劉德生,宮 敬,吳海浩

(中國石油大學(xué)石油工程教育部重點實驗室·城市油氣輸配技術(shù)北京市重點實驗室,北京102249)

水平管油氣水3相流試驗研究進(jìn)展

劉德生,宮 敬,吳海浩

(中國石油大學(xué)石油工程教育部重點實驗室·城市油氣輸配技術(shù)北京市重點實驗室,北京102249)

論述了國內(nèi)外在油氣水3相流動方面的試驗研究進(jìn)展;介紹了流型、持液率、壓降等測量手段及研究成果,并指出該研究領(lǐng)域中存在的問題。提出應(yīng)采用先進(jìn)的儀器、儀表和新的試驗技術(shù),用原油及天然氣在大管徑試驗環(huán)道進(jìn)行試驗,以期更有效地模擬3相集輸管道的運行情況。

油氣水;3相流;試驗研究;流型;持液率;壓降;反相

隨著海洋、沙漠、極地油田的開發(fā),油氣水3相流動規(guī)律的研究越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的重視,成為國際多相流領(lǐng)域研究的熱點和難點之一,突出地表現(xiàn)在許多學(xué)者利用高水平的試驗環(huán)道和先進(jìn)的儀器儀表進(jìn)行多相流的試驗研究,取得了初步的科研成果。

現(xiàn)有的油氣水3相流試驗?zāi)壳笆窃谑覂?nèi)模擬進(jìn)行,與原型管線工況相比,其管徑較小,管長較短,所用試驗介質(zhì)與油氣水管道實際介質(zhì)差別較大,這些試驗室研究成果能否代表集輸管道內(nèi)油氣水3相的實際情況尚難預(yù)料。盡管如此,小型試驗環(huán)道的試驗結(jié)果將會得出一些重要參數(shù)的變化趨勢[1-11],并在以后的大型管線試驗中得以驗證。為此,許多大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)都建有小管徑試驗環(huán)道,例如 Tulsa大學(xué)、帝國理工學(xué)院、挪威科技大學(xué)、中國石油大學(xué)(北京)等都建立了多種管徑的小規(guī)模試驗環(huán)道。本文是在廣泛調(diào)研油氣水3相流動研究的基礎(chǔ)上,對國內(nèi)外的研究成果進(jìn)行綜合論述,為進(jìn)一步深入研究水平管油氣水3相流動提供借鑒作用。

1 流型

1.1 流型測試

國內(nèi)外學(xué)者對氣液2相流的流型劃分基本達(dá)成共識,主要分為氣團(tuán)流、分層流(分層波浪流)、段塞流、環(huán)狀流、泡狀流。油氣水3相流型的研究是以氣液、油水2相流型劃分為基礎(chǔ)的。由于存在著互不相溶的油水2相,其相互作用和分散程度對流動形態(tài)影響很大,所以油氣水3相流型比氣液、油水2相更復(fù)雜,出現(xiàn)了不少新的流型。從20世紀(jì)90年代開始,一些著名的多相流實驗室相繼投入大量人力、物力進(jìn)行油氣水多相流動的研究,如表1。

表1 國內(nèi)外油氣水3相試驗的試驗條件與物性參數(shù)

目前,測試流型大多使用壓力傳感器和攝像機(jī)結(jié)合目測的方法。近年來,一些研究者利用光學(xué)技術(shù)和非接觸測量技術(shù)取得了很好的效果,這些技術(shù)將在以后的試驗中起到舉足輕重的作用。比較有代表性的是Wegmann 2007年在試驗中利用激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)(LIF)結(jié)合高速攝像技術(shù)對流型進(jìn)行了觀測,利用生成的氬離子激光穿過管道的軸向垂直面,激光觸發(fā)水相中的熒光染料(熒光素鈉)來區(qū)分水相、氣相和油相,再通過激光的反射和變形來識別油氣界面。圖1是Wegmann 2007年得到的流動形態(tài)照片,從照片中可以清晰地看到油水界面和氣液界面。

1.2 流型劃分

由于試驗設(shè)備和流動介質(zhì)的不同,研究者對多相流流型的研究結(jié)論存在著相當(dāng)大的分歧,主要有2種觀點。

a) 仿照氣液2相流劃分方式劃分3相流流型。Lee&Jepson 1993年將3相流流型定義為分層流(包括分層光滑流、分層波浪流和波浪流)、間歇流(包括氣團(tuán)流、段塞流和準(zhǔn)段塞流)、環(huán)狀流,流型如圖2,并將試驗流型結(jié)果與氣液2相流型進(jìn)行比較,認(rèn)為氣液2相流流型不能用于3相流流型的預(yù)測。

圖1 Wegmann 2007年得到的分層間歇流

圖2 Lee&Jepson 1993年提出的油氣水3相流型

b) 針對油水2相流動形態(tài)的不同,結(jié)合氣液2相流動的特點重新劃分3相流流型。Hewitt認(rèn)為處理3相流動的主要困難是估算液相的混合程度,根據(jù)混合程度,3相流動可劃分為未混合流動、部分混合流動和完全混合流動3種流型。

未混合流動例如分層流,是指水相流動在管道底部,油相在中間,氣相在最上層,其波動可能產(chǎn)生在任一界面或2個界面上;部分混合流動是指液相相互摻混,在大流量情況下,液相可能是完全混合;完全混合流動是指液相中的1相以液滴的形式完全分散在另1相中。

Acikgoz 1992年提出液-液混合流型的復(fù)雜性與已有的氣液流型復(fù)雜性相互疊加和相互作用,并把3相流動定義為10種流型,如圖3。流型被定義為3個部分,即液相中的連續(xù)相(第1部分)、液相是否分散或分離(第2部分)、氣液流動的結(jié)構(gòu)(第3部分),如表2。這是一項開創(chuàng)性的成果,這種流型的稱謂突出了油氣水3相的特征,缺點是不夠簡潔,不便于推廣,而且由于涉及油基和水基的變化,油氣水3相流流型之間的轉(zhuǎn)變與氣液2相流不同,顯得更加復(fù)雜。

圖3 Acikgoz 1992年提出的流型

表2 Acikgoz 1992年定義的流型

Wegmann等人2007年以油水、氣液2相流流型劃分為基礎(chǔ),劃分了6種3相流流型:分層-間歇流、環(huán)狀-間歇流、間歇-分散流、間歇-間歇流、分散-間歇流和分散-環(huán)狀流,“第1部分”是油水流型,“第2部分”是氣液流型。這種流型劃分方式既體現(xiàn)出油氣水3相的流動特征,相比Acikgoz提出的流型劃分方式又比較簡單,缺點是由于試驗管徑只有?5.6 mm和?7mm 2種,其研究結(jié)果存在一定的局限性。

帝國理工學(xué)院進(jìn)行了大量的3相流動試驗研究。在試驗觀察的基礎(chǔ)上,Pan[29]1996年提出了多部分流型定義,如圖4,與圖3的劃分有很多的相同之處,也有很大的不同。Odozi[30]2000年用帝國理工學(xué)院所得的流型數(shù)據(jù)與Acikgoz 1992年的原始圖形相比較(如圖5),發(fā)現(xiàn)二者之間有很大差別,這可能是由于帝國理工學(xué)院和Acikgoz所采用的試驗油品的物理性質(zhì)不同,也可能由于油相速度和管徑不相同。

圖4 Pan 1996年提出的3相流流型定義

圖5 Odozi 2000年的流型圖與Acikgoz 1992年的流型數(shù)據(jù)對比

2 持液率

2.1 持液率測量

室內(nèi)小型試驗環(huán)道的結(jié)構(gòu)、流程、配備的測試儀器和采用的試驗技術(shù)因研究的內(nèi)容而異。一般來說,對于油氣水3相流試驗研究,持液率的測量是一個難點,持液率被定義為液相占管道橫截面面積的分?jǐn)?shù),在3相流動中可以分為油相持液率、水相持液率和總液相持液率(油相持液率與水相持液率之和)。目前被廣泛應(yīng)用的測量方法有2種。

2.1.1 快關(guān)閥法

快關(guān)閥法是指在試驗管段上安裝同步快關(guān)閥,當(dāng)油氣水3相流動達(dá)到穩(wěn)定時,同時關(guān)閉閥門,通過氣液分離可以直接測出2閥之間的平均相分率。該方法的優(yōu)點是直接、簡單、準(zhǔn)確;缺點是不能進(jìn)行在線實時測量。Nuland(1991年)、Acikgoz(1992年)和Malinowsky(1993年)[31-32]都在試驗中利用同步快關(guān)閥來測量持液率,取得了很好的效果。

2.1.2 射線衰減法

射線衰減法的原理是射線穿過不同流體時其能量衰減有所不同,而且不同能級的射線源通過相同的多相流體時,其衰減程度也不同,進(jìn)而得到各相相分率。其優(yōu)點是能夠在線實時測量,而且采用非介入的形式;缺點是測量精度無法保證。

對于3相流動試驗,常用的有3種伽馬或X射線裝置。

a) 單一波束雙能源伽馬密度計 該裝置帶有一個橫穿波束或單一固定波束,其中橫穿波束是最常用的。LI Dong-hui 2005年[33]利用伽馬射線技術(shù),使用Am(59.5 keV)和Cs(662 keV)2種放射性元素進(jìn)行油氣水3相持液率測試,測試裝置及流程如圖6～7。

圖6 LI Dong-hui 2005年使用的測試裝置

圖7 測試流程

b) 三重波束雙能源伽馬密度計 在這個系統(tǒng)中,一個放射源可發(fā)出3個波束通過管道到3個檢測器,通過3相各自的波長決定相分率。該裝置對于隨時間變化的相分布有很好的測試效果。

c) X射線層析成像裝置[34-36]該裝置的基本原理是從2個X射線光源射出的光束穿過測試段,并撞擊線性排列的二極管探測器,最典型的是200個探測器記錄穿過3相流動管道的光束,利用濾波轉(zhuǎn)輪(如圖8)來區(qū)分液相,轉(zhuǎn)輪由空氣、銅和鉛組成。當(dāng)光束穿過轉(zhuǎn)輪的銅部分時,光束的能量分布將產(chǎn)生變化,結(jié)合光束穿過空氣而得到的信號就可以區(qū)分2種不同液相。

圖8 X射線層析成像系統(tǒng)原理

2.1.3 電阻抗法[37]

電阻抗法是在試驗管道內(nèi)壁放置測量電極,由于油氣水的介電常數(shù)、電導(dǎo)率不同,因此可通過測得電阻和電容來確定持液率。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,瞬態(tài)測量;缺點是有許多限制條件,例如要求被測介質(zhì)的電導(dǎo)率小,一般要采用高頻電源,測量值與多相流流型有關(guān),電導(dǎo)率與液體中的離子濃度有關(guān),測量段應(yīng)該是電絕緣的。

Oddie 2003年針對上述3種方法的測量精度進(jìn)行了對比性研究,得出快關(guān)閥法的測量精度最好,其次是射線衰減法,最不穩(wěn)定的是電阻抗法。

在研究一些具體的流型和要進(jìn)行更深入細(xì)致的研究時,還要相應(yīng)采用特殊的測量儀器,例如帝國理工學(xué)院的 Khor 1997年[38-39]研究了3相分層流動,利用等速采樣系統(tǒng)(isokinetic sampling system),在3相入口處設(shè)置等速采樣探針來測量相分率。

2.2 測量結(jié)果

Pan 1996年[40]使用雙能伽馬密度計測量液相持液率的典型結(jié)果如圖9(氣量和油量不變,改變?nèi)肟谒牧髁?。由圖9可見,液相總持液率存在一個峰值,可能是由于處于反相區(qū)附近。

圖9 Pan 1996年測量的3相流持液率結(jié)果(vsg=3.3 m/s;vsl=0.2 m/s)

3 壓降

Pan 1996年測量的壓降典型結(jié)果如圖10～11,可以看出趨向是非常復(fù)雜的,反映出3相流動的復(fù)雜性。在高氣速下(如圖10)壓降產(chǎn)生峰值,特別是含水率在40%～60%范圍,峰值可能是由反相(這時連續(xù)相從油變?yōu)樗?引起的,這個區(qū)域產(chǎn)生反常有效粘度導(dǎo)致壓降增大;在低氣速下(如圖11)沒有觀察到峰值。Pan認(rèn)為反相只能發(fā)生在液相完全摻混的情況下,如果液相之間是分離狀態(tài),不能產(chǎn)生反相,則壓降就不存在峰值。

圖10 Pan 1996年測量的高氣速下3相流動壓降(vso=0.1 m/s;p=0 bar)

圖11 Pan 1996年測量的低氣速下3相流動壓降(vso=0.1 m/s;p=10 bar)

4 反相規(guī)律研究

反相是油氣水3相流區(qū)別于氣液2相流的一種特殊現(xiàn)象,是影響管流壓降的重要因素,也是設(shè)計管線時必須要考慮的參數(shù)。由于在反相點兩側(cè)油水分散體系物性會發(fā)生突變,從而引起管道摩阻特性和壓降的劇烈變化,同時管道的內(nèi)腐蝕在很大程度上由與其接觸的液相決定[41],也會受到反相作用的影響,因此對反相規(guī)律的研究是非常有意義的。

由于對油水2相反相機(jī)理的研究[42-44]還不夠深入,無法為3相流動中的油水分散體系反相規(guī)律研究提供有力的理論支持,同時由于氣相的介入,更增加了油水分散體系反相機(jī)理研究的復(fù)雜性[45]。目前,只有少數(shù)學(xué)者對油氣水3相流的反相規(guī)律進(jìn)行了試驗研究。Malinowsky 1993年通過試驗發(fā)現(xiàn),反相不僅與混合物速度有關(guān),同時與氣相的表觀速度有關(guān)。1998年Utvik等[46]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)氣相相分率較低時,反相發(fā)生時的含水率在014～015;當(dāng)氣相相分率很高時,反相發(fā)生時的含水率可達(dá)0.9。在高氣相相分率時,氣泡會抑制油滴的聚積(此時溶解氣體比增加),因此只有提高入口含水率才會發(fā)生反相。

Odozi 2000年也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象,并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)擬合得到了反相含水率的相關(guān)式,但是該式僅考慮了氣相表觀速度的影響,并沒有涉及到液相的物理特性以及表面化學(xué)性質(zhì)的影響,因此不具有通用性。

劉文紅2005年借助局部取樣的實時測量,對管內(nèi)油氣水3相流動條件下油水混合物反相點進(jìn)行了預(yù)測,試驗發(fā)現(xiàn)反相點的位置與油水混合物流速以及折算氣速有關(guān),隨著折算氣速的增大,反相點會向體積含水率增大的方向漂移。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是由于隨著流動條件的變化,氣相成為分散在油水2相中的分散氣泡,這些分散氣泡破壞了分散相液滴之間的聚結(jié)和合并,因此就需要更高的分散相濃度以克服和減弱氣泡摻入的影響,從而使油水2相之間發(fā)生新的聚結(jié)與合并,使得反相點向更高的含水率方向移動。

5 存在的問題與研究方向

盡管對水平管油氣水3相流的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展,但與氣液2相流相比還很不成熟,處于起步階段,對于流型、壓降和相分率等主要流動參數(shù)的研究,還沒有出現(xiàn)一項能被大多數(shù)學(xué)者接受的結(jié)果,許多方面基本上是空白,還有大量的工作等待研究人員去完成。

1) 試驗環(huán)道具有一定的局限性。上述試驗研究管徑大都不超過?100 mm,鑒于油氣水3相流的復(fù)雜性,小管徑的結(jié)果能否推廣到實際管線尚難預(yù)料;管長偏短,無法進(jìn)行瞬態(tài)流動模擬,管長過短時甚至無法準(zhǔn)確模擬段塞流動;通常采用透明管道,而根據(jù)Angeli 1996年的試驗研究,管材及其油/水潤濕性對油水流動特性影響較大,建議使用鋼管作為3相流試驗用管材。

2) 試驗油品大多是煤油、潤滑油和其他輕質(zhì)模擬油,油品范圍偏窄,粘度較小。原油的流變性及油水乳化狀態(tài)十分復(fù)雜,遠(yuǎn)非上述試驗油品所能模擬;試驗通常使用空氣、氮氣等作為氣相,無法模擬天然氣與液態(tài)烴尤其是凝析液的相平衡,建議使用原油和天然氣作為試驗介質(zhì),以更好地模擬現(xiàn)場工況。

3) 發(fā)展光學(xué)技術(shù)和其他非接觸測量技術(shù),并對油氣水3相流的流動機(jī)理進(jìn)行研究,統(tǒng)一流型認(rèn)識,繪制出更具普遍意義的3相流型圖。

4) 在借鑒油水2相流動的反相試驗研究基礎(chǔ)上,充分考慮氣相在3相流動中對油水反相的影響;進(jìn)一步考慮各種因素的影響作用,如油水粒度分布、臨界入口含水率、油相粘度、混合液流速、界面張力、管材、流型等;建議利用非介入流動可視化方法來研究反相流規(guī)律,深入了解決定反相過程的液滴聚并和破裂過程。

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Progress in Experimental Study of Oil-G as-Water Three Phase Flow in Horizontal Pipelines

LIU De-sheng,GONG-Jing,WU Hai-hao
(Key L aboratory of Ministry of Education f or Petroleum Engineering,Beijing Key L aboratory of Urban Oil and Gas Distribution Technology,China University ofPetroleum,Beijing102249,China)

In this paper,the advance of the research on the three-phase flow experiment at home and overseas was discussed.The measurement method and research results of flow pattern,liquid holdup and pressure drop were introduced.The existing problems in research were pointed out. Some suggestions that advanced instruments are put forward and new experimental technique should be adopted and crude oil and natural gas should be used in large diameter experimental loop.

oil-gas-water;three-phase flow;experimental study;flow pattern;liquid holdup;pressure drop;phase inversion

1001-3482(2010)04-0009-08

TE973.01

A

2009-10-26

國家自然科學(xué)基金資助項目(50674097)

劉德生(1982-),男,遼寧大連人,博士研究生,主要從事油氣水3相混輸管道流動規(guī)律的研究,E-mail:lds1121 @126.com。