宮 敬, 劉德生

(中國石油大學(xué)(北京)城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京102249)

水平管內(nèi)油氣水三相流動規(guī)律研究

宮 敬, 劉德生

(中國石油大學(xué)(北京)城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京102249)

油氣水三相混輸技術(shù)已在海洋和沙漠油田得到廣泛的應(yīng)用,三相流動規(guī)律的研究是十分必要的。在長62 m、內(nèi)徑25.7 mm的不銹鋼管水平環(huán)道上,對油氣水三相流型及油水反相進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)油品的粘度為20 m Pa·s(20℃),密度為855 kg/m3(20℃)。利用高速攝像技術(shù),結(jié)合目測來判別流型,繪制了不同含水率情況下的油氣水三相流型圖。分析了含水率變化對三相流型的影響,并與經(jīng)典的Taitel流型預(yù)測模型進(jìn)行了對比,發(fā)現(xiàn)該模型適合于低含水率下的油氣水三相流型預(yù)測。

油氣水; 三相流; 流型; 含水率; 油水反相

石油和天然氣工業(yè)中,互不摻混的油、水以及氣體的三相流動在實(shí)際生產(chǎn)中占有非常重要的地位,因此三相流動特性的研究就顯得非常有必要。由于三相中存在著互不相溶的油水兩相,其流動規(guī)律與氣液和油水兩相比更加復(fù)雜,不能簡單的套用現(xiàn)有兩相流的研究成果[1-2]。在20世紀(jì)90年代以前,對油氣水三相流的實(shí)驗(yàn)研究非常有限[3-5]。但是,從20世紀(jì)90年代起,由于生產(chǎn)的需要和技術(shù)的進(jìn)步,使油氣水三相管流成為國際多相流領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。迄今為止,有關(guān)油氣水三相流動的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還是十分有限的,國內(nèi)外三相流研究工作還處于實(shí)驗(yàn)階段,對油氣水三相流的流型認(rèn)識和劃分至今尚未統(tǒng)一[6-14]。而且,在已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中很少涉及關(guān)于含水率對三相流型的影響及油水反相現(xiàn)象的研究,本文在油氣水三相實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對三相流動規(guī)律進(jìn)行了研究。本研究的主要目的是客觀地描述水平管內(nèi)油氣水三相流動規(guī)律,豐富現(xiàn)有的油氣水三相實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),為進(jìn)一步進(jìn)行油氣水三相流動規(guī)律的理論研究奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)在中國石油大學(xué)(北京)多相流研究室進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)環(huán)道由25.7 mm內(nèi)徑,62 m長的不銹鋼管組成,流程圖見圖1。

Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup圖1 油氣水三相流動實(shí)驗(yàn)環(huán)道示意圖

實(shí)驗(yàn)油品和水在容積為300 L的罐中混合,油水混合物經(jīng)螺桿泵后通過液相質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量,螺桿泵配備變頻器,混合物的流量通過旁通閥和變頻器來控制。實(shí)驗(yàn)所用壓縮空氣由螺桿式壓縮機(jī)提供,空氣經(jīng)壓縮機(jī)增壓后,進(jìn)入緩沖罐,得到壓力穩(wěn)定的氣相。氣體和油水混合物經(jīng)各自的質(zhì)量流量計(jì)測量后,通過氣液混合器進(jìn)入實(shí)驗(yàn)環(huán)道。實(shí)驗(yàn)環(huán)道分為氣液混合段、流型發(fā)展段、流型觀察段、測試段、持液率測量段,最后進(jìn)入氣液分離器,空氣經(jīng)排氣管排到室外,而油和水及其混合物則自流回油水混合罐。流型發(fā)展段長11 m,L/D＞400,保證流型的充分發(fā)展。在發(fā)展段后設(shè)置透明觀察窗,以便進(jìn)行流型觀測。采用高速攝像機(jī)(M S55K,M ega Speed Co rp.)對油氣水三相的流動形態(tài)進(jìn)行高速攝像。在測試段,采用羅斯蒙特公司的1151GP型壓力傳感器和3051CD型差壓傳感器來測量壓力和壓差。有兩個(gè)壓力測量點(diǎn),三個(gè)壓差測量點(diǎn)(見圖1),第一個(gè)和第二個(gè)壓差測試段為3 m,第三個(gè)壓差測試段為20 m。本次實(shí)驗(yàn)的持液率測量系統(tǒng)采用一組聯(lián)動氣動電磁閥,安裝位置位于測試段下游2 m左右,兩個(gè)為截?cái)嚅y,一個(gè)為旁通閥,在截?cái)嚅y中間裝有一個(gè)長為500 mm的透明段,流動截?cái)嗪?對持液率進(jìn)行測量。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟和條件

實(shí)驗(yàn)開始時(shí),油水混合物按實(shí)驗(yàn)所需要的流量打入到實(shí)驗(yàn)環(huán)道,待流動穩(wěn)定后,固定液相流量,氣相被注入到環(huán)道中,其流量按實(shí)驗(yàn)所需逐步增加。三相流動穩(wěn)定后,觀測流型,并進(jìn)行高速攝像,采集溫度、壓降、壓力等數(shù)據(jù)。當(dāng)所需氣相速度達(dá)到最大值的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行完畢后,改變液相流量,重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

液相和氣相的折算速度范圍分別是:0.002 m/s＜Vsl＜0.53 m/s,0.1 m/s＜Vsg＜16.5 m/s;含水率從0.1到0.5;實(shí)驗(yàn)壓力0.1 M Pa到0.4 M Pa;實(shí)驗(yàn)溫度為15～25℃。自來水作為實(shí)驗(yàn)水相,其表面張力是σw=7.280×10-2N/m(20℃)。白油作為實(shí)驗(yàn)油品,其物性見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)油品的物性Table 1 Properties of the oil used in the present study

2 結(jié)果與討論

現(xiàn)有的流型劃分主要采用以下兩種方法:(1)仿照氣液兩相劃分方式劃分三相流流型。(2)針對混合液中油水兩相流動形態(tài)的不同,結(jié)合氣液兩相流動的特點(diǎn),重新劃分三相流流型。本研究中的流型劃分與Wegmann的定義相似,氣液和油水流型分別定義:第一部分描述氣液兩相的流動特性,第二部分描述油水兩相的流動特性。其中,氣液被劃分為四部分:分層流、氣團(tuán)流、段塞流、分層波浪流;油水被劃分為三部分:分離流、分散流、間歇流。下面闡述實(shí)驗(yàn)中觀測到的流型。

2.1 三相流型

2.1.1 分層-分離流(S-S) 在低液相和氣相速度下,觀測到分層-分離流,見圖2。油、氣、水三相完全分離流動,由于重力的影響,氣相在管道上部流動,水相在管道底部流動,氣液界面光滑。

Fig.2 Stratified-Separated flow圖2 油氣水三相分層-分離流

2.1.2 氣團(tuán)-分離流(P-S) 在相對大液相速度和小氣相速度情況下,觀測到氣團(tuán)-分離流。這種流型的特點(diǎn)是:氣相和液相的流動特性與氣液兩相的氣團(tuán)流類似,氣相被液相分成一個(gè)個(gè)長氣泡,氣團(tuán)的頭部和尾部都比較光滑,且氣團(tuán)頭部和尾部比較長;油水兩相是分離的,見圖3。

Fig.3 Plug-Separated flow圖3 油氣水三相氣團(tuán)-分離流

2.1.3 氣團(tuán)-分散流(P-D) 隨著液相速度的增加,油水界面處的兩相間能量轉(zhuǎn)換增大,導(dǎo)致分散相開始進(jìn)入到連續(xù)相,當(dāng)連續(xù)相湍流力大于分散相的表面張力時(shí),形成油水分散流動,此時(shí)觀測到氣團(tuán)-分散流,見圖4。

Fig.4 Plug-Dispersed flow圖4 油氣水三相氣團(tuán)-分散流

2.1.4 段塞-間歇流(S-I) 段塞-間歇流發(fā)生在氣相和液相的流動形態(tài)剛由分層流轉(zhuǎn)換成段塞流的區(qū)域。此時(shí)液膜區(qū)的油水兩相仍然是完全分離的,看起來與分層-分離流相似,而液塞段的油水兩相卻是呈現(xiàn)出分散流動的特性,見圖5。

Fig.5 Slug-intermittent flow圖5 油氣水三相段塞-間歇流

2.1.5 段塞-分散流(S-D) 隨著氣液速的增加,油水內(nèi)部紊亂程度和氣相對油水混合物的擾動加劇,導(dǎo)致液膜區(qū)的油水兩相也形成分散流動,此時(shí)流型由段塞-間歇流轉(zhuǎn)變成段塞-分散流,見圖6。進(jìn)一步增加氣液速,在液膜區(qū)將形成小振幅的波浪。2.1.6 分層波浪-分散流(SW-D) 隨著氣相速度的增加,當(dāng)氣相足以沖破液塞,使液相不能充滿整個(gè)管道而是以滾動波的形式向前流動時(shí),形成分層波浪-分散流,見圖7(a)。隨著氣相速度的增加,出現(xiàn)波浪的頻率也隨之增加。

Fig.6 Slug-Dispersed flow圖6 油氣水三相段塞-分散流

Fig.7 Stratified/Wavy-Dispersed flow圖7 油氣水三相分層波浪-分散流

進(jìn)一步增加氣相速度,由于毛細(xì)管力和剪切力的作用,將產(chǎn)生復(fù)雜的波狀流動,部分液相以圓環(huán)的形式向前流動,此時(shí)的油氣水三相流動形態(tài)與Acikg?z觀測到的水基分散分層波浪流相似,見圖7(b)。

本實(shí)驗(yàn)中,由于氣相速度的范圍相對較小,氣相不足以形成連續(xù)氣芯,所以沒有發(fā)現(xiàn)油氣水三相環(huán)狀流。但是,此處的分層波浪-分散流與環(huán)狀流的形成機(jī)理相似,屬于段塞流向環(huán)狀流轉(zhuǎn)換的過渡流型。

2.2 油水反相

對于油氣水三相流動,隨含水率增加,開始時(shí)壓降逐漸增大。當(dāng)達(dá)到某一含水率時(shí),壓降將隨含水率增加而減小,此時(shí)發(fā)生油水反相。圖8是壓降隨氣相折算速度的變化曲線。由圖8可知,含水率小于0.3時(shí),隨含水率增加壓降增大;含水率0.5時(shí),壓降呈現(xiàn)下降趨勢,因此確定反相區(qū)域含水率在0.3～0.5內(nèi)。

2.3 三相流型圖

不同含水率下的油氣水三相流型圖見圖9。這些流型圖是以氣相和油水混合物折算速度為橫縱坐標(biāo)繪制的,圖中各點(diǎn)表示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),實(shí)線表示Taitel模型預(yù)測值。

Fig.8 Pressure drop asa function of air superficial velocity圖8 壓降隨氣相折算速度變化曲線

對于氣液兩相流動特性來說,隨含水率增加,氣團(tuán)流范圍變化不大,而分層流、波浪流范圍減小,段塞流范圍增大,而且隨含水率增大,這種趨勢愈大。但是,當(dāng)含水率為0.5時(shí),由于油水混合物反相特性的影響,連續(xù)相由油相轉(zhuǎn)變成水相,氣液界面的滑移現(xiàn)象減弱,導(dǎo)致氣液間擾動程度降低,使得油氣水三相更容易產(chǎn)生分層流和波浪流,因此在含水率為0.5時(shí)的分層流和波浪流的范圍增大,相對段塞流的范圍減小(圖9(c))。

對于油水混合物的流動特性來說,反相前,隨含水率增大,油水界面的剪切力增大,混合物內(nèi)部紊亂程度加大,因此更容易形成分散流動,則形成分離流或間歇流的區(qū)域減小;反相后,隨含水率增大,油水混合粘度減小,混合物內(nèi)部紊亂程度減輕,形成分離流或間歇流的區(qū)域增大見圖9(c)。

2.4 模型比較

Taitel Y等[15]基于動量平衡理論提出了油氣水三相流型預(yù)測模型。首先,總的液相高度和水相高度由消除動量方程中的壓降項(xiàng)獲得的兩個(gè)聯(lián)立的方程計(jì)算得出,然后確定流型轉(zhuǎn)換邊界。判別標(biāo)準(zhǔn)為:

其中:U是平均速度;ρ是密度;A是橫截面面積;下腳標(biāo)o,g分別表示油相、氣相;hL是總的液相高度;D是管道內(nèi)徑;β是管道傾角;Sj是橫截面上氣液界面的周長。

如果(1)式不成立,流型為分層流;如果(1)式成立,當(dāng)hL/D≥0.35時(shí),流型為段塞流,當(dāng)hL/D＜0.35時(shí),流型為環(huán)狀流。

由于Taitel流型預(yù)測模型沒有考慮氣團(tuán)流和段塞流的轉(zhuǎn)換邊界及油水兩相的流動特性,因此本次對比主要分析分層流向非分層流的轉(zhuǎn)換邊界及段塞流向環(huán)狀流的轉(zhuǎn)換邊界。

由圖9(a)可知,含水率為0.1時(shí),模型預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比:(1)分層流向非分層流轉(zhuǎn)換邊界與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合;(2)段塞流向環(huán)狀流轉(zhuǎn)換邊界向小氣速方向略有偏移,即小部分段塞流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)入模型預(yù)測的環(huán)狀流區(qū)域內(nèi)?？傮w來說,低含水率下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型預(yù)測值吻合較好。

含水率為0.3,0.5時(shí)(見圖9(b),(c)),模型預(yù)測的段塞流區(qū)域小于實(shí)驗(yàn)得到的段塞流區(qū)域,即一些段塞流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)入模型預(yù)測的分層流或環(huán)狀流區(qū)域,模型預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差較大。分析其原因是:Taitel預(yù)測方法采用均相模型來處理油水混合液的物性,而實(shí)驗(yàn)中觀察到,在含水率相對較大時(shí),油水兩相容易產(chǎn)生分離流動,因此預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比有偏差。

Fig.9 Comparison of the experimental data to the transition boundaries of Taitel圖9 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型預(yù)測值的比較

3 結(jié)束語

本次研究在大量的油氣水三相流動實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對三相流動規(guī)律進(jìn)行了研究,對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,可以得到以下結(jié)論:

以結(jié)合氣液兩相流動特性和油水兩相流動特性的方法來定義油氣水三相流型,實(shí)驗(yàn)中觀測到六種流型:分層-分離流、氣團(tuán)-分離流、氣團(tuán)-分散流、段塞-間歇流、段塞-分散流、分層波浪-分散流。

對三相流動條件下的油水反相進(jìn)行了研究。在含水率0.3～0.5內(nèi),壓降和油水混合粘度均出現(xiàn)拐點(diǎn),即發(fā)生油水反相。

分析了含水率變化對油氣水三相流型的影響。反相前,隨含水率增加,對于氣液流動特性,實(shí)驗(yàn)表明段塞流更容易形成;對于油水兩相流動特性,實(shí)驗(yàn)表明分散流更容易形成。反相后,趨勢與之相反。

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與經(jīng)典的Taitel模型預(yù)測結(jié)果進(jìn)行了對比分析。低含水率下,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型預(yù)測值吻合較好,含水率較大時(shí),由于Taitel預(yù)測方法采用均相模型來處理油水混合液的物性,因此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型預(yù)測值吻合度下降。

[1］王衛(wèi)強(qiáng),吳明,王勇,等.油氣兩相流溫降計(jì)算方法的研究[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào),2007,27(2):42-44.

[2］竇丹,于達(dá),宮敬.原油/水管流壓降規(guī)律實(shí)驗(yàn)[J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào),2006,19(2):60-63.

[3］Sobocinski D P.Horizontal co-current flow of water,gas-oil and air[D].Norman:University of Oklahoma,1953.

[4］Tek M R.Multiphase flow of water,oil and natural gas through vertical flow strings[J].Trans.soc.petrol.engrs,1961(222):1029-1036.

[5］Malinow sky M S.An experimental study of oil-water and air-oil-water flowing mixture in horizontal pipes[D].Tulsa:University of Tulsa,1975.

[6］Lee H A,Sun J Y,Jepson W P.A study of flow regime transitions for oil-water-gas mixtures in large diameter horizontal pipelines[C].In:Proceedings ISOPE 3rd international offshore and polarengng conference,1993.

[7］Stapelberg H H,Mewes D.The pressure loss and slug frequency of liquid-liquid-gas slug flow in horizontal pipes[J].Int.j.multiphase flow,1991(20):285-303.

[8］Oddie G,Shi H,Durlofsky L J,et al.Experimental study of two and three phase flow s in large diameter inclined pipes[J].Int.j.multiphase flow,2003(29):527-558.

[9］Acikg?z M,Franca L,Lahey R T.An experimental study of three-phase flow regimes[J].Int.j.multiphase flow,1992(18):327-336.

[10］Hewitt G F.Three-phase gas-liquid-liquid flow s in the steady and transient states[J].Nuclear engineering and design,2005,235(10-12):1303-1316.

[11］Chen Xue-jun,Guo Lie-jin.Flow patterns and pressure drop in oil-air-water three-phase flow through helically coiled tubes[J].Int.j.multiphase flow,1999(25):1053-1072.

[12］Wegmann A,Melke J,Rudolf von Rohr P.Three phase liquid-liquid-gas flows in 5.6 mm and 7 mm inner diameter pipes[J].Int.j.multiphase flow,2007(33):484-497.

[13］趙京梅.水平管油氣水三相分層流及段塞流研究[D].北京:中國石油大學(xué)博士學(xué)位論文,2008.

[14］Bannwart A C,Rodriguez O M H,Trevisan F E,et al.Experimental investigation on liquid-liquid-gas flow:Flow patterns and pressure-gradient[J].Journal of petroleum science and engineering,2009(65):1-13.

[15］Taitel Y,Barnea D,Brill J P.Stratified three phase flow in pipes[J].Int.j.multiphase flow,1995(21):53-60.

(Ed.:W YX,Z)

Three-Phase Oil-Air-Water Flow in Ho rizontal Pipes

GONGJing,L IU De-sheng
(Beijing Key Laboratory of U rban Oil and Gas Distribution Technology,China University of Petroleum(Beijing),Beijing102249,P.R.China)

The technology of oil-air-water mixed transportation had been applied in offshore pipelines,so it was very necessary to study the characteristic of three-phase flow.A series of oil-air-water three-phase flow experiments were carried out in a inner diameter of 25.7 mm,horizontal,stainless steel pipe,the focus was to study three-phase flow patterns and oil-water phase inversion.Air,tap water and white mineral oil(20 m Pa·s viscosity,855 kg/m3density at 20°C)were used as test fluids.High speed photography was applied to determine flow patterns.Three-phase flow pattern maps on difference of the water volume fracture in the oil-watermixture(water-cut)were p lotted,the effects of water-cut on three-phase flow patterns were investigated.The flow pattern map s developed were compared with a theoretical model,and it show that the model provides very close flow pattern predictions from experimental data at low water-cut.

Oil-air-water;Three-phase;Flow pattern;Water-cut;Phase inversion

.Tel.:+86-10-89733804;e-mail:ydgj@cup.edu.cn

TE832

A

10.3696/j.issn.1006-396X.2011.02.023

2011-03-27

宮敬(1962-),女,遼寧莊河市,教授,博士。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50674097);國家重大專項(xiàng):深水流動安全保障與水合物風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)(2008ZX05000-026-004)。

1006-396X(2011)02-0087-05

Received27M arch2011;revised15A p ril2011;accep ted17A pril2011