多相管流相關規律研究

朱 旭，冶克杰，楊 鵬，顧 騰

（1. 青海油田公司澀北作業公司， 青海 格爾木 816000； 2. 青海油田英東采油廠， 青海 德令哈 816400）

多相管流相關規律研究

朱 旭1，冶克杰1，楊 鵬1，顧 騰2

（1. 青海油田公司澀北作業公司， 青海 格爾木 816000； 2. 青海油田英東采油廠， 青海 德令哈 816400）

深入研究多相流動規律對油田生產具有重要的指導意義。通過對多相流動常見模型的計算，比較和分析，得到：不同計算模型有其適用的工況，目前來說沒有一種模型適合于所有情況；針對不同工況，對選出符合的計算模型；在文中給定的條件下，Dukler法和BBM法具有較好的計算結果，相對誤差不大于5%，且Dukler計算結果較BBM計算結果大。當原油量一定時，隨著氣油比或含水率增大，總體壓降均增大；隨著總傳熱系數增大，管道壓降稍微減小，且當總傳熱系數達到一定值時，對管道壓降幾乎沒有影響。

多相流動；壓降；模型；敏感性；規律

隨著原油的開采，會有一部分天然氣因壓力的降低而分離出來，在管道中形成油氣兩相流動或三相流動[1]。氣液（水）多相流動相對于單相流動具有其特殊的規律，深入研究其流動規律對指導油田生產具有重要的指導意義[2]。研究多相流動規律，合理設計集輸流程，可加速油氣田的開發，降低初期和運行投資，減少運行費用和簡化操作流程，具有明顯的經濟效益[3]。這在一些海洋、沙漠等特殊油田顯的更為重要。至今，多相流動的準確計算仍然是一個有待深入研究的課題，特別是油氣水三相流動。油氣開采和集輸中均為多相流動，因此針對特定工況進行相應計算公式的選擇就顯得尤為重要。

這里首先介紹幾種常見的計算模型，然后篩選出適合于給定工況下的計算模型，最后研究分析氣油比，含水率，總傳熱系數和液相輸量對多相流動的影響。

1 多相流動計算模型

氣液（水）多相流動流態多種多樣，界限也不十分清晰，嚴格說來是很難明確區分，因此多相流的計算也就顯得十分復雜。經過深入調研，這里列舉五種常見多相流動計算模型。

1.1 貝格斯—布里爾（BBM）模型

貝格斯—布里爾從能量守恒方程[4]出發，得到了考慮管路起伏影響的兩相管路壓降梯度計算式。它即適用于水平管路，又可用于傾斜管路。

式中：

g -重力加速度，m/s2;

Ω -混合物速度，m/s;

d -管直徑，m;

λ -混輸摩阻系數，無因次;

G -混合物質量流量，kg/s;

θ -管段傾角，(°);

dl -管段長度，m;

ωsg-氣相折算速度，m/s;

ρl-液相密度，kg/m3;

ρg-氣相密度，kg/m3。

當截面含液率等于1或0時，該式即為單相液體或單相氣體管路的壓降梯度計算公式。

1.2 洛克哈特—馬蒂內利（LM）方法

洛克哈特（Lockhart）和馬蒂內利（Martinelli）于1940年最先提出水平管中兩相流動壓降的一般規律[5]。他們使用空氣—液體（如水、煤油、苯及其他油類）混合物在不同管徑，管長，流體粘度，輸送壓力和溫度條件下進行試驗。早期該方法視為較優的一種計算模型。今天，這種方法仍然廣泛應用于各工業系統中，獲得了較好的計算結果。在LM方法中，認為氣液兩相壓降可按照單相流動壓降來計算。

式中：

Δp—總壓降，Pa;

λ1—液相沿程摩阻系數，無因次;

λg —氣相沿程摩阻系數，無因次;

L —管道長度，m;

ν1—液相速度，m/s;

νg —氣相速度，m/s。

1.3 杜克勒（Dukler）方法

根據氣液兩相的速度是否相同和相間是否存在滑脫損失，杜克勒（Dukler）把兩相管路壓降的計算分為兩種情況，即杜克勒I和Ⅱ法。杜克勒I法假設氣液兩相在管路內混合得非常均勻，符合均相流模型的假設條件。可把氣液兩相管路當作單相管路進行水力計算，只是在計算中用氣液混合物的各項參數取代的單相流體的參數。即管路的壓降梯度用達西公式計算。

其中，λ采用1930年化學工程師協會發表的計算式：

杜克勒Ⅱ法考慮了實際管路中氣液兩相流速的不等且相間存在滑脫。只有在非常高的流速下才可近似認為相間無滑脫。他利用相似理論并假設沿管長氣液相間恒定的滑動比，建立了相間有滑脫時管路壓降梯度的計算方法，即杜克勒Ⅱ法。

1.4 丹斯—若斯（DR）方法

若斯（Ros）于1961 年研究了鉛直管中氣液兩相流動中的相關規律。1963 年丹斯（Duns）和若斯對以上成果進行了擴充和改進。改進后的計算公式得到了較好的計算效果[6]。

其中，1pΔ是由于流動的摩擦阻力而引起的壓差；2pΔ是由于管道進出口高程的不同而引起的壓差；3pΔ是由于管流加速運動而引起的壓差。

1.5 哈格多恩—布朗（HB）方法

對于油、氣、水三相混合物在鉛直管中的流動，哈格多恩（Hagedorn）和布朗（Brown）于1965年基于單相流體的機械能量守恒定律[7]，在Δz管段上得出了壓力梯度的計算公式。

λ—摩阻系數，無因次;

Q0—油品流量，m3/s;

G1—伴隨每生產1 m2地面脫氣原油的油、氣、水的總質量，kg/m3;—混合物平均速度，m/s。

2 計算模型選擇

對某一集輸管道，利用不同計算模型進行計算，將計算結果與實際情況相比較，篩擇出適合于該多相流動的計算模型。集輸管道具體參數如下：

管徑為0.282 m，天然氣密度為0.711 kg/m3，原油密度為594.8 kg/m3，起點溫度為30 ℃，總傳熱系數為4.02 W/(m2/℃)，液體輸量為16.83 m3/h，天然氣輸量為47 000 m3/h。沿線地形數據見表1。

利用5種計算模型分別對上述集輸管道進行計算，計算結果如表2所示。其中：絕對誤差=實際值-計算值；相對誤差=（實際值-計算值）/實際值。

表1 沿線地形數據Table 1 Profile data of pipeline

表2 五種模型計算結果與誤差Table 2 Results of five models and errors

通過計算可以看出，對于該工況，Dukler法和BBM法計算效果最好，其次是HM法。LM法和DR法效果最差，且超過工程所允許的誤差值10%。

3 敏感性分析

影響多相流動的因素有很多，這里主要討論氣油比，含水率和總傳熱系數對流動的響。分析結果有助于深入理解井筒和集輸管網的流動。這里分別利用BBM法和Dukler法進行分析。

3.1 氣油比

氣油比的大小決定多相流動中含氣量。當原油量一定時，隨著氣油比的增大，氣體越多，流速越大，引起的相間滑脫損失和加速損失越大，總的壓降也就越大。即隨著氣油比增大總體壓降增大（這里管道末點壓力一定，總體壓降表現為起點壓力，下同）。如圖1所示，BBM法和Dukler法均表現出相同的趨勢，但Dukler法計算結果較BBM法大。

圖1 管道起點壓力隨氣油比變化規律Fig.1 Relationship between inlet pressure and gas-oil ratio

3.2 含水率

初始給定的工況中不含水，即兩相流動。這里為了討論水的增加對流動的影響情況。在計算中，保證原油量和氣油比恒定，逐漸增大含水率，得到管道總體壓力損失變化情況，結果如圖2所示。在水存在條件下隨著流動剪切和過泵剪切，油品和水形成乳狀液，使得粘度增大，流動性受阻，表現為總體壓降增大。即隨含水率增大管道起點壓力增大（末點壓力恒定）。BBM法和Dukler法均表現出相同的規律，且Dukler法計算結果較BBM法大。

圖2 起點壓力隨含水率的變化情況Fig.2 Relationship between inlet pressure and water cut

3.3 總傳熱系數

不同季節或同一條管道的不同區域，其周圍的土壤導熱系數不盡相同，影響管道的溫度分布。而油品黏度受溫度影響較大，進而表現為壓降的不同。這里為了分析管道總傳熱系數對多相流動的影響，依次改變總體傳熱系數得到壓力變化情況，如圖3所示。

圖3 起點壓力隨總傳熱系數變化情況Fig.3 Relationship between inlet pressure and overall coefficient of heat transfer

BBM法和Dukler法計算結果可以看出，隨著總傳熱系數增大，管道起點壓力均稍微減小，這是因為輸送的混合物中氣油比較大，含氣量較多，原油量較小。當總傳熱系數增大時，沿線溫度逐漸減小，氣體體積的減小產生的摩阻減小值較少量原油粘度增大產生的摩阻增大值略大。從而表現為隨總傳熱系數增大，起點壓力稍微減小，且當總傳熱系數達到一定值時，對管道壓降幾乎沒有影響。

4 結束語

在原油開采，集輸等過程中，往往伴隨著多相流動，而多相流動較單相流動有其復雜性，深入研究其流動規律對油田生產具有重要的指導意義。通過調研介紹了幾種常用的計算模型，并對各計算模型進行比較，篩選出較好的模型，最后對氣油比，含水率和總傳熱系數的影響情況進行分析，得出如下結論：

（1）不同計算模型有其適用的工況，目前來說沒有一種模型適合于所有情況；

（2）針對不同工況，對不同模型進行計算比較;篩選出符合的計算模型；

（3）在文中給定的條件下，Dukler法和BBM法具有較好的計算結果，相對誤差不大于5%，且Dukler計算結果較BBM計算結果大。

（4）當原油量一定時，隨著氣油比或含水率增大，總體壓降均增大；

（5）隨著總傳熱系數增大，管道壓降稍微減小，且當總傳熱系數達到一定值時，對管道壓降幾乎沒有影響。

［1］宮敬. 混相輸送技術與應用[J]. 油氣儲運, 2003, 22(9): 35-38.

［2］宋承毅. 石油工業多相混輸技術研究進展[J]. 油氣儲運, 2003, 22(9)：26-29.

［3］劉定智. 多相混輸技術的研究及其應用[J]. 西南石油學院，2003(6): 57-65.

［4］崔海清. 工程流體力學[M]. 北京：石油工業出版社.

［5］H.I.Bilgesu, Joseph Ternyik. A New Multi-Phase Flow Model for Horizontal. Inclined and Vertical Pipes[C]. SPE 29166: 87-94.

［6］陳杰，孫紅彥，梁志鵬，等. 水平管內油水兩相流流型的實驗研究[J].油氣儲運, 2000, 19(12). 27-31.

［7］李玉星, 馮叔初, 范傳寶. 多相混輸管道溫降的計算[J]. 油氣儲運,2001,20(9):32-35.

Research on Multiphase Flow Characteristics

ZHU Xu1，YE Ke-jie1，YANG Peng1，GU Teng2
（1. Qinghai Oilfield Company Sebei Operating Branch, Qinghai Golmud 816000，China；2. Qinghai Oilfield Company Yingdong Oil Production Plant , Qinghai Delingha 816400，China）

Research on multiphase flow characteristics has important guiding significance to oilfield production. In this paper, several common models of the multiphase flow were computed, compared and analyzed. It’s pointed out that, every model has its application condition, and no one can adapt to all conditions; aimed at different conditions, the most adaptable model should be selected; under the specific background depicted in the essay, Dukler and BBM methods have better calculation results, whose errors are not bigger than 5% ,and the result calculated by Dukler method is larger than that calculated by BBM method; when quantity of crude is constant, pressure loss of the multiphase pipeline increases with increasing of both gas-oil ratio and water cut; the pressure loss has a slight decrease with increasing of the overall heat transfer coefficient, but when the overall heat transfer coefficient reaches to certain value, the pressure loss does not nearly change.

Multiphase; Pressure loss; Model; Sensibility; Characteristics

TE 863

： A

： 1671-0460（2015）02-0414-03

2014-08-29

朱旭（1990-），男，陜西藍田人，助理工程師，2012年畢業于西南石油大學，研究方向：從事油氣田開采集輸方面工作。E-mail：zhuxu_qinghai@sina.com。