测量水平管道液塞速度和长度的差压波动分析法

分析了压力波动信号互相关求液塞速度存在的不足,引入了差压波动分析法,明确了液塞到达和离开上、下游测压点的时刻与差压波动信号起峰点及落峰点位置的关系;分析了电导探针信号、差压信号和压力信号互相关所求得的相关速度的含义,指出差压互相关得到的是液塞运动速度,电导探针信号互相关得到的是液塞速度与液膜段界面波速度的平均值,压力信号互相关得到的相关速度具有随机性;明确了差压信号脉冲宽度为液塞从传感器上游测压点运动到下游测压点的时间间隔,脉冲宽度与液塞速度的乘积为液塞长度与差压传感器间距之和.最后,按照上述方法分类,把空气-水、柴油和机械油的试验数据的分析结果与文献中报道的液塞速度和长度数据进行了对比,结果吻合得很好.     

文丘里管中气液两相流差压波动信号与空隙率关系

为了研究气液两相流差压波动信号与空隙率之间的关系,建立了差压波动信号均方根与空隙率的关系式.针对油气两相流和气水两相流,在管径分别为40 mm和50 mm管道上进行实验,分析了文丘里管差压波动信号与空隙率、流量、压力以及流体密度等参数的关系,得到了差压波动信号与空隙率的量纲1关系式.此关系式不仅反应了差压波动信号与空隙率的关系,而且提供了一种间接测量空隙率的方法.该方法只需要测量文丘里管前的压力和前后的差压波动信号,计算出该差压信号的时均值、瞬时值就可以计算得到空隙率的值.实验结果表明在空隙率小于85%的范围内,油气两相流和气水两相流空隙率的测量误差分别为10.9%和11.3%.如果与利用空隙率和差压测量气液两相流流量的方法相结合,则仅利用一个文丘里管就可以实现两相流流量测量.     

下倾管中活塞流液塞长度波动特性

通过采集下倾管中活塞流的差压信号,应用互相关法分析得到液塞长度时间序列.利用统计理论与分形理论分析液塞长度时间序列来揭示液塞长度波动特性.结果表明：气相折算速度对液塞长度的影响远大于液相折算速度.液相折算速度较大时,随着混合速度的增加,液塞长度波动的混沌程度增加;而液相折算速度较小时,随着混合速度的增加,液塞长度波动的混沌程度减小.在管线下倾角较大的情况下,液塞长度分布集中在较小的范围内.管线下倾角越大,液塞长度波动的长程相关性越好.     

下倾管段塞流液塞频率波动的非线性分析

利用非线性分析技术中的分形理论,在长24.73 m、内径0.05 m的小型气液两相流实验装置上对下倾管空气-水段塞流中的液塞频率波动特性进行了研究.结果表明,液塞频率的波动是对初始条件敏感的混沌振荡,遵循分形统计规律,具有持久性.折算液速小时,液塞频率波动的长程相关性随着混合速度的增大而减弱,液塞频率波动对初始条件的敏感程度增强,折算液速较大时则相反.管线倾角越大,液塞频率对初始条件的敏感程度受混合速度的影响越小.折算液速和混合速度均较大时,液塞频率的混沌程度受管线倾角的影响较小.     

气液两相流差压波动信号的Hilbert-Huang变换特性

将Hilbert-Huang（HHT）变换应用于中小管径水平管气液两相流差压波动信号的分析.利用经验模态分解（EMD）方法把信号分解成多个内模函数(IMF),再对各内模函数进行Hilbert变换,得到信号的Hilbert谱,并提取各内模函数的信号能量特征.在此基础上比较了不同管径下信号分析的结果,分析了不同频段的能量分布与流型变迁的关系,并讨论了小波变换和HHT两种信号处理方法各自的特点.实验结果表明,HHT可以用于非线性非平稳信号的分析,提取的能量特征值反映了水平管气液两相流的流动状态和流型的变迁,该方法为水平管气液两相流差压波动信号的研究提供了借鉴.     

下倾管中段塞流液塞长度波动的非线性分析

利用非线性分析技术中的分形理论在较宽的流速范围内对下倾管中空气-水段塞流的液塞长度波动特性进行了研究.结果表明,下倾管中段塞流的液塞长度符合对数正态分布,其波动是对初始条件敏感的混沌振荡,且具有持久性.通过对不同液相折算速度下的液塞长度波动特性的分析发现,液相折算速度较大时,随着混合速度的增加,液塞长度波动的混沌程度增加;而液相折算速度较小时,随着混合速度的增加,液塞长度波动的混沌程度减小.管线下倾角越大,液塞长度波动的长程相关性越好.     

基于双锥流量计差压信号的气液两相流参数测量

设计了一种结构简单、加工工艺要求较低的双锥流量计,在此基础上提出了基于单个差压式流量计的气液两相流参数测量方法。提取双锥流量计差压波动信号的无量纲特征值,利用该参数建立气相体积含率的测量模型。通过对双锥流量计差压信号均值的分析表明,Lockhart-Martinelli常数与准气相流量比存在优良的线性关系,根据该线性关系建立了双锥流量计气液两相流流量测量模型。在气水两相流装置上开展了实验研究,结果表明,所建立的分相含率测量模型可在实验范围内对气相体积含率进行有效的测量,测量相对误差在8%以内;对气液两相流总流量和液相流量的测量误差可在5%以内。     

气液两相流段塞流持气率快关阀法优化设计

快关阀法(quick closing valve,QCV)是气液两相流流动实验中常用持气率标定手段。特别是由于段塞流中气塞与液塞表现为随机可变流动特性,不合理的快关阀间距及截取次数选择将会导致持气率测量误差增大。提出了一种持气率快关阀法优化设计方案。首先,采用环形电导传感器上下游阵列信号计算流体相关流速,根据相关测速结果提取上游传感器信号对应流动工况的气塞与液塞间隔长度序列,采用Maxwell方程提取液塞中含泡持气率;在此基础上,再依气塞在管道内占比模拟计算不同快关阀间距时捕获的持气率波动序列。通过分析持气率序列波动,从统计学角度指出了95%置信度及5%允许误差情况下所需最低截取次数。最后,在快关阀门间距为1.55 m的条件下对段塞流所需截取次数进行了实验验证。通过对快关阀法持气率测量误差进行统计分析,证明了设置两个快关阀门间距的充分条件。     

基于文丘里管的页岩气试采期段塞流测量补偿方法

为探索页岩气段塞流气液两相流量的测量方法,以Chisholm模型为基础,利用量纲分析法建立了文丘里湿气虚高模型和液相求解方法,并用其预测段塞流液膜区的气液相流量测量。同时,假设段塞流的液塞区为均相流,基于段塞流闭合模型和文丘里均相流模型,建立了液塞区气液相流量与液膜区气相流量的关系。提出利用一种以管道压力信号、文丘里收缩段与扩张段差压信号判断液塞来临的新方法,并加入逻辑回归法提升对液塞来临判断的准确性。在间歇性段塞流某页岩气平台井口进行了19 d的在线测试比对,结果表明,与大型气液计量分离器相比,文丘里湿气测量系统在加入了段塞流补偿方法后,气相测量19 d累计偏差从14%改善至1.08%,液相累计偏差从-57%改善至-11%。     

基于EMD和ICA的AR模型在两相

为了对气液两相流流型进行准确识别,提出了一种基于经验模态分解（EMD）和独立成分分析（ICA）的AR模型的流型识别方法。该方法首先提取气液两相流动态差压信号,通过EMD技术对其进行分解,对分解出来的高频模态进行小波包消噪,然后通过ICA技术实现原始信号的降维处理。对通过ICA得到的独立分量建立AR模型,将模型参数和残差方差作为特征向量,建立不同流型的模板向量。计算未知流型信号的特征向量与模板特征向量的综合Mahalanobis距离,通过比较各判别距离的大小得到流型识别的结果。对40 mm水平管气水两相流进行实验,利用文丘里管采集动态差压信号,采用上述处理过程可以对泡状流、弹状流、塞状流进行有效识别,识别率达94.3％。该方法受环境条件影响小,可以有效滤除信号中的噪声成分,识别率高,易于工程实现。     

水平管道油气二相段塞流稳态流动特性

使用通过自行设计并搭建的实验装置,对水平管道油气二相段塞流稳态流动特性进行了实验研究。采用压力信号互相关方法测量了段塞流平均液塞速度,通过分析得到了液塞速度、液塞长度和液塞频率随气、液相折算速度的变化规律。结果表明,当液相折算速度恒定时,随着气相折算速度的增大,液塞速度基本上呈线性增大,而液塞长度呈双曲线减小;当气相折算速度恒定时,随着液相折算速度的增大,液塞频率基本呈线性增大,而液塞长度呈双曲线减小。     

水平管内气液段塞流液塞长度发展规律的实验和模拟研究

In petroleum industry, the slug flow is a fre-quently encountered flow regime in multiphase flowpipeline. For pipeline designers, the liquid slug lengthdistribution is important for the proper design ofdownstream facilities, such as slug catcher and sepa-ration system. However, for its transient and unsteadynature, it is a great challenge for engineers to correctlypredict the flow parameters of slug flow, especiallythe maximum liquid slug length. The unit cell model for slug flow in horizontal…     

Slug flow characterization in horizontal annulus

To characterize slug flows in annuli channels and highlight the effect of the eccentricity on the flow behaviors, experiments were conducted in two horizontal annuli setups (a) concentric and (b) fully eccentric using air and water as the testing fluids. The range of air and water superficial velocities investigated were 0.45–3.49 m/s and 0.15–2.77 m/s, respectively. Slug parameters measured using conductance probes designed for this study include slug length, translational velocity, slug frequency, and slug holdup. It is found that the slug translational velocity is unaffected by the annulus eccentricity; however, parameters including slug frequency, slug holdup, and slug lengths have a higher value in the fully eccentric annulus when compared with the concentric one. We introduced a new definition of hydraulic diameter, which reconciles the correlation between the dimensionless mean slug length and the mixture velocity of the horizontal annuli with different setups.     

水平管气液两相段塞流的波动特性

气液两相段塞流是液塞和长气泡在空间和时间上的交替,在流动过程中表现出间歇性和不稳定性。系统地研究了水平管中段塞流持液率、压力和压差的波动特性。结果表明,段塞流持液率的概率密度分布为双峰分布,高持液率峰对应于液塞区,低持液率峰对应于液膜区;在压力的概率密度分布中,当压力测试点到管道出口之间的段塞单元数目少时,压力分布出现双峰分布;当压力测试点到管道出口之间的段塞单元数目多时,压力分布出现单峰分布;压差信号分布呈单峰分布。这些特征为流型识别提供了可靠的段塞流标识。     

用统计方法研究未充分发展弹状流动

在一内径19 mm、长2 m的垂直有机玻璃管内,采用自制的电导探针对未充分发展的气-液二相弹状流中的弹状气泡上升速度、液塞上升速度、弹状气泡长度和液塞长度进行了测量。得到了各自随表观气速或表观液速的变化规律。结果表明:在未充分发展的弹状流状态下,弹状气泡的上升速度略高于液塞的上升速度:弹状气泡长度随表观气速的增大而增大,随表观液速的增大而减小。文章对弹状气泡长度进行了统计分析。未充分发展弹状流中弹状气泡长度符合正态分布律。     

基于段塞流的通用气液两相流模型的建立与验证

气液两相混输流动中,由于段塞流与其他流型均有联系,从段塞流出发建立模型可以使不同流型下的计算模型得到统一。基于段塞流建立气液两相流动量方程和连续性方程,完善模型对气泡和液滴夹带的处理。建立模型的闭合关系式,对关键参数(壁面及气液相间水力摩阻系数、液塞平移速度、平均液塞长度)的计算闭合关系式进行优选,得到适用于模型的闭合关系式,同时,对液滴和气泡的夹带给出夹带条件及相关参数计算式,最终建立基于段塞流的通用气液两相流模型。使用3组不同来源的实验数据验证了模型计算压降和持液率的准确性,实验数据分别来自中国石油大学(华东)、大庆油田实验基地的气液两相流实验以及国外研究人员的实验研究,包含各个气液流型。模型具有较高的计算精度,优于未经关系式完善和优化的原始模型,大部分压降及持液率参数的计算误差在±15%以内。