定義了關(guān)聯(lián)參數(shù)C，并提出了適用于水平管油氣水三相流的壓降預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度較好。韓悅[20]研究了油氣兩相流壓降計(jì)算模型，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)溫度分別為40℃和50℃，管道總長(zhǎng)度340 m，采用6種算法計(jì)算了管段壓降，結(jié)果表明：BBM算法能較好的適用于水平管道和小傾斜角度管道，但當(dāng)產(chǎn)氣量大于80 m3/h時(shí)和含水率在55%～75%間時(shí)，誤差均≥15%，因此需要對(duì)BBM算法進(jìn)行修正。

Angeli等[21]做了玻璃管和鋼管內(nèi)油水兩相流實(shí)驗(yàn)，基于所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)典型壓降計(jì)算模型進(jìn)行了修正，作者發(fā)現(xiàn)在油水轉(zhuǎn)相點(diǎn)處壓降值最大；分析了壓降影響因素，主要因素除管壁粗糙度以外還有管壁潤(rùn)濕度。Chakrabarti等[22]在管徑25 mm，流速為0.03～2 m/s情況下，詳細(xì)分析了煤油-水兩相流多種流型下的壓降變化，并基于壓力均衡化及能量最低化原理建立了壓降計(jì)算模型。Sotgia等[23]以相對(duì)密度為0.9的礦物油和水為介質(zhì)，對(duì)兩相流壓降做了大量實(shí)驗(yàn)，作者指出混合液壓降依據(jù)油水界面形狀不同而變化，并根據(jù)流速變化修正了不同流型的壓降表達(dá)式。Bannwart等[24]分別在油田現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)做了高凝原油-空氣-自來(lái)水三相流壓降實(shí)驗(yàn)，室外管徑為77 mm，管材為鋼管，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)管徑為28.4 mm，管材為聚氯乙烯，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：三相流壓降隨著某一相流速的增加而增大，氣相對(duì)壓降影響最為顯著；環(huán)狀流流型壓降最小，適于高凝原油安全集輸。endprint

2017年8月綠色科技第16期

范偉，等：油氣水多相流壓降研究新進(jìn)展

能源與節(jié)能

3結(jié)論

前人對(duì)油氣水多相流壓降做了諸多研究，主要包括計(jì)算模型及影響因素分析。在各自的實(shí)驗(yàn)條件下給出了壓降計(jì)算模型，有的是利用已有模型及算法驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)效果準(zhǔn)確性，有的是對(duì)經(jīng)典模型進(jìn)行修正，有的是采用新方法擬合出壓降實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，有的是研究了壓差波動(dòng)信號(hào)?？梢?，對(duì)于新形勢(shì)下集輸管路而言，目前沒有一套嚴(yán)格的油氣水壓降計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致遇到新工況新問題時(shí)就別出心裁，如何制定出一套標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算油氣水混合液壓降將是學(xué)者們未來(lái)研究的重點(diǎn)。壓降影響因素主要包括流速和含水率，壓降隨流速的增加逐漸升高；隨含水率的增加，壓降呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，對(duì)于特高含水期的油田，壓降與含水率變化負(fù)相關(guān)。

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Pressure Drop Research Development Status of Oil-Gas-Water Multiphase Flow

Fan Wei1， Liu Zhibin1， Sun Jiangang1， Wang Zhonghua2

（1. College of Civil Engineering， Dalian Minzu University， Liaoning， Dalian 116650， China；

2. College of Civil and Architecture Engineering， Northeast Petroleum University， Daqing，Heilongjiang 163318， China）

Abstract： This papersummarized in the oil-gas-water multiphase flow pressure drop research progress for domestic and foreign scholars periodically. It mainly concentrated in the pressure drop calculation model and influence factors analysis. Among the study of computational model， some people haveamended the classic model， such as Baker， Martinelli and Chishlom etc； some people have applied the new method to establish the new model， which adapt their experimental condition； some people have used the existing model and algorithm to verify the accuracy of the experiment. The influence factors of pressure drop include velocity of each phase medium， water cut， temperature， pipe roughness， flow pattern and oil physical property etc.Theeffects on the influence factors of pressure dropvaries fromdifferent experimental conditions.

Key words： pressure drop； calculated model； influence factors； development statusendprint