高气液比倾斜管临界携液流速研究

天然气在管道输送过程中,随着温度和压力的降低会产生凝析液,凝析液聚集在管道的低洼处形成积液,不仅堵塞管道影响输气效率,而且腐蚀管线。生产中,通常采用提高气速的方法排出管道积液,能够使得管道积液从低洼处被携出的最小气速为该管道的临界气速。文中根据倾斜管内液相的基本动量方程,进行适当假设,建立倾斜管临界携液模型,并设计地势起伏的管路与实验管架,进行不同工况的实验,以确定管道的临界携液气速。另外还挑选出合适的气液界面摩擦系数,代入临界气速方程进行求解。结果对实验值与模型计算值进行对比,吻合度较好,其中Linehan的气液界面系数更适用于黏度较小流体模型的计算,Wongwises的气液界面系数则更适用于黏度偏大的流体。     

复杂地形条件下气液两相混输工艺水力模型建立

随着普光气田的开发,关于复杂地形条件下的气液混输工艺计算模型,特别是湿气集输工艺计算模型成为研究的关键问题。针对低含液复杂地形条件,建立了水力计算模型,提出了气液界面的凹面湿壁分数、剪切应力以及摩擦因子计算闭合关系式。开展了室内实验,验证了压力与持液率计算模型的准确性,收集了普光气田的现场生产压力和清管积液量数据,计算的压降结果与生产数据之间的误差在±5%以内,积液量的预测结果误差在±10%以内,吻合较好,建立的模型可以用于该条件的工艺计算。     

基于文丘里管的页岩气试采期段塞流测量补偿方法

为探索页岩气段塞流气液两相流量的测量方法,以Chisholm模型为基础,利用量纲分析法建立了文丘里湿气虚高模型和液相求解方法,并用其预测段塞流液膜区的气液相流量测量。同时,假设段塞流的液塞区为均相流,基于段塞流闭合模型和文丘里均相流模型,建立了液塞区气液相流量与液膜区气相流量的关系。提出利用一种以管道压力信号、文丘里收缩段与扩张段差压信号判断液塞来临的新方法,并加入逻辑回归法提升对液塞来临判断的准确性。在间歇性段塞流某页岩气平台井口进行了19 d的在线测试比对,结果表明,与大型气液计量分离器相比,文丘里湿气测量系统在加入了段塞流补偿方法后,气相测量19 d累计偏差从14%改善至1.08%,液相累计偏差从-57%改善至-11%。     

气-液分层流界面波的实验研究及统计分析

用电导探针测量了水平及微倾斜上升和下降管内气 -液分层流瞬态液膜厚度 ,得到了不同的波形图 .用统计分析的方法研究了界面波信号的频谱特性 ,得到了不同倾角时管内分层流界面波各特征参数 ,如界面波振幅、波长、波速 ,并给出了各参数随气液折算速度和管子倾角的变化特性     

基于文丘里管的页岩气试采期段塞流测量补偿方法

为探索页岩气段塞流气液两相流量的测量方法,以Chisholm模型为基础,利用量纲分析法建立了文丘里湿气虚高模型和液相求解方法,并用其预测段塞流液膜区的气液相流量测量。同时,假设段塞流的液塞区为均相流,基于段塞流闭合模型和文丘里均相流模型,建立了液塞区气液相流量与液膜区气相流量的关系。提出利用一种以管道压力信号、文丘里收缩段与扩张段差压信号判断液塞来临的新方法,并加入逻辑回归法提升对液塞来临判断的准确性。在间歇性段塞流某页岩气平台井口进行了19 d的在线测试比对,结果表明,与大型气液计量分离器相比,文丘里湿气测量系统在加入了段塞流补偿方法后,气相测量19 d累计偏差从14%改善至1.08%,液相累计偏差从-57%改善至-11%。     

水平管气液两相分层流界面剪切预测研究进展

水平管气液两相分层流虽流型简单,但由于界面存在复杂的动量和能量传递,分层流的界面剪切预测至今没有一致的结论。本文从理论模型、实验模型、数值计算3个角度出发,详细阐述水平管气液两相分层流界面剪切预测的研究现状,得出不同研究方法的优势和缺陷。针对3种研究方法,指出理论模型通过模型简化和经验关联式来建立封闭模型,实验模型则在封闭关系上修正经验关联式,但由于简化假设和实验条件的限制,使得这两种研究方法对界面剪切应力的预测具有一定的局限性;数值计算能够弥补机理模型在流场细节等方面的不足,但能够提供界面剪切预测或封闭关系的工作很少。此外,对比了5种不同形式的已有模型对气液两相分层流持液率和压降预测的结果。最后展望了水平管气液两相分层流界面剪切预测的研究趋势,提出理论和实验研究需要提出更详细的局部模型,并考虑工程实际工况进行研究,发展针对气液界面计算的新方法,并为分层流提供封闭关系则是数值计算研究面临的挑战。     

湿气管道内气-油-水三相界面模型研究

随着普光气田的探测发现,国家加大对湿气田的探索开发。湿气管道内存在三相流动时,界面模型的选取对管线压降与管流平均持液率计算准确性具有一定影响。根据各界面模型对实验数据的计算效果,分析各界面模型的适用条件,为建立完善的湿气管道水力计算模型提供理论依据。     

湿天然气在上倾管道的气液两相流动特性研究

利用VOF (Volume of Fluid)模型模拟了湿天然气在上倾管道的气液两相流动特性。讨论了管道内气体入口流速对气液两相流动特性的影响。结果表明,当管道内气体入口流速较低时,由于气液界面的切应力小于液相在上倾段的重力分力,因此气体无法将液体携带至管道上倾段。随着气速的增加,气液界面的切应力逐渐增大,气液界面开始出现波纹,气体逐渐将液体携带并完全平铺于管道上倾段。     

基于环雾流理论的气井临界流速预测模型

井筒积液是伴随气井生产的常见现象，积液会导致气井产量降低，严重时甚至会使得气井停产。精确的积液预测有助于及时采取措施以减少积液带来的危害，而临界气体流速是气井积液预测的关键。回顾了气井积液预测的相关研究，指出了最小压降模型、液滴模型的局限性，基于现有实验观察认为液膜模型有较好的适用性。考虑到斜井中液膜周向不均匀分布及气相核心中液滴夹带，提出了更符合实际的环雾流模型用于不同管径、不同井斜角下的气井积液预测。基于以往室内实验数据和现场生产数据，将新模型与现有6种积液预测模型进行对比评价。综合考虑模型预测结果正确率及预测误差，认为新的环雾流模型较其他模型预测结果更优，可准确方便地对气井积液进行预测。     

小直径管道气液逆流的流体力学

文章提出了一种新反应器形式——小通道逆流反应器,考察了模型中单管道的进出口和管长对流体力学性能的影响。设计了管道的不同进出口结构,对比研究其液泛特性。结果显示:小直径管道的进出口结构对液泛特性有明显的影响,增加管子的进出口结构使液泛气速得到极大的提高。I管的进出口形式最圆滑,可以有效避免气、液在进出口处发生冲突。其液泛气速最高可达7.6 m/s,远远高于平切口管道内的操作气速,说明进出口越圆滑液泛气速越大。使用圆滑进出口的管道,考察了管长对液泛特性的影响。发现长度增大后,管道的液泛气速相差不大,但压降有所增大。小直径管子的压降很小(100 Pa/m左右),且变化平稳。     

A prediction model for the critical gas velocity and pressure gradient of continuous liquid-carrying in inclined pipes

A generic model for the prediction of critical gas velocity and pressure gradient in slightly inclined pipes (β ≤ 6°) is presented in this article. The gas–liquid configuration was determined based on the minimum energy principle and consideration of wettability and surface tension. A visualization experiment was conducted to obtain the critical gas velocity and the critical pressure gradient of a gas–liquid flow through the 40 and 60-mm pipe diameter. The theoretical study shows that the configuration is close to a convex interface shape at the critical conditions, which is in accord with the experimental phenomenon. Experimental study shows interfacial waves are the main cause of increased interfacial friction factor and a linear functional relationship between the inclination angle and the flow correction factor f(β). The results demonstrate that the new model is capable of providing satisfactory prediction results for the critical gas velocity, pressure drop, and liquid holdup.     

Stratified turbulent-turbulent gas-liquid flow in horizontal and inclined pipes

A two-dimensional model for stratified turbulent-turbulent gas-liquid flow in inclined pipes is proposed. The gas phase is treated as bulk flow, but an exact solution is carried out for the liquid phase, applying the eddy viscosity theory to model the turbulent viscosity. The interfacial structure is taken into consideration using appropriate correlations for the interfacial shear stress. The model is capable of predicting the liquid velocity field, holdup and pressure drop given gas and liquid flow rates, physical properties, pipe size, and angle of inclination. The results are substantially better than the prediction of Lockhart and Martinelli (1949) correlation and better than the Taitel and Dukler (1976) model for stratified flow.     

Liquid wall friction in two-phase turbulent gas laminar liquid stratified pipe flow

The main result of the present work is an analytic expression for the mean liquid wall shear stress in two-phase turbulent gas/laminar liquid stratified pipe flow. The Navier-Stokes equations are solved assuming a flat fluid-fluid interface subject to a constant interfacial shear — approximating the interfacial drag exerted by the gas. The effect of a pipe inclination is accounted for, thereby retaining the interesting two-phase phenomenon of backflow in upwardly inclined pipes. The corresponding expression for the wall shear stress distribution is obtained by formal differentiation. Its limiting behaviour in the triple points, where the fluid-fluid interface meets the pipe wall, is determined by residue calculus. The expression for the mean wall shear stress is given by integration. It is found to be a linear combination of two terms. The first term accounts for the free surface liquid flow in the absence of the gas. The corresponding approximate hydraulic diameter model is found to be in surprisingly good agreement with this term. The second term represents the shear flow associated with the interfacial drag exerted by the gas (not accounted for by the hydraulic diameter approximation). The shear flow increases the flow rate near the interface on behalf of the flow rate near the pipe wall, thus reducing the wall shear stress below the free surface flow value. Expedient evaluation of the expression for the mean wall shear stress, suitable for use in a 1-D multiphase pipe flow simulator, is facilitated by replacing certain one-parameter integrals with highly accurate rational approximations.     

竖直管外气液逆流环状降膜速度与温度分布

建立了竖直管外环状降膜气液逆流传热传质条件下稳态层流降膜一维速度分布和二维温度分布模型,以及膜厚和降膜表面热通量的数值计算方法。表面热通量的模型计算值与实验值在气体Reynolds数Re_g<1200的范围内吻合较好,表明基于界面摩擦因子求解模型的方法在两相均为层流条件下是可靠的。模型显示了降膜速度分布和温度分布的非线性特征,降膜表面附近陡降的温度梯度表明,减小膜厚是强化降膜传热传质过程的有效途径。     

基于段塞流捕捉的高黏油气两相流模型的建立与验证

随着传统油田的快速消耗,高黏稠油的开发逐渐引起了重视。有关高黏油的气液两相流研究主要集中在国外,国内的相关研究目前还较少。本文针对高黏油气混输管路,建立了一种捕捉段塞流的形成和发展过程,并进行两相流水力计算和液塞长度统计的组合模型。通过气液相间滑移速度和液相连续性方程的求解得到管路中不同时刻和位置的持液率,以持液率的变化反映段塞的形成和发展。建立气液动量守恒方程关联持液率和压力,得到管路中各位置的压力变化。闭合关系式中,通过液塞平移速度、壁面及气液相界面的剪切力关系式加入黏度的影响,最终建立适用于高黏油气两相流的段塞捕捉模型。使用不同来源的数据验证模型计算压降和液塞长度的准确性,数据分别来源于国外研究者的实验数据和大庆油田的现场数据。结果表明,模型具有较高的计算精度,大部分压降误差在±15%以内,大部分液塞长度误差在±20%以内。     

垂直管气液两相环状流的界面扰动波速度

在气液两相环状流中,界面波是两相间质量、动量和能量转移的重要载体,对其特性参数（波速、波频和波幅）的研究具有重要意义。首先根据气液两相流界面波分类,对其特征进行了定性描述。针对现有的界面剪切力推导了界面扰动波速度预测模型,考虑了气核中夹带液滴引起的密度增量及气核与液膜表面相对速度的影响,得到了改进的垂直管环状流扰动波速预测模型。针对工业现场工况压力较高现状,设计了基于近红外吸收衰减技术和互相关原理的界面波波速测量传感器,在五种压力（0.2～0.9 MPa） 154个界面波波动速度条件下进行了实验。结果表明,改进后模型预测效果良好,相对误差在±10%左右,在不同系统压力条件下具有一定外推性。