水平管油氣水三相段塞流壓降預測模型

高偉　高曉亮　馬楊洋

1大慶油田工程有限公司　2遼河油田大力集團有限公司化工分公司　3青海油田鉆采工藝研究院

水平管油氣水三相段塞流壓降預測模型

高偉1高曉亮2馬楊洋3

1大慶油田工程有限公司2遼河油田大力集團有限公司化工分公司3青海油田鉆采工藝研究院

油氣水三相流動條件下，油水混合物黏度不但受油黏度、水黏度及含水率的影響，還與流動狀態密切相關，缺乏可靠的黏度預測方程是導致段塞流壓降預測精度不高的重要原因。為此建立了油氣兩相段塞流壓降方程，并與油水混合物黏度預測模型融合，在油氣水多相流實驗環道上進行了實驗驗證，為提高油氣水三相流壓降預測精度提供了新的途徑。

段塞流；油氣水三相流；黏度；壓降；模型

1　油氣水三相流智能預測模型構建

1.1氣液兩相段塞流壓降基本方程

油氣水三相集輸管路中段塞流是一種常見的間歇性流型，表現為液塞和氣泡交替流過管道，液塞通過時會引起壓力的劇烈波動。段塞流的一個段塞單元由液膜區和液塞區兩部分組成，如圖1所示。

圖1　段塞單元示意圖

流動過程中，油水在強烈攪拌和擾動作用下相互摻混，油水混合相對均勻，因此可以借鑒氣液兩相流動模型建立油氣水三相段塞流壓降方程[1]。加速壓降所占比例很小，通常忽略不計，總壓降主要由摩擦壓降和重力壓降決定，見式（1）。

摩擦壓降是由壁面剪切應力以及相間剪切應力引起，分別計算液彈彈體區域和液膜區摩擦壓降，則液塞單元摩擦壓降可表示為

式中 ρs為液塞中油氣水三相混合物密度，用式（3）計算。

重力壓降可用式(4)計算。

以上各式中Lf為液膜區長度；Ls為液塞長度（m）；Wc為進口含水率（%）； αs為液塞含氣率（%）；αG為液塞單元平均含氣率； SL為液膜區液相濕周（m）；SG為液膜區氣相濕周（m）；um為液塞區氣液混合物流速（m/s）； A為管道截面積（m2）；τWG、 τWL分別為液膜區氣、液相與管壁之間的剪切應力； fs為液塞區摩擦系數。以上計算方法見參考文獻[1]。

式（2）中 τWG、 τWL、 fs與氣相速度uG、液相速度uL、氣相密度 ρG、液相密度 ρL、氣相黏度μg、液相黏度 μL有關。除液相黏度外其余參數均能用現有方程準確確定，而流動狀態下，液相黏度不但與油相黏度、水相黏度和含水率有關，還受管內油氣水各相分布、氣量大小等流動參數影響，液相油水混合物黏度的確定是本文要解決的關鍵問題。

1.2油水乳狀液黏度預測模型

根據溫度、壓力計算油氣水密度和黏度等物性參數。油水混合物黏度初值采用文獻[2]推薦公式估算。

對于W/O型：

對于O/W型：

式中μo為油黏度（mPa·s）， μw為水黏度（mPa·s）。

2　實驗測試系統與結果分析

實驗在多相流實驗環道上進行。環道全長380m，管道內徑為0.081m，如圖2所示。整個環道為水平布置，實驗裝置主要是由起點的油氣水三相供應系統、大型實驗環道、終點的分離系統以及控制和數據采集系統組成。環道沿程設置了壓力、壓差傳感器，持液率采用雙能伽馬密度計進行測量。氣相介質采用空氣，液相介質采用潤滑油HVIW150（型號為HviW150）。

圖2　多相流實驗環道流程

圖3　模型預測值與實驗值對比（Qg=100m3/h,Ql=3.7m3/h）

實驗參數范圍：氣相折算速度為1.9～10m/s；液相折算速度為0.08～0.27m/s；液相含水率為10.0%～95.0%。

圖3、圖4分別為不同氣液流量下壓降預測結果與實驗值的對比。由圖3、圖4可見，壓降計算結果與實驗值符合良好，最大誤差8.78%。

圖4　模型預測值與實驗值對比（Qg=185m3/h,Ql=1.85m3/h）

3　結語

通過建立油氣水三相段塞流基本方程并進行實驗模擬測試，建立了高含水期油氣集輸管路流動特性智能預測模型，實現了壓降的準確預測，為提高油氣水三相流壓降預測精度提供了新的途徑。

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

[2]陳宣政．垂直上升管內油氣水三相流動特性的研究[D]．西安：西安交通大學，1992.

13009827523、gaoweidod@petrochina.com.cn

（欄目主持楊軍）

天津LNG項目工程材料國產化率超過95%

11月28日，中國石化天然氣分公司天津LNG項目施工現場，施工人員在儲罐內對國產泡沫玻璃磚進行鋪設前的質量檢驗，如左圖。在設計領域，以往我國建設LNG接收站要從歐美購買工藝包，此次完全采用中國石化工程建設公司的工藝，在采購領域，工程材料國產化率超過95%，所用鋼材全部由我國大型鋼廠負責生產并制成各類構件。同時，項目部嚴格按照歐美及我國相關標準體系檢測到貨材料，在推動國產化的同時嚴控工程質量，精心打造優質工程。

胡慶明攝影報道

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.12.012

高偉：高級工程師，工程碩士，主要從事油氣集輸儲運工程規劃設計。

2015-09-01