海上油气水多相管流中沿程摩阻因数分析

沿程摩阻因数是制约多相管流发展的关键,摩阻因数是压降计算的重要内容之一,其计算的准确性直接决定了压降计算的准确性。基于Xiao等人的流型判别法,将流型分为分层流、段塞流、环状流和分散泡状流等4种流型。分散泡状流仅需用到气体或液体与管壁之间的相互作用;分层流、环状流和段塞流不仅用到气体或液体与管壁之间的相互作用,还要用到气液界面之间的相互作用。气体或液体与管壁之间的沿程摩阻因数可以采用单相流体的沿程摩阻因数方法计算。对于不同的流型,气液界面的摩阻因数计算方法也不同。     

海上油气水多相管流中沿程摩阻因数分析

沿程摩阻因数是制约多相管流发展的关键,摩阻因数是压降计算的重要内容之一,其计算的准确性直接决定了压降计算的准确性.基于Xiao等人的流型判别法,将流型分为分层流、段塞流、环状流和分散泡状流等4种流型.分散泡状流仅需用到气体或液体与管壁之间的相互作用;分层流、环状流和段塞流不仅用到气体或液体与管壁之间的相互作用,还要用到气液界面之间的相互作用.气体或液体与管壁之间的沿程摩阻因数可以采用单相流体的沿程摩阻因数方法计算.对于不同的流型,气液界面的摩阻因数计算方法也不同.     

水平井筒变质量气液两相流动模型

根据水平井筒和常规水平管道中气液两相流动的相似和差别,可知常规水平管流的流型转换标准用于井筒流动需要进行修正或扩展。根据气液两相界面波的迅速成长机理,考虑了管壁存在入流或出流对于分层流向非分层流流型转变的影响,在Taitel Dukler的研究基础上,得到水平井筒气液两相变质量流动分层流向非分层流流型转变的判别方法。通过对分散泡状流流型中的分散气泡进行受力分析,考虑了管壁入流或出流的影响,得到判别水平井筒气液两相变质量流动分散流向间歇流流型转变的一种新方法。     

苏桥储气库生产井井下节流技术合理气水比研究

为了确定苏桥储气库有水气井井下节流技术适宜的生产气水比条件,在930 m模拟实验井上,开展了空气—水两相嘴流实验。利用油嘴流型观察窗和实时采集的实验数据,分流态对嘴流现象及特点进行了观察和分析。研究结果表明:由于液体段塞流过孔眼所需生产差压远大于气体,段塞流条件下液体在嘴前回落严重,油嘴前后压力、产气量、产水量波动幅度大,嘴流稳定性差;环雾流条件下4参数波动幅度小,嘴流稳定性好。确定了苏桥储气库有水气井段塞流向环雾流转化的气水比条件为1 800~2 000 m3/m3。嘴流稳定关系到举升管的正常排液,因此有水气井井下节流技术适宜的生产条件为环雾流;对于大液量气井,井筒为段塞流时嘴径不宜太小。     

高气液流速下垂直管两相流实验及数值模拟研究

为了弥补高气液流速下垂直管气液两相流流动实验和理论研究的空白,以水和空气为实验介质,在多相流实验平台上进行了垂直向上的高气液量下两相流实验研究。采用内径为60 mm、长9.4 m的透明有机玻璃管,利用高速摄像仪记录实验过程中的流型;在实验的基础上,利用Fluent软件对垂直上升管内气液两相流动过程进行了数值模拟。实验结果表明:在高气液量下,垂直向上管中出现的流型主要为搅混流、环状流和细束环状流,泡状流和弹状流所占的比例很小;压降波动曲线变化与流型转变间存在相关的联系。     

基于能量守恒定律的气井井筒携液工况诊断模型

井筒积液的产生对气井稳产有着较大的不利影响,而现有的井筒积液诊断方法又存在着应用局限性。为了明确产液量较大时气井井筒中两相流的携液机理、准确诊断井筒积液存在情况、合理制订气井生产措施,在前期研究的基础上,基于能量守恒定律,建立了气液两相垂管流的携液工况诊断新模型,通过与现场实践统计、室内实验数据进行比较,对新模型的准确性进行了验证,并采用新模型对某产液气井的携液工况进行了分析。研究结果表明:①产液量较少时,新模型计算得到的临界携液气量明显低于Turner模型的计算结果 ;②随着产液量增大,采用新模型计算得到的临界携液气量逐渐增大,并且压力越高,临界携液气量增大越明显;③气液两相垂管流的流型可分为气泡流、段塞流、过渡流、波浪流和环雾流5种,当两相流型为过渡流、波浪流或环雾流时,井筒中不存在积液。结论认为,新模型计算结果与现场实践统计、室内实验结果基本一致,诊断结论符合实际,具有普适性,可以为产液气井的携液工况诊断和积液预防提供理论支撑。     

页岩气水平井气水两相流流型数值模拟

由于井下高温高压的环境,目前尚无法直接对页岩气水平井内流体流动进行物理实验,水平井内多相流流型特点亟待研究。首先,基于某页岩气水平井生产测井数据,建立内径0.124 m,长16 m,倾角分别为±2°、±1°、0°的5组井下管道模型,采用Fluent软件内置的VOF多相流模型对井下高温高压高气量下气水两相流进行仿真模拟。获得不同倾角、不同流量配比的气水两相流流型。其次,利用模拟流型结果分析井倾角、含水率对流型的影响;与经典的Mandhane流型图做对比,分析流型分布的差异。结论如下:井下气相流量为1 000 m3·d-1时,(1)±2°内的井倾角对流型影响不大,不会使流型发生显著变化。(2)液相流量超过250 m~3·d~(-1)时流型由分层流转变为波浪流,液相流量超过1 000 m~3·d~(-1)时流型开始向气泡流转变。(3)与Mandhane流型图相比,模拟实验中分层流与气泡流的分界面提高。最后,采取数值模拟方法弥补了物理实验的不足,仿真模拟结论可为生产测井解释模型的建立提供一定的参考。     

加氢装置用双壳程换热器传热研究

加氢装置用双壳程换热器,属双相流传热过程,其形式复杂,传热计算难度高。介质流型繁多、有分层细胞流、分层环状流、环状流、间歇流、沫状流、泡状流和泡状波动分层流。上述不同的流型对传热效率有直接的影响, 通过双相流的小试、中试试验, 找出各种流型对传热影响规律的变化, 为解决加氢装置用双壳程换热器的传热计算问题, 本文对上述各项作简要介绍。     

倾斜井筒气液两相流的模型化方法

倾斜井筒气液两相流动是井筒举升方式优选和生产优化的基础,也是长期以来在理论上没有得到很好解决的一个问题,不能简单采用垂直井筒加修正系数的方法处理。分析国内外研究现状,认为倾斜井筒气液两相流动的流型应分为泡状流、分散泡流、段塞流、搅动流、环流和雾流,综合前人成果给出了各流型在倾斜井筒的存在条件。提出了雾流的特点及其转变机理、泡状流的新管径条件以及段塞流、雾流压降新的计算方法。通过某油田28口油井35井次的井底流压计算结果的应用表明,绝对平均相对误差7.093%,与计算斜井压降的常用的Beggs-Brill和Ansari模型相比,误差较小,能够满足工程计算的需要,且不存在半?验模型的收敛性和区域性的问题。所建立的倾斜井筒气液两相流动模型具有应用价值。     

液相物性对双入口管柱式气液分离器液膜流型的影响

管柱式气液分离器(GLCC)是一种耦合离心力与重力的分离设备,液相介质物性对其两相流型及分离性能有显著影响。分别以水、甘油溶液和T55导热油为液相介质,空气为气相介质,采用高速摄像机对直径74 mm的双入口GLCC倾斜入口管的气液流型和上部筒体的液膜流型进行了高帧率可视化研究,发现：倾斜入口管内气液流型为分层流、环状流;上部筒体内液膜流型为旋环流、过渡流、搅混流与鳞状流,进一步分析了液相介质物性对气液流型及液膜流型的影响机理。结果表明：液相黏度越大,倾斜入口管内分层流越稳定,预分离效果越佳;上方次入口内环状流侧壁液膜厚度越薄,上部筒体内搅混液膜越容易被向上携带;同时,液膜的稳定性越差,旋环流越易发展为搅混液膜甚至鳞状流,越易导致气相携液现象(LCO)发生。引入无量纲气、液相特征参数,得到了旋环流与搅混流的流型转变判别式,可间接表征不同液相介质双入口GLCC液膜流型与分离性能的关系,对确定GLCC最优工况区间具有指导意义。     

倾斜管内高黏油水两相流的数值模拟

采用Fluent三维数值模拟方法研究了倾斜管内高黏油水乳化前后的流动状态,从流型与压降两方面总结了油水两相流的流动规律。实验结果表明,乳化前油水两相流的流型呈现油水交替、泡状流、水塞流、弹状流和环状流,而乳化后则以分层流、分散流、分层流且带有水包油为主。在一定倾角和入口流速下,管内压降随含水率的增加急剧减小;在一定入口流速和含水率下,管内压降随倾角增加逐渐减小。正交实验结果表明,入口流速对压降的影响最大,含水率次之,倾角的影响最小;最优组合为倾角20°、入口流速0.4 m/s、含水率40%。     

水平井筒气液两相变质量流动流型转变的研究

井筒中的流动是管壁存在入流或出流的变质量流动。给定井筒气液流动条件,在应用机械模型预测我们感兴趣的参数之前,我们需要识别井筒中出现的流型。由于水平井筒和常规水平管中气液两相流动的相似和差别,可以预知常规水平管流的流型转换标准对于井筒流动来说就需要进行修正或扩展。根据波的迅速成长机理,在Taitel和Dukler的研究基础上,得到水平井筒分层流向非分层流流型转变的判别方法;通过对分散气泡进行受力分析,得到水平井筒分散泡状流向间歇流流型转变的判别方法;基于Barner和Brauner的研究给出水平井筒环空雾状流向间歇流流型转变的判别方法。从而得到一种判别水平井筒气液两相变质量流动4种基本流型的新方法。     

气液两相流管道防振的方法与措施

指出气液两相流动管道振动与流体流型有密切关系,塞状或弹状流型易引起管道振动,振动强度与流体流速、流量和压力有关,更与激发频率有关,当激发频率与管道自振频率重合或接近时,即便流体激振强度不高,也会引起管道强烈振动。讨论气液两相流管道防振设计思路,阐明气液两相流管道振动响应分析难以进行,模态分析避免共振仍是目前管道防振分析的主要方法。提出多项具体防振措施,强调流型计算要使塞状流型或弹状流型既不在水平管道中出现,也不在垂直管道中出现。     

用密度波特征波速判定环空多相流流型的转变

钻井环空多相流流型判定目前主要依靠经验公式,存在着一定的误差。为此,考虑钻井液相湍动、脉动速度、虚拟质量力、斯托克斯力、相界面动量传递等因素,在双流体模型的基础上,建立了密度波特征波速判定环空多相流流型转变的模型,并利用小扰动线性法,通过编程计算求解。研究结果表明:(1)由所建模型计算的数据与前人密度波不稳定判断流型结果一致;(2)虚拟质量力对密度波特征波速判断流型的影响较大,随虚拟质量力系数增大,泡状流向弹状流转变的空隙率增大;(3)随井深增加,分散气相密度增大、气相与钻井液相相对密度增大、界面膜稳定性增强,分散气相液滴不易发生聚集,泡状流向弹状流转变空隙率增大;(4)密度波一次不稳定性导致分散气相从泡状流聚合为弹状流,密度波二次不稳定现象导致气相继续聚合,逐渐形成连续的气体环状,从而发生弹状流向环状流转变,密度波的二次不稳定现象多发生在井口环空段。结论认为,利用密度波特征波速来判定井筒流型转变是可行的。     

井筒环空稳态多相流水动力学模型

基于井筒环空气液两相流流型的分类及特点,建立适合于直井、斜井的井筒环空段塞流、环状流水动力学模型及环空流型过渡准则。基于井筒环空多相流特性,以液膜区域为控制单元,考虑油管膜、套管膜双层液膜的存在及气芯中液滴对质量、动量传递的影响,推导了环空段塞流、环状流质量、动量守恒方程,得到了段塞流与分散泡状流、泡状流及环状流间的流型过渡准则。根据已发表文献中的实验条件,采用本文模型与校正后的圆管模型预测了不同气、液相表观速度下的流型、持液率及压力梯度。结果表明:采用本文模型可以比较准确地预测环空流型、持液率及压降梯度,且预测持液率、压力梯度的准确性优于校正后的圆管模型。     

垂直下降管流流态界限转变研究

多相流广泛存在于空气钻井、氮气钻井、高压喷射钻井、泡沫钻井、完井修井作业及管道输送等领域中。多相流的研究在确保工程顺利实施方面起着极为重要的作用，在很大程度上关系到钻井、固井等质量的优劣与成败。为此，对垂直下降管流的流型转变及其流型间的转变界线进行了研究，得出了垂直下降管内油气水三相流动可分为W/O型泡状流、弹状流及环状流和O/W型泡状流、弹状流及块状流的结论。通过动力学分析，分别建立了泡状流与弹状流的转变、弹状流与环状流的转变的理论模型，实际计算表明，理论转变曲线与实验曲线基本吻合。     

水平管内油气水三相流流型的试验研究

三相流可认为是一种气体和非均匀液相的特殊两相流动。对于气液液流动来说至少有１６种主要流型,作者在水平气油水流动试验中得到７种流型。它们分别为油基／分离弹状流,水基／弥散弹状流,油基／弥散弹状流,油基／分离／波状分层流,油基／弥散／波状分层流,油基／弥散／环状流,水基／弥散／波状分层流,并对它们的特征做了简要描述。研究油气水三相混合物在水平管道内的流型,不仅对提高石油天然气工业的经济效益和测试技术的现代化具有重要的实用价值,而且具有重要的学术意义。     

气井井筒气液两相环雾流压降计算新方法

气液两相环雾流是气井生产中最常见的流型之一,正确预测其井筒压降是气井节点系统分析、生产动态预测的重要基础。从环雾流气芯-液膜分相流结构出发,建立了环雾流压力梯度方程;其中持液率计算综合考虑了液膜及液滴的影响,通过引入Henstock & Hanratty无因次液膜厚度关系式,导出了液膜厚度计算显式方程,基于液滴沉降与液膜雾化的动态平衡,导出了适用于气井低液相雷诺数条件的液滴夹带率关系式;摩阻计算考虑了液膜与管壁的剪切应力,最终采用龙格库塔法迭代求解井筒压力。利用国内外91井次气井测压数据评价表明,新模型提高了凝析气井和产水气井井筒环雾流压降预测准确度,优于传统的均匀流模型和分相流模型,而且能够获得液滴夹带率、液膜厚度等特性参数,为油气田开发提供技术理论支持。     

产液气井泡沫排液起泡能力分析

起泡能力是决定产液气井泡沫排液效果的关键，但其评价依赖实验手段，缺少理论模型。针对现阶段缺乏起泡模型的环雾流及搅拌流，基于能量守恒原理，考虑界面张力对气体夹带的影响，以诱发气体夹带的液膜射流湍动能与夹带气泡的表面能增加速率相等为假设条件，建立了起泡模型，并通过实验数据进行了验证。基于起泡模型，给出了环雾流和搅拌流起泡所需界面张力的预测式，分析了不同流型的起泡能力。结果表明：在环雾流和搅拌流中，降低界面张力，韦伯数大于临界值时气体夹带发生，大气体质量流速确保充足的气体被夹带进入液膜，起泡能力强；段塞流中，降低界面张力，气体夹带速率增加，但受限于小气体质量流速，起泡能力弱；泡状流中，降低界面张力，促使气泡在泡状流顶部界面堆积形成泡沫，但小气体质量流速约束了气泡堆积速率，起泡能力弱。环雾流和搅拌流起泡能力强，适合泡沫排液，起泡所需界面张力可通过笔者建立的预测模型进行计算。     

上斜管线两相流型转换条件的研究

为了进一步了解气-液两相在管线中的流动情况,在管径为40 mm,管长为10 m,倾角分别为10°、30°、45°和60°的有机管段中,采用目测法和流型识别仪器,根据气-液界面特征,对气液两相流的流型进行了研究,并给出了相应的流型图。同时分析了不同倾角下流型的变化特征,并拟合出了相应的流型转换条件。其结果表明:(1)倾斜管线中的主要流型为:泡流、弹状流、准弹状流以及环流;(2)不同流型对倾角的敏感性有很大差别;(3)水平管流中的层流在倾斜管线中被弹状流和准弹状流取代。