水平分支型集输管汇偏流程度数值模拟研究北大核心CSCD

以水平分支型集输管汇为研究对象,选用FLUENT作为模拟软件分析了管汇入口来流气相折算速度、液相折算速度对水平双出口与水平四出口管汇偏流程度的影响规律,并开展了水平双出口分支型管汇偏流敏感性分析。结果表明,如果管汇几何结构完全对称且各出口压力相同,那么双出口管汇内各分支管的流量将会均匀分配,而四出口管汇则会出现偏流。2个分支管长度存在较小偏差对水平双出口分支型管汇偏流的影响可以忽略不计;实际生产中双出口分支型管汇偏流的主要原因为各分支管出口压力不一致和当量管径不一致,当两个分支管出口压力偏差恒定时,存在着决定管汇偏流严重程度的临界气液比;若来流气液比小于该临界值,则管汇偏流程度通常在可接受范围内。为控制由分支管管径偏差引起的偏流,建议首先可以考虑调节来流气液比,其次考虑清管处理。本文研究成果可为控制集输管汇偏流程度提供依据。     

气液两相流集输管汇偏流问题研究

在油气集输系统中,管汇用于汇集与分配各井口采出物。管汇系统进行流量分配时,流型、惯性力、重力等因素将导致各引出管流量分配不均,影响集输工艺系统运行的经济性与安全性。为能够充分认识管汇偏流现象,有必要系统地梳理管汇偏流问题研究现状。压力分布不均、湍流、惯性力是造成单相流管汇系统偏流的主要原因;与单相流管汇相比,气液两相流管汇偏流成因还包括流型、气液两相惯性差异、气体携带液体的能力等。几何因素、运行参数和流体物性是管汇偏流的主要影响因素,为此采取几何结构调整、压力分布调整、流型调整、气液两相预分离、多级分配五种偏流控制方法降低管汇偏流程度,并指出油气集输管汇系统偏流问题中有待深入研究的问题。     

高含硫气田湿气集输管道冲蚀风险预测研究

通过对普光气田集输管道现场检测发现,管道多处发生明显的冲刷腐蚀,造成壁厚减薄。基于湿气集输管流流体动力学数值模型,开展气液两相冲蚀风险预测与评价研究。结果表明,普光气田集输管道气液相交界面上剪切应力较大,易发生冲蚀;上倾管段为段塞流流型,其下部管底区域剪切应力较大,流动腐蚀风险较高,是腐蚀监测的重点区域;集气站内集输管道环形障碍物后、分流支管入口、接管两侧及管汇主管中下部区域冲蚀风险高。研究结果为普光气田集输管道腐蚀监测与控制及安全管理提供了技术参考。     

基于分流分相法的环壁多窄缝取样器设计

受气液两相流流动的复杂性影响,传统的两相流计量方式难以保证计量精度。在分流分相法的基础上,提出了流型调整、均匀取样、压力调节相结合的取样方法,设计加工了一种环壁多窄缝小比例取样器,运用CFD仿真软件Eulerian-Eulerian方法确定了取样位置,分析了两相流在取样器中的流动特性,并通过实验研究了不同气、液相折算速度与入口流型对取样器工作效果的影响。研究结果表明:本文设计的取样器工作范围为气相折算速度3～18 m/s,液相折算速度0.05～0.33 m/s,气液相分流系数接近理论值0.167,气液相计量误差均小于±5%。本文设计的环壁多窄缝取样器无运动部件、体积紧凑、所需分离装置体积小,可代替传统的分配计量装置,对实现两相流的精确计量具有重要意义。     

气井多相垂直管流段压力损失敏感性分析

井筒垂直多相管流是整个油气生产系统中非常重要的部分,流体在垂直管流中的压力损失也在其中占有很大的比例.利用广泛使用的Hagedorn-Btown垂直管流计算公式,分别改变井筒尺寸、气液比、气相和液相的相对密度以及气液界面张力,以此分析垂直管流段的压力损失和井底最小携液产量的变化.研究结果表明,井筒尺寸越大,气液比越高,气相或液相相对密度越大,界面张力越小,均会导致井底压力升高,最小携液产量变大.利用该研究结果可以减小生产环节的压力损失,优化工作制度,对气井设计和生产有指导意义.     

高压管汇冲蚀磨损规律研究

针对高压管汇在压裂作业时内壁受冲蚀作用导致磨损破裂失效的问题,基于固液两相流和冲蚀磨损理论,利用FLUENT软件研究了高压管汇内壁的冲蚀磨损率和冲蚀离散量分布规律,分析了高压管汇的弯管段曲率半径、弯曲度和管汇内壁直径对管汇冲蚀磨损规律。研究结果表明:高压管汇的弯管出口处发生冲蚀磨损最严重,离散量集中分布在弯管处至直管出口处,而在直管段冲蚀磨损率很小;随着管汇的内壁直径、弯管曲率半径和弯管段弯曲度的增大,管汇的最大冲蚀磨损率和平均冲蚀磨损率减小;随着进口流速的增加,管汇的最大冲蚀磨损率和平均冲蚀磨损率增大。研究结果可为高压管汇的失效、预防以及安全防护提供参考依据。     

文昌油田群海底管线段塞流试验研究

为消除严重段塞流对设备及油田生产的影响,以文昌油田群第二条输送线路为研究对象,建立模拟试验装置,对海底管道多相流的流动状态及参数变化等进行试验研究,分析了出现的各种流型特征。针对空气-白油(LP-14)-水多相流的流型图,研究了流型变化的机理,给出了严重段塞流发生的条件,并在此基础上分析了严重段塞流发生周期循环过程以及流动的周期长度、液塞长度、气液流出速度与入口气液流量的关系。研究结果表明:长液塞流出上升管时的速度会有一个突跃,对出口阀门以及捕集器等设备的冲击非常大;长液塞长度随着气相折算速度的增大而减小,随着液相折算速度的增大而增大;下倾角会加强严重段塞流,使段塞周期延长;在空气-水-油三相中,由于油的黏度和油气的强烈混合等因素导致油气水三相严重段塞流更加复杂;随着液相黏度的进一步提高,严重段塞流已经不易发生,若发生则其流量区域也明显减小;采用出口节流阀能有效控制严重段塞流的发生,但是1%的阀门开度会对出口节流阀性能造成巨大的影响,使其更加容易被破坏。研究结果可为进一步探索合理可行的消除严重段塞流的方法提供参考。     

水平管段塞流持液率的试验统计分析

对水平管段塞流持液率进行了试验研究。通过对试验结果的统计分析可以得出:①可以利用段塞流持液率的波动情况来确定液塞频率。②在段塞流动中,当气相折算速度和液相折算速度相差不大时,持液率概率密度函数呈双峰分布;当液相折算速度不变时,随着气相折算速度的增大,持液率概率密度函数第2峰值逐渐减小,直至消失而变为单峰分布;利用这一特征可初步确定段塞流动中气、液相流量相对大小。③折算速度的变化会引起液塞持液率的变化,液塞持液率随气相折算速度的增大而减小,随液相折算速度的增大而增大。     

气液两相流通过管壁小孔分配特性的试验研究

以开有小孔的管壁为研究对象,对层流下气液两相流通过管壁小孔的分配特性进行了理论分析和试验研究。结果表明,气液两相流通过管壁小孔的流动存在一临界高度hb,如果小孔入口与气液界面之间的距离h大于该临界高度,将不会发生夹带现象,临界高度hb主要取决于小孔两侧的压差;对于小孔分别位于气相集中区或液相集中区的分配器,进入分流回路的分流体为单相气体或单相液体或质量含气率为固定常数的两相流体;对4孔分配器,进入小孔的气液含量与孔的位置以及管内气液相分布有关,气液相分流系数受主管流型波动影响较大。     

管汇下放过程中的水动力系数计算

管汇是水下生产系统中的重要组成部分,精确确定管汇的水动力系数,对于保证管汇安全安装有着重要意义。通过数值模拟的方法,利用前处理软件ICEM,建立管汇模型;利用流体软件FLUENT中的UDF技术及动网格模型,模拟管汇的匀速运动及加速运动,得到管汇在运动中受到的阻力;无因次化后,得到管汇的水动力系数。使用同样的方法计算了长方体模型的水动力系数,并与规范DNV-RP-H103中的值进行对比,结果误差在3%以内。采用的研究方法具有一定的精度和可靠性,可以为管汇的下放安装提供指导。     

基于文丘里管和射线技术的低压湿气测量方法

湿气流量测量普遍存在着流量虚高的现象,从而导致测量结果不准。为解决上述问题,首先基于文丘里管流量测量原理分析了湿气测量虚高机理,然后针对低压湿气计量开展了大量测试,对比分析了现有不同经验模型的计算误差,在气液分相流模型基础上,利用射线技术测量空隙率并结合文丘里管测量结果获取液体折算速度,进而进行回归分析,提出了新的湿气流量虚高修正模型。研究结果表明:①文丘里管测量湿气流量虚高的原因主要是由于液相的存在而对气相有阻塞,从而产生了加速压力降以及气相对液相加速导致的摩擦阻力压降;②文丘里管的流量虚高值主要跟Lockhart-Martinelli (LM)参数、液体折算速度、空隙率及干度等能表征液体携带量的参数相关;③现有模型的LM参数等在实际应用中无法直接测量;④液体折算速度跟文丘里管虚高值有较强的线性关系,据此计算出的气流量均方根误差最小;⑤基于文丘里管和伽马传感器测量的空隙率从气液两相流分相流模型出发,可计算出液体折算速度,从而建立新的气流量虚高修正模型。结论认为,所建新模型最终得到的气流量均方根误差为5.1%,能够满足实际测量需求,为湿气测量的工程应用提供了新方法。     

能量解调算法在油气水三相流流速测量中的应用

将单通道盲信号分离技术应用于油气水三相流流速测量领域,提出了基于能量解调算法的油气水三相流气液相分离方法。将电导传感器采集的油气水三相流流动噪声信号进行分离,得到气相信号和液相信号,再结合相关测量技术分别对气相信号和液相信号进行时延估计,进而可以得到气相流速和液相流速。通过对不同工况的油气水三相流信号进行流速测量实验可知,采用该方法进行气液相流速测量的误差均小于10%,为准确测量油气水三相流气液相流速提供了一种可行的方法。     

排水采气井油管和环空两相流压降优化模型

根据川西南威远气田大水量气井现场测试数据,建立了举升油管和油套环空气液两相流压降优化模型.将油管内的持液率模化为气相、液相无因次速度和液相无因次粘度的函数;环空流动的持液率模化为气相与液相折算速度、密度和粘度三个相对量的函数.以最小计算压降与实测值的平均绝对误差作为目标函数,优化持液率关系式的参数值和管壁粗糙度修正系数.经综合评价表明,对于大水量气井条件下,新模型的计算结果与现场数据十分吻合,其性能明显优于所比较的5个常用经验相关式.文中还对此模型进行了水气比敏感性分析.     

低含液率混输管路气量瞬变稳定时间试验研究

天然气、湿天然气等低含液率输送管线稳定平衡时间的确定为海上油气田开发的一个重要技术难题。通过大量试验，得到气量增加和减小过程稳定平衡时间都与流型有关：分层流情况下，稳定平衡时间都随液相折算速度增加而降低；段塞流情况下，稳定平衡时间都随液相折算速度增加而增加，气量减小过程稳定平衡时间小于对应互逆的气量增加过程稳定平衡时间。选择液相雷诺数、欧拉数等9个控制气液两相管流的无量纲数进行灰色关联分析，确定出了各无量纲数对稳定平衡时间的影响程度，并选择影响最大的3个因素：气相折算速度准数、气相折算速度准数增加值以及液相折算速度准数，得出了气量瞬变过程稳定平衡时间计算关系式，具有一定的理论价值。     

特高含水采油期安全混输温度界限试验研究

随着油田开发的深入,大庆油田原油综合含水率不断升高,大部分油井产出液含水率在90% 左右。随着含水率的升高,集输原油的能耗也呈急剧上升趋势。为了实现安全不加热集输及降低能耗和生产成本,在大庆油田建立了一套试验装置,以大庆油田采油六厂喇嘛甸油田特高含水油井产出的油气水混合物为试验介质,测试了不同温度、不同含水率、不同产液量及不同含气情况下的压降及油气水混合物的流动状态。试验研究结果表明,在含水率超过85% 、产液量为11~105t/d、气油比为40~60m³/t及油气水混合物的流速为0.2~2m/s、气相折算速度为0.15~1.8m/s的条件下,油、气、水三相在水平管道内的流动属于冲击流,油、水两相属于分层流或水为连续相的乳状/悬浮液。在不加任何药剂的情况下,特高含水采油期,油气水安全混输温度界限为23℃,低于原油凝固点。     

高含水采出液T形管分离器的流场数值模拟

传统的油田集输工艺损耗能量大,运行成本高。鉴于此,基于Fluent数值模拟软件,采用RNG k-ε湍流模型和欧拉多相流模型对T形管分离器的流场特性以及油水分离过程展开研究。研究结果表明:油水两相速度分布规律基本相同,在主管中沿流动方向速度逐渐降低,分支管中速度最大,水相在主管顶部区域速度较小,在汇管中上述分布趋势更加明显;湍流在分支管和主管连接处、分支管和汇管连接处以及汇管上游较为剧烈,油水发生强烈掺混;入口流速对油水分离过程的影响较大,流速越大,流体的停留时间越短,分流扰动后恢复为分层流更加困难;流速越大,油水剪切作用增强,油滴更均匀分散在水中,混合层携带更多的油相,故操作中需要确定最佳流速;随着含油体积分数增大,混合层厚度增加,最终分离效率呈现先缓慢增加,后逐渐下降的趋势;分流比较低时,汇管主要流出底层水,分离效率较低;随着分流比增大,汇管的流量增大,油水间扰动增强,流体流经汇管携带了部分混合层流体,分离效果明显提升;但分流比继续增大,混合层全部流入汇管后,油层开始流入汇管,此时分离效率随着分流比的增大呈线性降低。基于研究结果,最优操作参数为:入口流速0.10~0.30 m/s,入口含油体积分数5%~9%,分流比0.5~0.7。研究结果为油水分离提供了新思路,可为探究高效分离效果的设备结构设计和优化提供参考。     

低含液率混输管路气量变化过程压力特性实验

在大型混输实验管道上进行了大量的气量变化的瞬态实验,详细分析了低含液率混输管路中气量瞬变时的压力变化特性,证实气量瞬变过程管道内压力会出现过增和过降现象。为了研究压力过增的特性,首次提出压力过增比的概念,并分析了其变化规律。选择液相雷诺数、欧拉数等9个控制气液两相管流的无量纲数进行灰色关联分析,确定出各个无量纲数对压力过增比的影响程度,并选择影响最大的3个因素,即气相折算速度准数增加值(ΔNgw)、气相折算速度准数(Ngw)以及液相折算速度准数(Nlw),回归了气量增加过程压力过增比的计算关系式,该实验具有一定的理论研究价值。     

基于CFD技术的高压管汇系统布局优化设计

为了减少由流通性能和流量分配等问题产生的高压管汇窜动、振动和开裂等问题,基于计算流体动力学技术,在考虑管道边界层效应的情况下,以时均N-S方程为基本控制方程,采用可实现κ-ε双方程湍流模型,对不同排出口位置、联通管汇位置和排出口三通结构的井工厂高压管汇系统进行了三维全流场数值仿真研究。仿真结果表明,随着高压管汇的入口增加,主管内部平均流速向排出口方向逐渐增加,且在每个入口处均有速度峰值;主管汇流量从排出口有效面积较小的管汇向排出口有效面积较大的管汇串流,串流方向与主管汇流量大小无关;y形三通的排出口流量比约为1.5∶1.0,不能起到流量均分作用,且容易引起锐角冲蚀,从安全性考虑,应优先考虑T形三通。研究结果可为高压管汇系统的安全使用提供参考。     

基于故障树的水下管汇可靠性分析及设计优化

基于故障树分析(FTA)方法,以南海某深水气田水下管汇为目标,对其进行可靠性定性、定量分析,并提出两种改进方案以提高水下管汇的可靠度。通过对水下管汇故障树模型的最小割集定性分析得出,管汇系统的薄弱环节为清管回路中的球阀、乙二醇输送系统中的管线和闸阀。根据FTA定性分析结果,提出两种改进方案。针对管汇原设计方案和改进方案的故障树模型,结合管汇各组成单元的失效率数据,定量计算其可靠度,结果表明两种改进方案均可大幅提高水下管汇的可靠度,分别将管汇在设计寿命内的可靠度由约44.12%提高至91.86%和82.68%。可为水下管汇的设计提供参考和借鉴。     

基于Pearson相关系数的集输管道流动腐蚀主控因素分析

油气田集输管道腐蚀穿孔直接影响油田的安全、环境和生产,明确管道腐蚀的主控因素至关重要。采用多相流瞬态模拟软件OLGA建立管道的里程-高程模型,模拟管道内部流动状态,如温度、压力、持液率、壁面剪切力、气液相流速等参数,利用Pearson相关系数确定影响腐蚀的主控因素,结果表明:随着里程的增加,温度、压力和持液率呈现降低的趋势与腐蚀速率的规律一致,气液壁面剪切力和气液流速随着里程的增加呈现逐渐升高的趋势,但整体规律与腐蚀速度规律一致;影响集输管道腐蚀的主要因素是持液率(0.626),其次是气体流速(0.591),为油气集输管道“一管一策”的针对性实施提供了依据。 