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%。     

水平管道气液两相段塞流参数计算的精确模型

分析了水平管内气液两相段塞流的运动特性和形态特征以及段塞单元内部的速度分布规律,建立了水平管路气液两相段塞单元的物理模型。将一个完整的段塞流单元分为液相段塞区和液层/气泡区,建立了液相段塞区的质量和动量守恒方程,计算了其压降和持液率;对液层区,模型考虑液层厚度分布不均(坡状液层)对参数计算的影响,通过建立局部控制方程,推导了液层高度随流动方向坐标变化的表达式,并将持液率和湿周写成液层高度的函数。通过与实验和其他模型的计算结果对比,本文建立的模型可以对压降和持液率有更准确的预测结果。     

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%。     

指状分离器段塞流液塞耗散效果研究

为确定一种能有效耗散段塞流液塞的指状分离器结构,在使用包含液塞发生器的气液两相流试验系统的基础上,利用电导探针数采程序和摄像分析技术,试验研究了不同表观气速下各初始长度段塞流液塞在不同指状分离器结构中的耗散过程和耗散效果.结果表明:入口连通气管的结构能分流段塞流液塞,减小液塞动能,有利于液塞耗散;立管加高结构能改善气相...     

气液速度对智能倾斜管道内段塞流影响的数值模拟研究

采用数值计算的方法,基于多相流模型,建立了倾斜管路段塞流流动过程计算模型,系统对管路内气液两相段塞流的发生过程进行了研究。通过多工况下倾斜管路段塞流流动过程数值计算,系统地分析了气液两相混合速度对段塞流形成机理的影响。得到了气液界面的扰动现象与混合速度的相关关系,通过气液分布相图对段塞流流场进行分析,总结了段塞流发生时混合速度变化情况。进一步基于数字信号理论,进行解析和数值计算,得到段塞流在不同条件、不同时期的功率谱密度函数特征,并利用段塞流功率谱密度演化特征,实现不同速度条件下段塞流流型的合理识别。研究成果有助于实现不同速度条件下段塞流流场的科学计算分析,补充并完善段塞流流型的识别方法,并为考虑段塞流的智能管道工艺设计提供科学参考。     

海底油气混输管道严重段塞流的控制

本文首先介绍了海底油气混输管道严重段塞流的形成、分类及控制,典型严重段塞流的形成包括四个阶段:段塞形成、段塞流出、液气喷发、液体回落,段塞流主要分为动力段塞流、地形段塞流、立管段塞流。着重介绍了地形和立管诱发的严重段塞流,并研究了海底混输管道严重段塞流的控制措施和方法。     

基于段塞流捕捉的高黏油气两相流模型的建立与验证

随着传统油田的快速消耗,高黏稠油的开发逐渐引起了重视。有关高黏油的气液两相流研究主要集中在国外,国内的相关研究目前还较少。本文针对高黏油气混输管路,建立了一种捕捉段塞流的形成和发展过程,并进行两相流水力计算和液塞长度统计的组合模型。通过气液相间滑移速度和液相连续性方程的求解得到管路中不同时刻和位置的持液率,以持液率的变化反映段塞的形成和发展。建立气液动量守恒方程关联持液率和压力,得到管路中各位置的压力变化。闭合关系式中,通过液塞平移速度、壁面及气液相界面的剪切力关系式加入黏度的影响,最终建立适用于高黏油气两相流的段塞捕捉模型。使用不同来源的数据验证模型计算压降和液塞长度的准确性,数据分别来源于国外研究者的实验数据和大庆油田的现场数据。结果表明,模型具有较高的计算精度,大部分压降误差在±15%以内,大部分液塞长度误差在±20%以内。     

水平管段塞流气弹区液膜特性研究

为了研究气液段塞流相界面的结构特征,采用了双平行电导探针技术对水平管内段塞流气弹区的液膜特性进行了实验测量,并基于一维双流体模型导出液膜厚度的控制方程,该方程对液膜厚度的预测结果与实验结果吻合良好。结合液膜厚度计算模型提出了计算段塞流的机理模型,该段塞流机理模型的计算结果表明对于液相表观速度较高而气相表观速度较低的段塞流,机理模型中忽略液膜非平衡性时得到的平均液膜厚度和气弹区长度明显偏低。     

起伏湿气管路液塞速度特征数值模拟

为进一步认识起伏湿气管路流动现象,采用耦合水平集-体积分数法(CLSVOF)方法建立数值模型,对不同气液表观流速下液塞速度分布特征进行研究,并开展实验验证了模型的准确性。结果表明:数值模型可以有效地反映起伏湿气管路段塞流速度特征,其瞬态液速模拟结果具有较高的精度。管路截面液塞速度分布不均,其顶部速度明显大于底部,且一般在距离底部0. 030—0. 035 m范围内达到最大值。液塞截面速度随气液相流速增加而增加。随液速增加,部分液塞前锋速度存在突增,随气速增加,液塞逐渐呈现伪段塞特征。由截面三维速度分布可知,随液速降低和气速增加,截面水平方向液塞速度分布更加均匀。     

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。     

大输量多相混输管路气液两相流实验研究

为了研究大输量条件下多相混输管路的流动特性,以水和空气为实验介质,在长江大学多相流实验平台上进行了水平状态的高气液量两相流模拟实验研究。实验采用内径为60 mm、长9.4 m的透明有机玻璃管,并利用高速摄像仪记录实验过程中的流型。通过对实验流型进行整理,将水平管内的气液两相流流型划分为分层流、泡状流、段塞流和环状流,并与典型的Mandhane流型图进行对比分析。另外,对实验范围内的几种典型流型下的压降梯度变化规律进行了研究,泡状流区域压降梯度随气流速的增大而减小,段塞流区域压降梯度随气流速的增大而缓慢增大,环状流区域压降梯度随气流速的增加而继续增大。     

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。     

气液界面摩擦因子对分层流向段塞流过渡的影响

根据气液两相流段塞稳定性理论,结合分层流理想化模型,对直径2.54 cm水平管内空气-水两相流出现段塞流时的各相临界表观速度和临界液层高度进行了理论预测,并且分析了气液两相界面的摩擦因子对于预测流型转变的影响.由于在不同的气相流速范围内,段塞流由不同形式的界面波形成,当气相表观速度小于 4 m(s(1时,由大振幅波形成段塞流,而当气相表观速度大于 4 m(s(1,段塞流由小波长的滚动波合并而成,因而根据实测数据对界面摩擦因子的计算进行了补充修正,并且应用到对应的气相流速范围.基于所给出的计算方法解得发生分层流向段塞流转变的临界表观速度和临界液层高度,并和实验数据进行了比较. 结果表明所做的修正可以避免以往理论预测中出现的低估情况,求得的各临界特征参数值和实验结果吻合得较好.     

基于行波法的段塞流瞬态捕捉模型建立与验证

气液两相流中,准确预测段塞流的特征参数具有重要的现实意义。Renault模型是基于非黏性Kelvin-Helmholtz（IKH）稳定性准则与黏性Kelvin-Helmholtz（VKH）稳定性准则建立的能够捕捉段塞前后界面运动的双流体模型,但该模型在液相单元格之间采用Riemann精确解,求解速度较慢。为简化计算,本文将行波法引入到Renault模型的液相方程求解过程,并对可能出现的干区用薄液膜代替,使行波法适用于所有计算单元,在保证模型精度的条件下,极大地提高了计算速度,运算时间相比Renault模型平均减少28%。对比本模型计算结果与室内小型环道实验数据,持液率与实测结果相一致,压降、段塞长度计算相对误差分别在25%、30%以内,且主要分布在20%以内。说明本文改进的瞬态段塞流模型具备运算快速、计算精度较高的特点,具有一定的工程应用价值。     

DYNAMIC SLUG TRACKING SIMULATIONS FOR GAS-LIQUID FLOW IN PIPELINES

A Lagrangian slug tracking model for dynamic gas-liquid slug flow in pipelines of varying inclinations has been formulated and implemented in C + + using an object-oriented approach. Slugs and bubbles are discrete computational objects which are coupled by exchange of mass and momentum, and organized in linked lists

The flow parameters are determined from dynamic integral mass and momentum balances on each slug and bubble. A subgrid is used in bubbles extending over pipe sections with different inclinations

Slugs and bubbles are initiated at the pipe inlet, or at low points along a pipeline, and the propagation of individual slugs are tracked dynamically, and without numerical diffusion. Some sample cases demonstrate how the structure of the flow can be followed as it evolves from terrain effects, expansion and wake effects. These are effects that may in some instances cause slugs to disappear and merging of bubbles during simulations. Terrain slugging compulations compare well with some experimental data.     

绝热状态下板壳式换热器壳侧的流型与压降

实验研究了板壳式换热器波纹通道内垂直向上气-液两相流动的流型和压降特性,讨论了圆形波纹通道内流型特征及转变机理,根据相界面形态特征将流型划分为泡状流、弹状流、膜状流和搅混流;同时分析了流型与压降之间的关系,发现泡状流中的压降波动幅值最小,弹状流与膜状流次之,搅混流中压降波动幅值最大;获得了波纹通道内单相以及气-液两相压降的分布规律,拟合了单相压降关联式,并基于Lockhart-Martinelli理论,通过分析两相摩阻系数与Martinelli参数的关系拟合了波纹通道内两相流动压降关联式,发现Chisholm参数C的值与Chisholm最初建议的光滑管内层流-层流的值接近。     

气液两相垂直管流中弹状流型数学模型

本文对气液两相垂直管流的弹状流型的流动机理进行了分析,建立了数学模型。模型的特点是采用了以弹状气泡速度运动的相对座标系,在弹状气泡周围下落液膜流动、液体段空隙率计算和压降计算等方面部提出了新的观点。在两种管径中用空气-水系统进行了实验以验证模型,与一些其他作者的实验数据和理论模型也进行了比较,结果都表明这个机理模型计算的弹状流型的各种流体力学参数值与实验值吻合良好,也优于其他作者提出的模型。     

大流量下倾斜管气液两相流实验研究

在较高的气液范围内,以水和空气为实验介质,在多相流实验平台上进行了倾斜向上的高产量气液两相流模拟实验研究。实验采用内径为40 mm、长8 m的透明有机玻璃管,并利用高速摄像仪记录实验过程中的流型。对实验流型进行分析,发现了倾斜管中低气流速下的一种新的流型-振荡冲击流,并研究了表观气、液流速和倾斜角对气液两相流动中压降的影响,建立气/液膜流动模型来分析表观气、液流速对压降梯度的影响作用,实验研究结果表明:在高气液量范围内,倾斜管中观察到的气液两相流型主要为振荡冲击流、过渡流和环状流,并且倾角对流型转变边界的影响不显著;振荡冲击流压降随气流速的增加而降低,环状流压降随气流速的增加而增加,过渡流压降梯度最小;倾斜管压降梯度随着倾斜角度的增加而增大。     

水平管稠油掺气减阻模拟实验

依托流体可视化环道装置,设计并加工稠油掺气减阻模拟装置,实验研究水平管内两种稠油模拟油掺气流动阻力特性,拍摄不同气液流量比下的管流流型,分析不同实验条件下气相对稠油的减阻效果并建立相应的压降预测模型。结果表明：在气液比0~15范围内,共观察到六种流型,分别是泡状流、弹状流、分层流、段塞流、环状流、雾状流。220^#与440^#模拟油所对应的管路减阻率分别在气液比1.17和0.96时达到最大值48.19%和33.76%,当掺气比为0.9~1.2时,减阻率均可维持在20%以上。其机理可归结为空气使油-油接触转变为油-气-油接触,降低了混合相的层间剪切应力。Dukler法不适用于高黏气液两相流,所建立的稠油-气两相压降模型预测值与实测值吻合良好,平均相对误差在20%以内。