水平渐变管内油水两相流模拟研究

为优化油气集输管道局部管道结构,采用计算流体力学软件对水平渐变管内油水两相流进行数值模拟,对比不同含水率、不同入口流速条件下两相流流型,分析油水两相流在管道内的压力分布规律。结果表明,渐变管内油水两相流流型为水包油流型,管壁主要为油相润湿;渐缩管压力随流向位移持续下降,渐扩管先下降后上升再下降;整体压降速率与含水率成反比,与入口流速成正比。研究结果可以为优化稠油集输管网管道结构、降低管道流动能耗等油水混输问题提供参考。     

相态逆转及其密度波的不稳定性

在长度／直径比为1250的水平管内研究了液液相态逆转现象及其对油水两相流和油气水多相流水动力特性的影响．以双流体模型为基础,考虑悬浮相所受的雷诺应力,提出了描述气液两相流和液液两相流中密度波不稳定性的通用模型．模型计算结果表明,“水包油”流型与“油包水”流型之间的相态逆转在悬浮相体积分数为0.3左右发生,与经验性结论相吻合,揭示了相态逆转的机理．     

φ50 mm折流板脉冲萃取柱吹气法测量存留分数

在柱径为50 mm的折流板脉冲萃取柱中,首先利用吹气法研究了硝酸水溶液和30％TRPO-煤油水溶液体系的单相流时均摩擦压降Δp_f特性.实验结果表明当A′ω≠0,且u_c＝0时,Δp_f可以忽略;而当Aω＝0时,Δp_f与u_c满足Noh模型的线性关系.在Noh模型的基础上,给出了计算Aω≠0时单相流时均摩擦压降的模型,实验结果与模型预测相一致.在单相流摩擦压降的基础上,又研究了连续相分别为硝酸溶液和30％TRPO-煤油溶液体系的两相流时均摩擦压降Δp_f特征.实验结果表明：两相流时均摩擦压降Δp_f可用于计算分散相存留分数,其近似由连续相所对应的Noh单相流模型求得,并可用于折流板脉冲萃取柱分散相存留分数的确定.     

50mm折流板脉冲萃取柱吹气法测量存留分数

在柱径为50mm的折流板脉冲萃取柱中,首先利用吹气法研究了硝酸水溶液和30%TRPO煤油水溶液体系的单相流时均摩擦压降Δpf特性.实验结果表明当A′ω≠0,且uc=0时,Δpf可以忽略;而当A′ω=0时,Δpf与uc满足Noh模型的线性关系.在Noh模型的基础上,给出了计算A′ω≠0时单相流时均摩擦压降的模型,实验结果与模型预测相一致.在单相流摩擦压降的基础上,又研究了连续相分别为硝酸溶液和30%TRPO煤油溶液体系的两相流时均摩擦压降Δpf特征.实验结果表明:两相流时均摩擦压降Δpf可用于计算分散相存留分数,其近似由连续相所对应的Noh单相流模型求得,并可用于折流板脉冲萃取柱分散相存留分数的确定.     

Determination of holdup by air purge in φ50 mm discs and doughnuts pulsed extraction column

在柱径为50 mm的折流板脉冲萃取柱中,首先利用吹气法研究了硝酸水溶液和30％TRPO-煤油水溶液体系的单相流时均摩擦压降Δp_f特性.实验结果表明当A′ω≠0,且u_c＝0时,Δp_f可以忽略;而当Aω＝0时,Δp_f与u_c满足Noh模型的线性关系.在Noh模型的基础上,给出了计算Aω≠0时单相流时均摩擦压降的模型,实验结果与模型预测相一致.在单相流摩擦压降的基础上,又研究了连续相分别为硝酸溶液和30％TRPO-煤油溶液体系的两相流时均摩擦压降Δp_f特征.实验结果表明：两相流时均摩擦压降Δp_f可用于计算分散相存留分数,其近似由连续相所对应的Noh单相流模型求得,并可用于折流板脉冲萃取柱分散相存留分数的确定.     

垂直下降管内油水乳状液流动特性的研究

对垂直下降管内油包水型和水包油型油水乳液的流动特性进行了深入的实验研究,根据实验结果分析得出了一个新的油水乳状表观粘度的表达式;同时也得出了一个新的油水乳状液发生相转变的判别式,并提出了采用Ｒｅ和摩擦阻力系数的关联式计算摩擦阻力的方法,也得到了判别油水乳状液为牛顿流体和非牛顿流体的方法。     

燃油含水率对U形管路流动及换热特性影响研究

针对燃油换热器管路内油水两相流的流动特性与换热特性进行了数值模拟研究.建立内径φ2的U形换热器管路简化模型,采用Eulerian多相流模型,对比了不同含水率(自由水体积含水率0～2％)条件下的管路压降与出口温度变化规律.结果表明:燃油含水率的变化对管内压降的影响较大,随着含水率增大,压降呈现接近线性下降的规律;而含水率对管路出口温度的影响不明显,入口温度常温26℃、环境温度0℃时,出口温度下降不超过1℃,但随着含水率继续增大,出口温度呈现加速下降的趋势.此外,U形管设计对不均匀温度场分布的影响持续到出口,弯管位置的二次流对换热特性具有一定的强化作用.     

水平圆管固液两相稳态流动特性数值模拟

水平井油水流动特性是设计产液剖面测井方法和建立解释模型的重要依据,当油水中携带沙颗粒时,其流动特性变得更为复杂。通过基于Eulerian描述方法的混合代数滑移模型（MASM）,建立挟沙水或油混合相控制方程和边界条件,并且使用有限差分方法和逐次超松弛（SOR）迭代法建立数值解,以模拟水平井挟沙水或油混合相的各运动特性参数分布。模拟结果表明,主流速度分布随着颗粒相体积分数增大有向下偏移特点,并随着压降值降低而减小。水平井圆截面上颗粒相体积分数分布特征主要与主流速度有关,随着速度降低,体积分数分布值向下向两侧增大。此外,挟沙油混合相主流速度大于挟沙水混合相速度。混合代数滑移模型不仅能够很好地模拟混合相各运动特性参数分布特征,而且计算效率比较高。     

基于管内相分隔的径向压差在多相流测量的应用

在管内相分隔技术产生的径向压差应用在单相流测量的基础上,以油水两相流为例,系统地研究了基于管内相分隔产生的径向压差在多相流测量的理论机理,并进行了实验验证。理论分析表明,在管内相分隔状态下,旋流器下游某截面壁面和管中心的径向压差与油水两相流的总质量流量和体积含油率呈一定函数关系,当测量出旋流器下游某截面壁面和管中心的径向压差后,若油水两相流的总质量流量和体积含油率中的任一参数已知,就可以求出另一参数。实验结果显示,在旋流器下游0.075 m和0.115 m的截面上,体积含油率的实验值与理论值的相对误差均在±8.02%以内,此时油水两相流总质量流量的实验值与理论值的相对误差均在±1.44%以内。     

低渗透油藏中油包水乳液的生成及其扩大波及体积的作用

针对低渗透水驱波及效率低的问题,研究了具有扩大波及体积作用的油包水乳液的形成及对驱油效果的影响。乳化剂浓度、油水比以及岩心渗透率是影响水包油乳液向油包水乳液的转变的重要因素。在高浓度条件下(0.5%和0.3%),乳化剂TC-6和原油形成的分散体系以水包油乳液为主。随着浓度降低,水包油乳液转变为油包水乳液并伴随着分散体系粘度的升高。相同浓度条件下,油水比升高也会引起水包油乳液向油包水乳液的转变。质量浓度0.3%条件下,油水比6∶4时,分散体系以水包油为主;油水比7∶3时,水包油乳液转变为高粘度油包水乳液。乳化剂浓度,油水比渗透率低于50.1 m D时,水包油乳液不稳定,容易发生反相形成油包水乳液。低渗透岩心实验表明,具有扩大波及体积功能的乳化剂能够在水驱基础上提高采收率8.9%,明显高于超低界面张力表面活性剂体系提高采收率效果。同时,乳化剂分子量小、粘度低,本身不存在注入性的问题,因此对于低渗透油藏水驱后扩大波及体积、提高原油采收率具有重要意义。     

水平管内水环输送模拟稠油减阻特性

基于自主设计加工并搭建的水环输送稠油减阻模拟管路系统,采用500^#白油模拟稠油,试验研究了稠油在水环作用下的水平管流阻力特性,分析了油相表观流速（0.3～1.0m/s）、水相表观流速（0.11～0.72m/s）及入口含水率（0.13～0.49）对水润滑管流流型特征及减阻效果的影响。结果表明：环状水膜可有效隔离并润滑油壁界面,油-水两相流流型总体上呈稳定的偏心环状流结构;水环输送可大幅降低管道输送过程中的压降,其压降值仅为相同油流量下纯油输送压降的1/55～1/27;当入口含水率为0.13～0.27时,水环输送的效能显著,输油效率均高于40;油相表观流速和入口含水率的增加会增大单位管长压降,降低水环输送的减阻效果和输油效能。     

稠油-水二相水平管流表观粘度的实验研究

以渤海稠油和水为工质进行尝试实验,作出了水平不锈钢实验回路(内径为25.7 mm,长为52 m)内稠油-水二相管流的流型图,并对管流的表观粘度及影响因素进行了实验研究。着重归纳了含水体积分数、温度等因素对二相管流表观粘度的影响规律,并对比分析了与旋转粘度仪测得粘度值的差异,研究结论对油田现场的油水混输管线的设计与安全运行具有较好的指导意义。     

Modeling of low viscosity oil-water annular flow in horizontal and slightly inclined pipes: Experiments and CFD simulations

To characterize the effect of pipe inclination, low viscosity, flow rate and inlet water cut on annular flow pattern, a low viscosity oil-water two-phase annular flow in horizontal and slightly inclined (+1°, +3° and +5°) pipes with diameter of 20 mm has been experimentally investigated. A modified VOF model based on the CFD software package FLUENT was used to predict the in-situ oil fraction and pressure drop. The experimental data indicate that annular flow appears at a medium-high water cut. The slip ratio increases with flow rate increase but decreases with increasing water cut. The changes are more significant as the degree of inclination increases. Pressure drop is strongly dependent on flow rate, as it increases rapidly as inlet flow rate increase. Good agreement between the experimental data and calculated results of slip ratio and pressure drop was obtained.     

弯管内部油水两项流的数值模拟

在油井出油管道以及石化生产中,油水两项流是非常常见的现象。为了减少能耗、便于制订防腐措施,利用GAMBIT软件建模以及FLUENT软件的可实现模型对弯管中油水两项流的压力场和速度场进行模拟。结果表明,管内入口直管压力呈逐阶减小趋势;弯管内壁出形成低压区且又内向外逐渐增大;而速度分布正好与压力分布规律相反,恰好与自由涡流理论的模型相符。且通过对油水两项所占体积分数分别为30%、50%、80%三种情况的模拟得出,由于水密度大于油的原因,随着油相体积分数的下降,管内整体压强减小,整体速度增大。     

油气水三相段塞流与滚动波流型的转变

Compared with gas-liquid two-phase flow,oil-gas-water three-phase flow is much more complex. There is immiscible oil-water,whose interaction and dispersion greatly affects the flow characteristics. The slug flow pattern of oil-gas-water three-phase and its flow pattern transition were studied in a 95 m long,51 mm i. d. horizontal pipe. The oil-gas-water three-phase slug flow pattern could be classified into five sub-flow patterns. The slug flow was W/O or O/W one during its transition to roll wave,which was three-layer flow pattern without mixed-phase on the interface. An even larger superficial gas velocity was needed for the transition boundary of slug flow and roll wave flow when the superficial liquid velocity is large. Besides,the region of roll wave flow pattern became smaller. The above-mentioned transition only happened when the water cut of liquid was between 30% and 70%. At the same superficial liquid velocity,there appeared a minimum superficial gas velocity corresponding to the transition of flow pattern when the water cut of liquid was between 40% and 50%.     

Dual differential pressure used in multiphase flow double-parameter metering based on phase-isolation

The axial differential pressure and radial differential pressure can be generated by phase-isolation method. Once measuring the radial differential pressure between the pipe wall and pipe center of a cross section downstream of the swirler, the mass flowrate and phase holdup can be determined if either of the two parameters was known. If axial differential pressure also has a certain relationship with the mass flowrate and phase holdup, then multiphase flow double-parameter metering can be realized by dual differential pressure (the axial differential pressure and the radial differential pressure). Taking oil-water two-phase flow as an example, the mechanism of axial differential pressure used in multiphase flow measurement was studied and the experimental verification was carried out. The results show that the axial pressure difference between certain two sections downstream of the cyclone is a certain function of the total flow rate and volume oil content of the oil-water two-phase flow under the state of phase separation in the pipe. The relative error between the experimental value and the theoretical value of the two is within ±1.05% and ±9.84% respectively. Besides, the mass flowrate and oil cut can be determined by dual differential pressure with the relative errors are within ±1.13% and ±6.89% respectively, which verified the application feasibility of dual differential pressure used in multiphase flow double-parameter metering based on phase-isolation.     

管内相分隔双压差在多相流双参数测量中的应用

应用管内相分隔技术可以产生沿管道横截面的径向压差和沿管壁变化的轴向压差,研究表明,径向压差与两相流的总流量和相含率呈一定函数关系,若轴向压差与两相流的总流量和相含率也呈一定的函数关系,那么就可以通过双压差(轴向压差和径向压差)的联立实现多相流双参数的测量。以油水两相流为例,系统研究了基于管内相分隔产生的轴向压差在多相流测量的理论机理,并结合径向压差进行了实验验证。结果表明,在管内相分隔状态下,旋流器下游某两截面之间的轴向压差与油水两相流的总流量和体积含油率呈一定的函数关系,两者的实验值和理论值之间的相对误差分别在±1.05%和±9.84%以内;通过双压差的联立,可以求出某一状态下两相流的总流量和相含率,两者的实验值和理论值之间的相对误差分别在±1.13%和±6.89%以内,验证了基于管内相分隔双压差在多相流双参数测量应用的可行性。     

管道内油水两相流动研究进展

综述了国内外有关圆管中油水两相流动过程中的流型、相转换的研究现状,并重点介绍了油水垂直两相流中液滴粒径及分布、持液率、压力降计算等方面的研究成果。同时分析了研究中所存在的问题并指出了今后的研究方向,为进一步开展油水两相流研究提供相关参考。