水平管油气水三相段塞流压降预测模型

高伟　高晓亮　马杨洋

1大庆油田工程有限公司　2辽河油田大力集团有限公司化工分公司　3青海油田钻采工艺研究院

水平管油气水三相段塞流压降预测模型

高伟1高晓亮2马杨洋3

1大庆油田工程有限公司2辽河油田大力集团有限公司化工分公司3青海油田钻采工艺研究院

油气水三相流动条件下，油水混合物黏度不但受油黏度、水黏度及含水率的影响，还与流动状态密切相关，缺乏可靠的黏度预测方程是导致段塞流压降预测精度不高的重要原因。为此建立了油气两相段塞流压降方程，并与油水混合物黏度预测模型融合，在油气水多相流实验环道上进行了实验验证，为提高油气水三相流压降预测精度提供了新的途径。

段塞流；油气水三相流；黏度；压降；模型

1　油气水三相流智能预测模型构建

1.1气液两相段塞流压降基本方程

油气水三相集输管路中段塞流是一种常见的间歇性流型，表现为液塞和气泡交替流过管道，液塞通过时会引起压力的剧烈波动。段塞流的一个段塞单元由液膜区和液塞区两部分组成，如图1所示。

图1　段塞单元示意图

流动过程中，油水在强烈搅拌和扰动作用下相互掺混，油水混合相对均匀，因此可以借鉴气液两相流动模型建立油气水三相段塞流压降方程[1]。加速压降所占比例很小，通常忽略不计，总压降主要由摩擦压降和重力压降决定，见式（1）。

摩擦压降是由壁面剪切应力以及相间剪切应力引起，分别计算液弹弹体区域和液膜区摩擦压降，则液塞单元摩擦压降可表示为

式中 ρs为液塞中油气水三相混合物密度，用式（3）计算。

重力压降可用式(4)计算。

以上各式中Lf为液膜区长度；Ls为液塞长度（m）；Wc为进口含水率（%）； αs为液塞含气率（%）；αG为液塞单元平均含气率； SL为液膜区液相湿周（m）；SG为液膜区气相湿周（m）；um为液塞区气液混合物流速（m/s）； A为管道截面积（m2）；τWG、 τWL分别为液膜区气、液相与管壁之间的剪切应力； fs为液塞区摩擦系数。以上计算方法见参考文献[1]。

式（2）中 τWG、 τWL、 fs与气相速度uG、液相速度uL、气相密度 ρG、液相密度 ρL、气相黏度μg、液相黏度 μL有关。除液相黏度外其余参数均能用现有方程准确确定，而流动状态下，液相黏度不但与油相黏度、水相黏度和含水率有关，还受管内油气水各相分布、气量大小等流动参数影响，液相油水混合物黏度的确定是本文要解决的关键问题。

1.2油水乳状液黏度预测模型

根据温度、压力计算油气水密度和黏度等物性参数。油水混合物黏度初值采用文献[2]推荐公式估算。

对于W/O型：

对于O/W型：

式中μo为油黏度（mPa·s）， μw为水黏度（mPa·s）。

2　实验测试系统与结果分析

实验在多相流实验环道上进行。环道全长380m，管道内径为0.081m，如图2所示。整个环道为水平布置，实验装置主要是由起点的油气水三相供应系统、大型实验环道、终点的分离系统以及控制和数据采集系统组成。环道沿程设置了压力、压差传感器，持液率采用双能伽马密度计进行测量。气相介质采用空气，液相介质采用润滑油HVIW150（型号为HviW150）。

图2　多相流实验环道流程

图3　模型预测值与实验值对比（Qg=100m3/h,Ql=3.7m3/h）

实验参数范围：气相折算速度为1.9～10m/s；液相折算速度为0.08～0.27m/s；液相含水率为10.0%～95.0%。

图3、图4分别为不同气液流量下压降预测结果与实验值的对比。由图3、图4可见，压降计算结果与实验值符合良好，最大误差8.78%。

图4　模型预测值与实验值对比（Qg=185m3/h,Ql=1.85m3/h）

3　结语

通过建立油气水三相段塞流基本方程并进行实验模拟测试，建立了高含水期油气集输管路流动特性智能预测模型，实现了压降的准确预测，为提高油气水三相流压降预测精度提供了新的途径。

[1]ZhangHQ，WangQ，SaricaC，etal．Unifiedmodelforgas-liquid pipeflowviaslugdynamics—part1:modeldevelopment[J]．Journal ofEnergyResourcesTechnology，2003，125（4）：266-273．

[2]陈宣政．垂直上升管内油气水三相流动特性的研究[D]．西安：西安交通大学，1992.

13009827523、gaoweidod@petrochina.com.cn

（栏目主持杨军）

天津LNG项目工程材料国产化率超过95%

11月28日，中国石化天然气分公司天津LNG项目施工现场，施工人员在储罐内对国产泡沫玻璃砖进行铺设前的质量检验，如左图。在设计领域，以往我国建设LNG接收站要从欧美购买工艺包，此次完全采用中国石化工程建设公司的工艺，在采购领域，工程材料国产化率超过95%，所用钢材全部由我国大型钢厂负责生产并制成各类构件。同时，项目部严格按照欧美及我国相关标准体系检测到货材料，在推动国产化的同时严控工程质量，精心打造优质工程。

胡庆明摄影报道

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.12.012

高伟：高级工程师，工程硕士，主要从事油气集输储运工程规划设计。

2015-09-01