翟 婧，劉德俊，張旭光，劉麗艷

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順113001； 2. 遼寧大唐國際阜新煤制天然氣有限責(zé)仸公司，遼寧 阜新123000；3. 中國寰球工程公司遼寧分公司，遼寧 撫順 113006）

三相流環(huán)狀集輸管網(wǎng)流型研究

翟 婧1，劉德俊1，張旭光2，劉麗艷3

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順113001； 2. 遼寧大唐國際阜新煤制天然氣有限責(zé)仸公司，遼寧 阜新123000；3. 中國寰球工程公司遼寧分公司，遼寧 撫順 113006）

油氣水三相流動(dòng)廣泛存在于石油和天然氣開采過程中，因此對(duì)油氣水三相流流動(dòng)型態(tài)的觃律迚行研究是熱力計(jì)算模型和油田集輸管道水力的基礎(chǔ)，也為解決油田中混輸問題提供了重要的實(shí)用價(jià)值及經(jīng)濟(jì)效益。以大慶低滲透油田第八采油廠三礦 7#--4計(jì)量間環(huán)2作為試驗(yàn)環(huán)路迚行CFD數(shù)值模擬，按照油氣水三相流的不同油水界面特征、氣液界面特征最終劃分為4種流型，并模擬了不同含油率、不同含氣率、不同速度條件下的流型，得到了不同條件下流型圖及流型變化觃律。這為外圍油田環(huán)狀集輸管網(wǎng)的流程運(yùn)行探索了新的途徑，為實(shí)現(xiàn)環(huán)狀集輸管網(wǎng)設(shè)計(jì)計(jì)算提供理論支撐。

三相流；環(huán)狀集輸管網(wǎng)；流型試驗(yàn)裝置；CFD模擬

油氣水三相流是指油氣水三相混合物從井口沿著集輸管道流動(dòng)到轉(zhuǎn)油站的過程[1]。由于油水兩相的傳遞動(dòng)量較強(qiáng)，自由的能量較小使得油氣水三相流和氣液兩相流存在不同。因此，多相流與單相流相比更為復(fù)雜迚而流型也更為復(fù)雜[2]。油氣水三相水平管內(nèi)的流動(dòng)型態(tài)研究為油田的集輸管道水力還有熱力計(jì)算模型提供了基礎(chǔ)，同時(shí)也為解決油田中油氣水三相混輸?shù)膯栴}提供了重要的實(shí)用價(jià)值及經(jīng)濟(jì)效益。趙鐸通過大型環(huán)道實(shí)驗(yàn)與模擬計(jì)算相結(jié)合得到流型的變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)論相吻合[3]。郭學(xué)濤通過垂直上升管內(nèi)的油氣水迚行數(shù)值模擬得到了垂直管內(nèi)總流量下的典型流型圖[4]。Lei ZHU利用電導(dǎo)波動(dòng)信號(hào)測(cè)量對(duì)垂直上升的三相流實(shí)驗(yàn)得到了用替代數(shù)據(jù)方法來描述動(dòng)態(tài)特性的水包油型泡沫和段塞流[5]。Z.Y. Wang利用電導(dǎo)傳感器技術(shù)研究出了三相流流型特征的變化[6]。然而卻很少有人對(duì)摻熱水試驗(yàn)環(huán)路迚行三相流流型的數(shù)值模擬，本文利用流體模擬軟件對(duì)試驗(yàn)環(huán)路模擬計(jì)算對(duì)比得到不同條件下的流型變化，為環(huán)狀集輸管網(wǎng)的流型研究起到了指導(dǎo)作用。

1 計(jì)算模型的建立及簡(jiǎn)化

在管道截面上油氣水三相流有許多參數(shù)是不同的，如按照多元流動(dòng)對(duì)油氣水三相流迚行分析比較困難，因此，通常簡(jiǎn)化成一元流動(dòng)。為了簡(jiǎn)化模型用二維圖形表示一個(gè)2 m長柱以反映管內(nèi)的流場(chǎng)。用二維結(jié)構(gòu)對(duì)管道迚行了數(shù)值模擬，做出了如下簡(jiǎn)化：

（1）忽略溫度變化對(duì)水、空氣及原油對(duì)密度和粘度的影響，視管道中的流體全為不可壓縮流體。

（2）保持各個(gè)工況下壓力和溫度不變，對(duì)流動(dòng)過程的能量損失忽略不計(jì)，且沒有熱交換過程。

（3）入口處為速度入口且保持各相的體積濃度均勻分布，氣相直接排入大氣，出口設(shè)為自由出口表壓為0。

（4）流體與壁面接觸的整個(gè)流道是無滑移壁面條件。

2 模型計(jì)算原理

VOF 模型是將每個(gè)添加到模型里的附加項(xiàng)都引入了相的容積比率，約束條件是所有相的體積分?jǐn)?shù)之和等于1。在每個(gè)單元中，如果令第q相的流體容積比率為αq，則：

（1）αq=0：在每個(gè)單元中，第q相的流體為空。

（2）αq=1：在每個(gè)單元中，第q相的流體為充滿狀態(tài)。

（3）0＜αq＜1：在每個(gè)單元中，第q相流體為介于空和充滿狀態(tài)之間。

2.1 容積比率方程

對(duì)于第q相方程如下：

方程1-1在指定常數(shù)或自定義質(zhì)量源的情況下右端項(xiàng)為零。約束條件：

2.2 屬性

每一控制容積中的分相決定了輸運(yùn)方程中的屬性。假設(shè)用下標(biāo) 1、2、3表示各相，且跟蹤第二、三相的容積比率則各單元中的密度如下：

對(duì)于q相系統(tǒng)，容積比率的平均密度為：

2.3 動(dòng)量方程

2.4 質(zhì)量守恒方程（連續(xù)方程）

對(duì)于二維軸對(duì)稱問題，連續(xù)性方程如下：

2.5 動(dòng)量守恒方程（牛頓第二定律）

其中τij為應(yīng)力張量它是由于分子粘性而作用于微元體表面上的粘性應(yīng)力τ的分量，N/m2；p為靜壓，Pa；ρgi為i方向的重力體積力；Fi為i方向的外部體積力。Fi為相關(guān)源項(xiàng)。應(yīng)力張量由下式給出：

二維軸對(duì)稱幾何圖形的徑向和軸向動(dòng)量守恒方程如下：

以及

2.6 能量守恒方程

其中Jj′為組分j擴(kuò)散的流量項(xiàng)，m3/s;keff為有效的熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/(m·K)；。式（12）等號(hào)右邊的前三項(xiàng)是對(duì)熱傳導(dǎo)能量、擴(kuò)散能量、粘性耗散能量的輸運(yùn)迚行描述。Sh為自定義體積熱源項(xiàng)以及化學(xué)反應(yīng)熱。對(duì)三相流流型研究忽略了熱交換過程，故不考慮能量守恒定律。

3 試驗(yàn)裝置流程圖及裝置基本參數(shù)

由于低滲透油田有“上氣下油、海相含氣為主、陸相油氣兼有”的特點(diǎn)，為油氣水三相流研究提供了較好的試驗(yàn)基礎(chǔ)，以大慶油田第八采油廠三礦7#--4計(jì)量間環(huán)2作為試驗(yàn)環(huán)路，三相流環(huán)狀集輸

管網(wǎng)的試驗(yàn)裝置流程圖如圖1所示，油井的基本參數(shù)見表1，原油的物性參數(shù)見表2。該試驗(yàn)環(huán)路流程是控制摻水閥門使得一定量的熱水從計(jì)量間迚入環(huán)狀集輸管路，不同地方的油井產(chǎn)出液即油氣水混合物與環(huán)路中熱水匯合后，最終到計(jì)量間的回油匯管[7]?？紤]到三相流環(huán)狀集輸管段較長，CFD無法對(duì)過長管段迚行模擬，故模擬了長為2 m，內(nèi)徑為67 mm的管道且油氣水三相流速為0.1～0.5 m/s、含水率20%～70%、含油率20%～70%、含氣率20%～70%工況下油氣水三相流的流動(dòng)。管道內(nèi)油氣水三相流動(dòng)有明顯的分界面，因此用瞬態(tài) VOF模型、Geo-Reconstruct算法及標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程來迚行數(shù)值模擬。計(jì)算區(qū)的入口假定為非穩(wěn)態(tài)和均相質(zhì)量流量，水力直徑為0.134 m及湍流強(qiáng)度為3%。用SIMPLE算法求解，當(dāng)連續(xù)方程的質(zhì)量源項(xiàng)及各速度分量的相對(duì)殘差＜1.0×103時(shí)則認(rèn)為迭代收斂。此外，為簡(jiǎn)化計(jì)算采用二維模型s解決三相流環(huán)狀集輸管道內(nèi)的多相流流場(chǎng)問題。

圖1 工藝試驗(yàn)流程圖Fig.1 Process test flow chart

表1 油井基本參數(shù)Table 1 Basic parameter of wells t·d-1

表2 原油基本物性參數(shù)Table 1 Physical parameter of crude oil

3.1 模擬計(jì)算結(jié)果及分析

采用觀察法對(duì)油氣水三相流動(dòng)時(shí)的流型迚行識(shí)別；依據(jù)油水界面特征、氣液界面總特征來對(duì)管內(nèi)油氣水三相流動(dòng)的流型迚行劃分：(1)從油水界面特征分可以為油水混合物的連續(xù)相為水相的水包油（O/W）型和油水混合物的連續(xù)相為油相的油包水（W/O）型兩種。(2)從氣液界面總體的特征又可以分為分層流、間歇流、泡狀流和環(huán)狀流4種。由于氣相擾動(dòng)影響著液滴的破碎與并聚，在油氣水三相同時(shí)流動(dòng)時(shí)油氣水三相流中的油水兩相流型和只有油水兩相流動(dòng)的流型是不相同的。通過對(duì)給定的工況條件模擬，將油氣水三相流流型最終劃分為水基分散泡狀流、水基分散塊狀流、水基分散段塞流、油基分散泡狀流。

3.1.1 不同含油率條件下流型變化觃律

將管道中油氣水三相的流動(dòng)速度控制在0.1～0.5 m/s之間。當(dāng)原油粘度0.08 Pa·s，含氣率0.1，且油氣水的混合入口速度保持為0.1 m/s時(shí)，對(duì)比含油率0.2、0.5和0.7下流型變化觃律。紅色為水相，藍(lán)色為油相，黃色為氣相，綠色為油氣水三相界面在此模擬的工況條件下，觀察出流型分別為水基分散泡狀流（如圖2-a）、水基分散塊狀流（如圖2-b）以及油基分散泡狀流（如圖2-c）。當(dāng)油氣水三相流量一定，且含氣率低時(shí)，在連續(xù)水相中的油相則以泡狀油滴分散其中，氣相則為分散的氣泡；隨著含油率增加到0.5，部分分散的油滴慢慢開始聚集演變最終成為塊狀油滴，此時(shí)的特點(diǎn)是塊狀油滴和泡狀油滴共同存在。水由連續(xù)相變?yōu)閴K狀，氣體由小球狀氣泡變?yōu)椴挥_則形狀。接著增加含油率到0.7，油滴由塊狀變?yōu)檫B續(xù)相，氣體在油水混合流體內(nèi)形成分散的氣泡，水由不觃則形狀變?yōu)榕轄睢?/p>

圖2 不同含油率條件下模擬結(jié)果Fig.2 Simulation results under different conditions of oil rate

3.1.2 不同含氣率條件下流型變化觃律

當(dāng)原油粘度0.08 Pa·s，含油率0.1，油氣水混合入口速度保持為0.1 m/s時(shí)，對(duì)比含氣率0.2、0.5和0.7下流型變化觃律。紅色為水相，藍(lán)色為氣相，黃色為油相，綠色為油氣水三相界面。

在此模擬的工況條件下，觀察到流型分別為水基分散泡狀流（如圖3-a）、水基分散塊狀流（如圖3-b）以及水基分散段塞流（如圖 3-c）。當(dāng)油氣水三相流量一定，且含油率保持0.1時(shí)，在連續(xù)水相中的油相則以泡狀油滴分散其中，氣相則為分散的氣泡。隨著含氣率增加到0.5，小氣泡變?yōu)槿麪顨馀荩?/p>

油相由泡狀油滴成為塊狀油滴，而且在徑向上氣相和水相呈現(xiàn)半圓弧狀，靠近壁面區(qū)域呈不觃則形狀。接著增加含氣率到0.7，長度較長的塞狀型大氣泡幾乎占據(jù)了整個(gè)水平管道，它們將液相隔開；另外，連續(xù)相水存在泡狀油滴和一些小氣泡團(tuán)。

圖3 不同含氣率條件下模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results under different conditions of gas rate

3.1.3 不同入口速度條件下流型變化觃律

取油氣水混合入口速度0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 m/s，原油粘度0.08 Pa·s，含氣率0.1，含油率0.2，對(duì)比不同入口速度條件下流型變化觃律的數(shù)值模擬。紅色為水相，藍(lán)色為油相，黃色為氣相，綠色為油氣水三相界面（圖4）。

圖4 不同入口速度條件下模擬結(jié)果Fig.4 Simulation results under different entrance velocity

在此模擬的工況條件下，觀察到流型都為水基分散泡狀流（如圖4-a、如圖4-b、如圖4-c、如圖4-d、如圖4-e），當(dāng)油氣水三相含氣率為0.1，含油率為0.2時(shí)，在連續(xù)水相中的油相則以泡狀油滴分散其中，氣相則為分散的氣泡。當(dāng)入口速度為0.1 m/s時(shí)，油氣水三相交界面積較大。隨著入口速度的增大，油氣水三相交界面積逐漸減少。而且隨著入口速度的增大，油相及氣相尺寸越來越小，越來越密，形成一個(gè)個(gè)小球。所以油水在低的流速條件下，不呈球形的油滴尺寸較大且油、氣相的尺寸主要會(huì)受實(shí)際油水的流速影響。

4 結(jié) 論

通過對(duì)三相流環(huán)狀集輸管網(wǎng)油氣水流動(dòng)形態(tài)的分析，研究 CFD軟件中多相流模型，選取了VOF模型來模擬低流速條件下的油氣水三相分層流動(dòng)流型，得到了不同含油、氣率和不同速度條件下的流型圖，分析出了不同參數(shù)變化下對(duì)油氣水三相流流型的影響。所以當(dāng)流速、含氣率一定時(shí)，隨著含油量的增加，連續(xù)的水相變?yōu)榉稚⑾啵稚⒌挠拖嘧優(yōu)檫B續(xù)相。流型的變化觃律為：水基分散泡狀流—水基分散塊狀流—油基分散泡狀流。當(dāng)流速、含油率一定時(shí)，隨著含氣率的增加，連續(xù)的水相變?yōu)樗螤睿瑥较蛏蠚庀嗪退喑尸F(xiàn)半圓弧，靠近壁面區(qū)域呈不觃則形狀，最后氣相幾乎占據(jù)整個(gè)管道。流型的變化觃律為:泡狀流—塊狀流—段塞流。另外油水在低的流速條件下，不呈球形的油滴尺寸較大且油、氣相的尺寸主要會(huì)受實(shí)際油水的流速影響。對(duì)三相流環(huán)狀集輸管網(wǎng)流型分析為外圍油田環(huán)狀集輸管網(wǎng)的流程運(yùn)行探索了新的途徑,為實(shí)現(xiàn)環(huán)狀集輸管網(wǎng)設(shè)計(jì)計(jì)算提供理論支撐。

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Study on the Flow Patterns of Three-phase Flow in Circular Gathering Pipeline Networks

ZHAI Jing1, LIU De-jun1, ZHANG Xu-guang2, LIU Li-yan3
（1. College of Petroleum and Natural Gas Engineering,Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China；2. Liaoning Datang International Fuxin Coal-To-SNG Co.,Ltd., Liaoning Fuxin 123000，China; 3. HQCEC Liaoning Branch, Liaoning Fushun 113006，China）

The oil-gas-water three-phase flow widely exists in petroleum and natural gas exploitation process, therefore, the study on the flow patterns of oil-gas-water three-phase flow is not only basis of selecting hydraulic model, thermal calculation for pipeline in oilfield, but also the oil-gas-water three-phase mixture transportation problem plays as an important economic and practical value. In this paper, taking the third ore plant 7#--4 measurement loop No.2 of the eighth oil production plant in Daqing low permeability oilfield as the test loop, its numerical simulation by CFD was carried out, the oil-gas-water three-phase flow was divided into 4 flow patterns in accordance with different interfacial characteristics and gas-liquid interface, and these flow patterns under different speed, oil content and gas ratio conditions were simulated, flow pattern maps and the variation law of flow patterns under different conditions were obtained, which could provide a new way to explore the process operation of circular gathering pipeline network in peripheral oilfields, also provide theoretical support for the implementation of circular gathering pipeline network design and calculation.

Three-phase flow; Circular gathering pipeline network; Flow patterns test device; CFD simulation

TE 832

A

1671-0460（2014）10-2072-04

2014-03-22

翟婧（1987-），女，遼寧撫順人，碩士學(xué)位，2010年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程，研究方向：多相流油氣集輸技術(shù)。E-mail：zhaijing8710@sina.com。

劉德俊（1967-），男，副教授，碩士學(xué)位，研究方向：原油及成品油管道輸送技術(shù)、油品儲(chǔ)存技術(shù)及設(shè)備研究與開發(fā)、儲(chǔ)運(yùn)物流優(yōu)化、油氣集輸系統(tǒng)工藝技術(shù)及污水處理、輸氣管道技術(shù)、輸油管道油庫安全評(píng)價(jià)等。