集输-S型立管中空气-油两相流流型特征实验研究

实验研究了集输-S型立管中空气-油两相流的流型特征。实验管路由119m的水平段,长14m、倾角为-2°的下倾段,高15.3m、长24m的S型立管段组成,管道内径为50.8mm。基于S型立管底部压力、立管顶部持液率两个信号来区分立管内的流型。实验中发现S型立管内存在第二类严重段塞流、过渡型严重段塞流和稳定流动三类流型,其中稳定流动又包括泡状流、弹状流和环状流。与空气-水两相流不同,并没有观察到第一类严重段塞流。第二类严重段塞流下立管顶部持液率呈方波状,其概率密度函数(PDF)分布系以0与1为峰的双峰结构;过渡型严重段塞流下立管顶部持液率针刺状,其PDF分布基本系以0为峰的单峰结构;稳定流动下顶部持液率波动平稳,其PDF分布在0.3~0.8之间。     

大管径不同井斜油水两相流流型数值模拟

通过ICEM CFD建立倾角θ为±20°、±15°、±10°、±5°和0°(完全水平),内径为0.124m,长度为20m的井筒,利用FLUENT中的VOF多相流模型对大管径不同斜度井中的油水两相流进行数值模拟,得出不同油水混合速度、不同含水率和不同倾角时的流动变化规律;结合Trallero J L的流型分类方法,根据模拟得到的油水两相分布图划分了6种流型,并制作了以混合速度、倾角为坐标的流型图。倾角θ=0°(井筒水平)时,流型以分层流为主,随着混合速度的增加,其逐渐变为界面混杂的分层流;若含水率逐渐增大,流型将转变为油-油包水、油包水或水包油-水、水包油;倾角θ0°(井筒上倾)时,流型随流速的增大提前发生转变,并且水相出现回流,局部持水率变大;倾角θ0°(井筒下倾)时,水相在底部加速流动,局部持水率变小。计算结果与相关实验结果比较吻合。     

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%。     

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。     

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。     

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。     

煤层气地面集输管道积液预判分析

由于煤层气地层压力低,整个地面集输系统需采取低压集气方案,因此地面集输管线中压降尤为重要。管道积液是管线压降不可忽视的因素,结合煤层气集输管线中低压力、低液量、高流速的流动特点,选择倾斜管段中Beggs-Brill气液两相流关系式,对地面起伏管线中的持液率进行分析。通过计算不同管径、不同产水量工况下管线中的流型变化及持液率变化,预判管线积液情况,指导煤层气管线排液设计,这对煤层气地面集输设计及生产运行管理具有实质性参考意义。     

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。     

水平井泡沫排液采气井筒流型实验研究

针对水平井泡沫排液采气各井段泡沫流型认识不清,泡排工艺优化困难的问题,以表面活性剂、水和空气为实验介质,开展了水平井泡沫流型实验研究,根据泡沫的生成情况及气体/泡沫的界面特征划分了流型,绘制了泡沫流型图,对比了表面活性剂加入前后流型图的变化,分析了角度、两相流流型对起泡的影响,提出了优化建议。结果表明:水平段±5°以内气液分层明显,起泡困难;垂直、倾斜段气流速小于0.35 m/s时出现塞状流,含气率低,搅动弱,起泡困难,是低压低产水平井泡排效果不佳的主要原因;有利于起泡的条件为管斜角≥25°、气流速≥0.35 m/s、流型呈现段塞流;建议采用悬挂式毛细管加注新工艺,注剂点位于管斜角25°处,解决泡排剂加注不到位的问题,并实现水平井全生命周期的排液。     

水平及微倾斜管内油气水三相流流型特性

以4号机械油、自来水和空气为实验介质,对水平及微倾斜有机玻璃管内油气水三相流的流型及其转变特性进行了实验研究。采用观察法和流型识别仪相结合的方法,按照油、水两相的关系以及气液界面总体特征,将管内油气水三相流的流型进行了划分,并给出了相应的流型结构及流型图。以实验数据为基础提出了考虑流动参数变化影响的反相点预测关联式。按照现有的关于气液两相流的流型转变准则以及考虑流动条件的油水乳状液的变化规律,对管内油气水三相流各流型之间的相互转变进行了预测和分析,结果表明,气相的作用使油水分布发生了很大变化,不同流动条件下的油水混合物的物性变化也很大。     

用差压法测定Taylor泡在垂直环形管内静止液柱里的上升速度

弹状流是管内气液两相流中的常见流型.在垂直及倾斜管中,为了精确预测弹状流的含气率及压降,必须知道大泡即所谓Taylor泡在静止液体内的上升速度.采用差压的方法对Taylor泡在垂直同心环形管内的上升速度进行了实验测定,并将实验值与几种关系式的计算值进行了比较;对环形管的内管旋转对Taylor泡上升速度的影响进行了实验研究及一定的理论分析,并给出了一个预测Taylor泡在内管旋转的环形管液柱中上升速度的关系式.     

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。     

采气管线中涡流工具携液效果的数值模拟

为了解涡流工具能否在采气管线中起到增强气体携液能力,改善管线低洼处积液的作用,运用CFD软件建立了采气管线有、无涡流工具下的气液两相流场模型,采用数值计算结合理论分析,对比研究了采气管线有、无涡流工具时流场的速度、压力及持液率分布,并分析了涡流工具对采气管线倾角的影响。研究结果表明:涡流工具可有效改变气液两相流型,减弱涡流工具下游管线压力梯度波动,降低管线上倾积液段的持液率,提高气相携液能力;同时在相同气体流速下,涡流工具可以提高采气管线的临界倾角,避免液相回流产生积液。研究结果可为涡流工具有效提高采气管线中气体携液能力以及涡流工具在采气管线中的推广应用提供一定的理论依据。     

气液两相流动流型转变的机理和数学模型

本文对气液两相流从理论分析和数学推导上作了较为全面的研究和论证。特别是各种流型的转变准则,如分层流转变为塞状流和环状液雾流;塞状流转变为环状液雾流;分层光滑流转变为分层波浪流;塞状流转变为分散气泡流等,都用图形和相应的数学模型加以说明并有详细的文字叙述,这为从事该项理论研究的人员提供了较为充分的理论依据。另外,对传统的六种流型划分(分层光滑流、分层波浪流、塞状流、冲击流、环状液雾流和分散气泡流)也提出了新的观点和看法,可供同行们讨论和研究。     

适用于全流型域全倾角范围的井筒漂移流关系

针对定向井、大位移井等复杂结构井溢流过程及压井作业过程中的井筒多相流动模拟问题，建立了包括32个不同数据源共3 561组实验数据的数据库，考虑流体黏度、管道尺寸、界面张力、流体密度、管道倾角等因素对多相流动参数的影响，开发了一种新的适用于全流型域全倾角范围的气液两相漂移流关系。采用理论分析和数据驱动的方式建立了管道倾角为-90°～90°条件下的分布系数和气体漂移速度模型，并与3个现有模型进行对比，发现其预测准确率最高、性能最稳定。选取现场压回法压井案例对漂移流模型在管道倾角为-90°～80°的流动工况下的适用性进行了分析，结果表明关井套压计算误差为2.58%，初始压回套压模拟误差为3.43%，调整排量时的套压误差为5.35%，模型的计算结果与现场压回数据吻合度较高。     

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。     

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本文将Makherjee-Brill倾斜管两相流基本方程处理为常微分方程的初值问题,采用龙格-库塔法进行数值解。这是一种新的、较惯用的试错法,简单、直接,避免了采用平均参数。所采用的两相流持液率和摩阻系数计算公式考虑了流型、流向和管子斜度,适用于定向井(包括垂直井)气液两相流压力计算。     

高气液比垂直两相管流流型判别研究

在多相管流中,流型判断准确与否决定着压降计算的精度,根据流型来选择相应的压降计算公式,能提高压降结果的准确性。目前,在现场所遇到的绝大多数多相流问题是气一液(油、气),气一液一液(油、气、水)形式的多相流。本文以气一液两相流为主,着重讨论其流型的划分和判断。并模拟高气液比环境进行了一组室内实验,应用Beggs-Brill、Aziz-Govier、Kaya、Zhmx4种模型分别对室内实验流动形态进行了判断,结果表明Kaya和Zhmx模型对高气液比垂直管流的流型判断比较准确。     

介质流态对凝析气集输管道的腐蚀影响分析

凝析气田集输管道内介质为气液两相流,气液比较大,流体流型复杂,不同流态对管道弯管和水平管道产生不同的腐蚀机制,其中冲击流对腐蚀的影响最大,雅克拉、大涝坝凝析气田集输管道内介质流态主要为冲击流和分层流,对于冲击流,由于冲刷腐蚀、空泡腐蚀、流体促进腐蚀作用,弯管、管道底部等腐蚀严重,主要呈整体均匀减薄、蜂窝状、沟槽状腐蚀形貌,对于分层流,由于地层水分离沉积,在管道底部、油水分离界面腐蚀严重,呈溃疡状、台地状及烧杯口状腐蚀形貌。针对雅克拉、大涝坝凝析气田流态特征、腐蚀特征,对介质流态对集输管道的腐蚀影响进行了初步分析。     

U型光导纤维探针对油－气两相流的测试

本文分析了Ｕ型光导纤维探针的测量原理。在内径为３０ｍｍ的垂直管中，对油－气两相流进行了局部参数的测试，获得了弹状流、块状流和环状流３种流型下探针的特征输出信号，讨论了相份额的确定方法。测试结果表明，Ｕ型光导纤维探针可用于油－气两相流的在线流型监测。同时，本文提出了由探针输出信号确定相份额的新方法，该方法比阈值法准确、可靠。