油气两相管流持液率变化试验研究.pdf

石油天然气学报 江汉石油 学院学报2 0 1 5 年 8 月 第 3 7 卷 第 7 8 期 4 0 J o u r n a l o f Oi l a n d G a s T e c h n o l o g y J ． J P I A u g ． 2 0 1 5 V o 1 ． 3 7 N o ． 7 ＆8 [ g l 著格 式]王乐 ．油气两相管流持液率变化试验研究 [ J ]．石油 天然气学报 江汉石 油学院学报，2 0 1 5 ，3 7 7 8 4 0 4 3 油气 两相管流持 液率变化试 验研究 王 乐 长江大学石油工程学院， 湖北武汉4 3 0 1 o o [ 摘要] 油气两相混合流动是石油行业 内普遍存 在 的现象，持液 率 的研 究 可 以对 多相流 动提供研 究基 础。 通过室 内油气混合流动试验研 究，在 不同倾 角的有机玻 璃 管 内进 行 不 同液 量、不 同气液 比、不 同管 径 的 对比试验 ，得到 了不 同情况下持液率 随外界条 件改变 而变 化的规 律。试 验结果 表 明，管 线倾 角 影响 管流 的持液率 ，水平管流 的持液 率不 同于非水平段 ， 当角度 从 0 。 增 加后 ，持 液率 有 明显的变化 ，随角度 增加 有规律地缓慢 变化 ，最后 当倾斜 管变为垂 直管时，持液 率又有 所 回落。气体 流 量的增 加使 持液 率表 现 出 近似 自然对数 的递减规律 。液体流量 的变化对持 液率 的影 响较 小，只有 在水平 管流 中，液体 流 量才会 对 持液率有 明显 的影响 。管径对流 型有 一定 影响，由于液体 增 多可能使 环 流或过 渡流 变为 段塞 流。该试 验 研 究，对油 田采油方式 的选择 、制定合理 工作 制度 、高效开发具有一定指导意义 。 [ 关键词] 油气两相流 ；管线倾 角；持 液率；气液比；管径 [ 中图分类号]T E 3 5 5 [ 文献标志码]A [ 文章编号] 1 0 0 0 9 7 5 2 2 O 1 5 o 7 0 8 0 0 4 0 0 4 在石油与天然气行业的生产及运输过程中，油气两相混合流动是普遍存在 的现象，生产井井筒流体中 除 了油气之外 还会含有地 层水 、砂砾 和蜡等 。管路 中的持 液率等参数 是研 究油 气两相 及气 液多 相混合 流 动 的重要基础 ，它能为后续合理的生产规划和高效的油气集输提供可靠的依据。近年来 ，国内学者如陈振瑜 等口 、徐继军 和李 晓平等口 对 于多相管 流持 液率 的研 究 大多基 于水 平 管流 ， ，为 了探究 各 种情 况 下 的 油气 流动规律 ，笔者 以不同的流动 管线倾 斜 角度 为例 ，通过 改变 流 动参数 来研 究其 对 持液 率造 成 的影 响 。 通过该 试验研 究 ，对油 田采油方式 的优化选择 、工作制度 的合理制定 以及高 效地开发具 有一定指 导意义 。 1 试验设备 试 验设 备 由空气 压缩 机 、冷 干机 、储气 罐 、储 油 罐 、混 合 罐 、柱 塞 泵 、气 体 流量 计 、液体 流 量 计 、 试 验管 和分 离器 等试 验器 材组 成 。试验 管 段为 不 锈 钢管 和 不 同 内径 4 0 、6 0 、7 5 mm 、单根 管 长 1 ． 6 m 的有机 玻璃 管组 成 ，可通 过 电机和 钢缆 拉伸 改 变摆 放 角 度 ，总长 度 9 ． 4 m。试 验 使用 的气 体 为 空气 密 度为 1 ． 2 9 3 k g ／ m。 ，液体为 5 白油 密度 8 2 0 k g ／ m。 。试验装置如图 1 所示 。空气压缩机将空气压缩 至储 气 罐 中 ，当出气 口的阀 门打开 后 ，气体 与被 柱塞 泵泵 出的液体 一 同进入 试验 管 内，随后 流 H { 至分 离 器 分离 ，液 体 回流 至混合 罐 中 。 图 1 试 验 装 置 [ 收稿日期]2 0 1 41 02 0 [ 基金项目]国家自然科学基金项目 6 1 1 7 0 0 3 1 。 [ 作者简介]王乐 1 9 9 1一 ，男 ，硕士生 ，现主要从事油气田开发研究 ，2 8 7 1 1 6 2 3 7 q q ． c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 7卷 第 7 8 期 王 乐油 气两相 管流持 液率变化试验研 究 2 各因素对持液率的影响 2 ． 1倾 角对持 液 率的 影响 并 不 是所 有 的管流 通道 都是 维 持接 近水 平 的状态 ，例 如 多分 支井 的倾 角分 支段 ，定 向井 的造斜 段 以 及 有起 伏 的地 面输 油管 道 ，通 过改 变液 体流 量 ，依次 进行 了倾 角 为 0 、1 5 、3 0 、4 5 、6 0 。 和 9 0 。 的流 动 试 验 ，持液 率 的变化 如 图 2 所 示 。 0 8 O ． 7 0 ． 6 0 ． 5 料 O ． 4 疑 0 ． 3 0-2 0 ． 1 0 祷 燃 靶 试验管倾角／ 。 a 液体流量l o fI l3 ／ d 试验管倾角 ／ 。 c 液体流量2 0 m 3 ／ d 0 ． 7 O ． 6 0 ．5 、0 ． 4 褂 ， 0 ． 2 O ． 1 0 0 3 0 6 O 试验管倾 角／ 。 试验管倾角／ 。 d 液．3 0 m 3 ／ d 图 2 7 5 ram 管径下不同液体流量各倾角的持液率变 化情 况 从 图 2中可 以看 出 ，大部 分情 况 中 ，在 管线 倾角 小 于 1 5 。 时 ，低 气 液 比表 现 出随着 管 径 的增 加 持 液 率逐渐 降低的现象 ，高气液比则随着有机玻璃管倾 角的增加而缓慢地增长 ；当试验管的倾角超过 3 0 。 以 后 ，持液 率 的变化 开始 趋 于平缓 ；其 中在气 液 比小 于等 于 1 0 0的 情况 下 ，倾 角 在 4 5 。 附近 持液 率 开 始缓 慢增 加 ，超过 6 0 。 时又缓 慢 回落 ；而 气液 比大 于 等于 1 5 0时 ，倾 角 的增 加 对 持液 率 的影 响非 常 微弱 ，并 表 现 出平 缓地减 少 的趋 势 ，变化 幅度 基本 上 维持 在 5 左 右 。 2 ． 2气体 流量 对 持液 率的 影 响 在研究气体流量对持液率的影响时 ，选取了石油行业生产开发与油气集输中常见的管线倾角进行分 析 ，试 验 过程 中 ，每小 组 的管 内液 体 流 量保 持 不 变 ，通 入 的 空 气 体 积 有 规 律 地 增 加 ，试 验 结 果 如 图 3 所 示 。 除 了 9 0 。 倾 角 ，其他 3 个 角度 都 表现 出 ，固定 流量 下 持液 率 随 气液 比的增 加 而 降低 ，并 且 递 减 量 逐 渐 减少 ，递减 规律 近似 自然 对数 。气 液 比超 过 2 0 0后 ，持 液率 的变化 幅度微 弱 ，而 9 O 。 倾 角 下 ，持 液 率 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 2 石油天然气工程 2 0 1 5年 8月 随着气液 比的增加 ，表现出近似线性的降低规律。水平管与倾斜管 的区别在于，持液率 的总体含量上 ， 而垂 直管 持液 率则 表现 出不 同于 非垂 直管 的持 液率 变化 情况 。 。6 O ．5 O．4 篓 迦 0 2 0． 1 。 斛 楚 地 图 3 7 5 mm管径不 同倾 角各 气液比的持液率变化情况 2 ． 3液体流 量对 持 液率 的影 响 液体 流 量 的 变 化 对 持 液 率 的影 响 较 小 ，如 图 4所示 。当 气 体 流 量 固定 时 ，除 了水 平 管 段 外 ，持 液率 随 流 量 的增 加 而 小 幅度 地 提 高 ；而 在水 平 情 况 时 ，持 液 率 是 先 减 少 ， 液 量 超 过 0 3 1 5 m。 ／ d后 开始 增加 。 鉴 2 ． 4管径对 持 液率 的影 响 嘏0 2 管径 对 流 型 过 渡 的影 响很 大 ] 。当 管 径 增 加后 ，需 要 更 多 的 液相 表 观 速 度 才 能 得 到 段 塞 o ． 1 流 ，而在 气 体 表 观 速 度 比较 高 的情 况 下 ，液 体 以液 膜形 式 流 动 8 ] ，管 径 对 流 型 的 影 响 则 变 得 微弱 。在 试 验 的 进 行 中 ，观 察 到 在 原 始 条 件 下 表现 为 环 流 的试 验 组 ，在 管 径 增 加 以 后 ，流 型 可能 会 变 成 过 渡 流 搅 动 流 甚 至段 塞 流 。管 径对 持液 率 的影 响如 图 5所 示 。 1 0 2 0 3 O 液体流量／ m 气体流量3 0 0 0 m 。 ／ d 图 4 j 2 『 7 5 mm管径各液量下持液 率变 化情况 由图 5 可 以看 出 ，管径 对持 液 率的影 响并 不 明显 。各气 液 比以及各 倾角 下持 液率 随 着管径 的增加逐 渐上 升 ，而就 上 升幅度 而 言 ，水 平 管线 的增加 幅度 略 高于 其他倾 角 的情 况 ，非水 平管 线 中低气 液 比表 现 出持 液率 更易 受 到管径 变化 的影 响 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 7卷 第 7 8期 王 乐油气两相 管流持 液率变化试验研 究 4 3 0． 8 0． 7 O． 6 O． 5 篓0 ．4 靶 0 ．3 0． 2 O． 1 O O ． 8 O ． 7 0．6 _ -O ． 5 饕。 一4 啦 0 ．3 0．2 O． 1 0 3 结论 管径 ／ mm C 倾角4 5 。 O． 8 O． 7 O ． 6 0． 5 垫0 ．4 地0 - 3 O ． 2 O ． 1 O 镁} 嫫 地 管径 ／ mm b 倾角3 O 。 图 5不 同倾角各管径 的持液 率变化情况 管径 ／ ram d 倾角9 O 。 1 角度 影 响管 流的 持液率 ，水平 管流 的持 液率 不 同于非 水 平段 ，当 角度 从 O 。 增 加后 ，持 液 率 有 明 显 的变化 ，而在倾 斜情 况 下则是 随角度 增加 有规 律地 缓慢 变 化 ，最 后 当倾斜 管 变为垂 直 管时 ，持 液率 又 有所 回落 。 2 气体流量的增加使持液率表现 出近似 自然对数 的递减规律 ，而在倾角 9 O 隋况下，持液率呈现 出近似线性的变化状况 ，且 当气量较大时，持液率急剧减少。 3 只有在水平管流中，液体流量才会对持液率有明显的影响 。 4 管径的增加对持液率影响不大 ，持液率仅是平缓地增加 ，但是对 流型有一定影 响，由于液体增 多 可能使 环 流或 过渡 流变 为段 塞 流 。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 参考 文献 ] 陈振瑜 ，王海 琴，李 志彪 ，等 ．水平管段塞流液塞持液率试验研究与预测模型对 比 [ J ]．管道技术与设备 ，2 0 0 8 。1 6 1 5 ～7 徐继 军 ．气 液两相 流倾斜下 降管持液率实验研究 [ ．计量 技术 ，2 0 0 9 ， 4 1 6 ～1 8 ． 李 晓平 ，王丽玲 ，刘振 ，等 ．基于视频处理 的分层流持液率测量 [ J ]．输送与储存 ，2 0 1 4 ，3 3 1 2 8 ～3 0 ． 韩炜 ．管道气液两相流动技术研究 [ D ]．成 都西南石油 大学 ，2 0 0 4 l 8 ～1 9 ． 罗小 明，何利 民，吕宇玲 ．水平管段塞流持液率 的波动特性 [ J ]．高校化学工程学报 ，2 0 0 9 ，2 3 4 2 8 ～3 0 ． 王琦 ． 水平井井简气 液两相 流动模 拟试验研究 [ D]．成都 西 南石油大学 ，2 0 1 4 ． 陈森林 ，郭烈 锦 ．严重段塞 流压力及持液率周期特性模拟研究[ J ]．工程 热物理学报 ，2 0 1 2 ，3 3 3 4 3 7 ～4 4 0 ． 赵京梅 ，于达 ，宫敬 ．水平管道油一 气一 水三相段塞流动持液率模 型研 究 A辑[ J ]．水动力学研究与进 展 ，2 0 0 6 ，2 1 6 7 0 6 ～ 7 1 3 ． [ 编辑 ] 帅群 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m