水平管内油气水三相流动规律研究

宫 敬, 刘德生

(中国石油大学(北京)城市油气输配技术北京市重点实验室,北京102249)

水平管内油气水三相流动规律研究

宫 敬, 刘德生

(中国石油大学(北京)城市油气输配技术北京市重点实验室,北京102249)

油气水三相混输技术已在海洋和沙漠油田得到广泛的应用,三相流动规律的研究是十分必要的。在长62 m、内径25.7 mm的不锈钢管水平环道上,对油气水三相流型及油水反相进行了实验研究。实验油品的粘度为20 m Pa·s(20℃),密度为855 kg/m3(20℃)。利用高速摄像技术,结合目测来判别流型,绘制了不同含水率情况下的油气水三相流型图。分析了含水率变化对三相流型的影响,并与经典的Taitel流型预测模型进行了对比,发现该模型适合于低含水率下的油气水三相流型预测。

油气水; 三相流; 流型; 含水率; 油水反相

石油和天然气工业中,互不掺混的油、水以及气体的三相流动在实际生产中占有非常重要的地位,因此三相流动特性的研究就显得非常有必要。由于三相中存在着互不相溶的油水两相,其流动规律与气液和油水两相比更加复杂,不能简单的套用现有两相流的研究成果[1-2]。在20世纪90年代以前,对油气水三相流的实验研究非常有限[3-5]。但是,从20世纪90年代起,由于生产的需要和技术的进步,使油气水三相管流成为国际多相流领域研究的热点。迄今为止,有关油气水三相流动的实验数据还是十分有限的,国内外三相流研究工作还处于实验阶段,对油气水三相流的流型认识和划分至今尚未统一[6-14]。而且,在已有的实验结果中很少涉及关于含水率对三相流型的影响及油水反相现象的研究,本文在油气水三相实验的基础上对三相流动规律进行了研究。本研究的主要目的是客观地描述水平管内油气水三相流动规律,丰富现有的油气水三相实验数据,为进一步进行油气水三相流动规律的理论研究奠定基础。

1 实验系统

1.1 实验装置

实验在中国石油大学(北京)多相流研究室进行,实验环道由25.7 mm内径,62 m长的不锈钢管组成,流程图见图1。

Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup图1 油气水三相流动实验环道示意图

实验油品和水在容积为300 L的罐中混合,油水混合物经螺杆泵后通过液相质量流量计进行计量,螺杆泵配备变频器,混合物的流量通过旁通阀和变频器来控制。实验所用压缩空气由螺杆式压缩机提供,空气经压缩机增压后,进入缓冲罐,得到压力稳定的气相。气体和油水混合物经各自的质量流量计测量后,通过气液混合器进入实验环道。实验环道分为气液混合段、流型发展段、流型观察段、测试段、持液率测量段,最后进入气液分离器,空气经排气管排到室外,而油和水及其混合物则自流回油水混合罐。流型发展段长11 m,L/D＞400,保证流型的充分发展。在发展段后设置透明观察窗,以便进行流型观测。采用高速摄像机(M S55K,M ega Speed Co rp.)对油气水三相的流动形态进行高速摄像。在测试段,采用罗斯蒙特公司的1151GP型压力传感器和3051CD型差压传感器来测量压力和压差。有两个压力测量点,三个压差测量点(见图1),第一个和第二个压差测试段为3 m,第三个压差测试段为20 m。本次实验的持液率测量系统采用一组联动气动电磁阀,安装位置位于测试段下游2 m左右,两个为截断阀,一个为旁通阀,在截断阀中间装有一个长为500 mm的透明段,流动截断后,对持液率进行测量。

1.2 实验步骤和条件

实验开始时,油水混合物按实验所需要的流量打入到实验环道,待流动稳定后,固定液相流量,气相被注入到环道中,其流量按实验所需逐步增加。三相流动稳定后,观测流型,并进行高速摄像,采集温度、压降、压力等数据。当所需气相速度达到最大值的实验进行完毕后,改变液相流量,重复实验。

液相和气相的折算速度范围分别是:0.002 m/s＜Vsl＜0.53 m/s,0.1 m/s＜Vsg＜16.5 m/s;含水率从0.1到0.5;实验压力0.1 M Pa到0.4 M Pa;实验温度为15～25℃。自来水作为实验水相,其表面张力是σw=7.280×10-2N/m(20℃)。白油作为实验油品,其物性见表1。

表1 实验油品的物性Table 1 Properties of the oil used in the present study

2 结果与讨论

现有的流型划分主要采用以下两种方法:(1)仿照气液两相划分方式划分三相流流型。(2)针对混合液中油水两相流动形态的不同,结合气液两相流动的特点,重新划分三相流流型。本研究中的流型划分与Wegmann的定义相似,气液和油水流型分别定义:第一部分描述气液两相的流动特性,第二部分描述油水两相的流动特性。其中,气液被划分为四部分:分层流、气团流、段塞流、分层波浪流;油水被划分为三部分:分离流、分散流、间歇流。下面阐述实验中观测到的流型。

2.1 三相流型

2.1.1 分层-分离流(S-S) 在低液相和气相速度下,观测到分层-分离流,见图2。油、气、水三相完全分离流动,由于重力的影响,气相在管道上部流动,水相在管道底部流动,气液界面光滑。

Fig.2 Stratified-Separated flow图2 油气水三相分层-分离流

2.1.2 气团-分离流(P-S) 在相对大液相速度和小气相速度情况下,观测到气团-分离流。这种流型的特点是:气相和液相的流动特性与气液两相的气团流类似,气相被液相分成一个个长气泡,气团的头部和尾部都比较光滑,且气团头部和尾部比较长;油水两相是分离的,见图3。

Fig.3 Plug-Separated flow图3 油气水三相气团-分离流

2.1.3 气团-分散流(P-D) 随着液相速度的增加,油水界面处的两相间能量转换增大,导致分散相开始进入到连续相,当连续相湍流力大于分散相的表面张力时,形成油水分散流动,此时观测到气团-分散流,见图4。

Fig.4 Plug-Dispersed flow图4 油气水三相气团-分散流

2.1.4 段塞-间歇流(S-I) 段塞-间歇流发生在气相和液相的流动形态刚由分层流转换成段塞流的区域。此时液膜区的油水两相仍然是完全分离的,看起来与分层-分离流相似,而液塞段的油水两相却是呈现出分散流动的特性,见图5。

Fig.5 Slug-intermittent flow图5 油气水三相段塞-间歇流

2.1.5 段塞-分散流(S-D) 随着气液速的增加,油水内部紊乱程度和气相对油水混合物的扰动加剧,导致液膜区的油水两相也形成分散流动,此时流型由段塞-间歇流转变成段塞-分散流,见图6。进一步增加气液速,在液膜区将形成小振幅的波浪。2.1.6 分层波浪-分散流(SW-D) 随着气相速度的增加,当气相足以冲破液塞,使液相不能充满整个管道而是以滚动波的形式向前流动时,形成分层波浪-分散流,见图7(a)。随着气相速度的增加,出现波浪的频率也随之增加。

Fig.6 Slug-Dispersed flow图6 油气水三相段塞-分散流

Fig.7 Stratified/Wavy-Dispersed flow图7 油气水三相分层波浪-分散流

进一步增加气相速度,由于毛细管力和剪切力的作用,将产生复杂的波状流动,部分液相以圆环的形式向前流动,此时的油气水三相流动形态与Acikgöz观测到的水基分散分层波浪流相似,见图7(b)。

本实验中,由于气相速度的范围相对较小,气相不足以形成连续气芯,所以没有发现油气水三相环状流。但是,此处的分层波浪-分散流与环状流的形成机理相似,属于段塞流向环状流转换的过渡流型。

2.2 油水反相

对于油气水三相流动,随含水率增加,开始时压降逐渐增大。当达到某一含水率时,压降将随含水率增加而减小,此时发生油水反相。图8是压降随气相折算速度的变化曲线。由图8可知,含水率小于0.3时,随含水率增加压降增大;含水率0.5时,压降呈现下降趋势,因此确定反相区域含水率在0.3～0.5内。

2.3 三相流型图

不同含水率下的油气水三相流型图见图9。这些流型图是以气相和油水混合物折算速度为横纵坐标绘制的,图中各点表示实验数据,实线表示Taitel模型预测值。

Fig.8 Pressure drop asa function of air superficial velocity图8 压降随气相折算速度变化曲线

对于气液两相流动特性来说,随含水率增加,气团流范围变化不大,而分层流、波浪流范围减小,段塞流范围增大,而且随含水率增大,这种趋势愈大。但是,当含水率为0.5时,由于油水混合物反相特性的影响,连续相由油相转变成水相,气液界面的滑移现象减弱,导致气液间扰动程度降低,使得油气水三相更容易产生分层流和波浪流,因此在含水率为0.5时的分层流和波浪流的范围增大,相对段塞流的范围减小(图9(c))。

对于油水混合物的流动特性来说,反相前,随含水率增大,油水界面的剪切力增大,混合物内部紊乱程度加大,因此更容易形成分散流动,则形成分离流或间歇流的区域减小;反相后,随含水率增大,油水混合粘度减小,混合物内部紊乱程度减轻,形成分离流或间歇流的区域增大见图9(c)。

2.4 模型比较

Taitel Y等[15]基于动量平衡理论提出了油气水三相流型预测模型。首先,总的液相高度和水相高度由消除动量方程中的压降项获得的两个联立的方程计算得出,然后确定流型转换边界。判别标准为:

其中:U是平均速度;ρ是密度;A是横截面面积;下脚标o,g分别表示油相、气相;hL是总的液相高度;D是管道内径;β是管道倾角;Sj是横截面上气液界面的周长。

如果(1)式不成立,流型为分层流;如果(1)式成立,当hL/D≥0.35时,流型为段塞流,当hL/D＜0.35时,流型为环状流。

由于Taitel流型预测模型没有考虑气团流和段塞流的转换边界及油水两相的流动特性,因此本次对比主要分析分层流向非分层流的转换边界及段塞流向环状流的转换边界。

由图9(a)可知,含水率为0.1时,模型预测值与实验数据对比:(1)分层流向非分层流转换边界与实验数据基本吻合;(2)段塞流向环状流转换边界向小气速方向略有偏移,即小部分段塞流实验数据点进入模型预测的环状流区域内。总体来说,低含水率下实验数据与模型预测值吻合较好。

含水率为0.3,0.5时(见图9(b),(c)),模型预测的段塞流区域小于实验得到的段塞流区域,即一些段塞流实验数据点进入模型预测的分层流或环状流区域,模型预测值与实验数据偏差较大。分析其原因是:Taitel预测方法采用均相模型来处理油水混合液的物性,而实验中观察到,在含水率相对较大时,油水两相容易产生分离流动,因此预测结果与实验数据对比有偏差。

Fig.9 Comparison of the experimental data to the transition boundaries of Taitel图9 实验数据与模型预测值的比较

3 结束语

本次研究在大量的油气水三相流动实验的基础上对三相流动规律进行了研究,对实验结果进行分析,可以得到以下结论:

以结合气液两相流动特性和油水两相流动特性的方法来定义油气水三相流型,实验中观测到六种流型:分层-分离流、气团-分离流、气团-分散流、段塞-间歇流、段塞-分散流、分层波浪-分散流。

对三相流动条件下的油水反相进行了研究。在含水率0.3～0.5内,压降和油水混合粘度均出现拐点,即发生油水反相。

分析了含水率变化对油气水三相流型的影响。反相前,随含水率增加,对于气液流动特性,实验表明段塞流更容易形成;对于油水两相流动特性,实验表明分散流更容易形成。反相后,趋势与之相反。

将实验数据与经典的Taitel模型预测结果进行了对比分析。低含水率下,实验数据与模型预测值吻合较好,含水率较大时,由于Taitel预测方法采用均相模型来处理油水混合液的物性,因此实验数据与模型预测值吻合度下降。

[1］王卫强,吴明,王勇,等.油气两相流温降计算方法的研究[J].辽宁石油化工大学学报,2007,27(2):42-44.

[2］窦丹,于达,宫敬.原油/水管流压降规律实验[J].石油化工高等学校学报,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］Acikgöz 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］赵京梅.水平管油气水三相分层流及段塞流研究[D].北京:中国石油大学博士学位论文,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

宫敬(1962-),女,辽宁庄河市,教授,博士。

国家自然科学基金资助项目(50674097);国家重大专项:深水流动安全保障与水合物风险控制技术(2008ZX05000-026-004)。

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

Received27M arch2011;revised15A p ril2011;accep ted17A pril2011