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%。     

水平管段塞流气弹区液膜特性研究

为了研究气液段塞流相界面的结构特征,采用了双平行电导探针技术对水平管内段塞流气弹区的液膜特性进行了实验测量,并基于一维双流体模型导出液膜厚度的控制方程,该方程对液膜厚度的预测结果与实验结果吻合良好。结合液膜厚度计算模型提出了计算段塞流的机理模型,该段塞流机理模型的计算结果表明对于液相表观速度较高而气相表观速度较低的段塞流,机理模型中忽略液膜非平衡性时得到的平均液膜厚度和气弹区长度明显偏低。     

水平管道油气二相段塞流稳态流动特性

使用通过自行设计并搭建的实验装置,对水平管道油气二相段塞流稳态流动特性进行了实验研究。采用压力信号互相关方法测量了段塞流平均液塞速度,通过分析得到了液塞速度、液塞长度和液塞频率随气、液相折算速度的变化规律。结果表明,当液相折算速度恒定时,随着气相折算速度的增大,液塞速度基本上呈线性增大,而液塞长度呈双曲线减小;当气相折算速度恒定时,随着液相折算速度的增大,液塞频率基本呈线性增大,而液塞长度呈双曲线减小。     

地形起伏管路气液两相段塞流模型研究

段塞流是气液两相流动中的一种常见流型,由于地形原因,管路多处于起伏状态,而目前国内外对起伏诱发的气液两相管路段塞流研究尚不成熟。针对实际气液两相管路中频繁出现的地形起伏段塞流,首先利用历史数据对现有段塞流模型的适用性进行了比较,建立了地形起伏状态下段塞流的液塞追踪修正模型,最后利用FLUENT软件进行了模拟,研究了管路起伏诱发状况对段塞流段塞分布、拐角处持液率、液塞长度和压降的影响,并将模拟压降与计算压降进行对比,结果表明建立的模型具有一定的精度,对于实际的地形起伏诱发段塞流管道的安全高效运行有一定的指导意义。     

水平管道气液两相段塞流参数计算的精确模型

分析了水平管内气液两相段塞流的运动特性和形态特征以及段塞单元内部的速度分布规律,建立了水平管路气液两相段塞单元的物理模型。将一个完整的段塞流单元分为液相段塞区和液层/气泡区,建立了液相段塞区的质量和动量守恒方程,计算了其压降和持液率;对液层区,模型考虑液层厚度分布不均(坡状液层)对参数计算的影响,通过建立局部控制方程,推导了液层高度随流动方向坐标变化的表达式,并将持液率和湿周写成液层高度的函数。通过与实验和其他模型的计算结果对比,本文建立的模型可以对压降和持液率有更准确的预测结果。     

湿气流量测量新方法

基于均相流假设,根据文丘里管两相流流量测量模型和空隙率定义式,结合气液两相流的差压瞬时值、流量瞬时值和空隙率瞬时值间存在的时间平均值关系,推导了湿气流量测量机理模型,并根据Froude准数对模型进行了修正。本文建立的湿气流量测量模型形式上为一经气、液密度和Froude准数修正的节流式流量测量关系式,该关系式将为湿气流动机理的研究提供有益的借鉴。实验结果表明,本文建立的湿气流量测量模型可用于湿气流量的测量,流量测量误差小于5%,满足实际测量的要求。     

水平管气液两相段塞流的波动特性

气液两相段塞流是液塞和长气泡在空间和时间上的交替,在流动过程中表现出间歇性和不稳定性。系统地研究了水平管中段塞流持液率、压力和压差的波动特性。结果表明,段塞流持液率的概率密度分布为双峰分布,高持液率峰对应于液塞区,低持液率峰对应于液膜区;在压力的概率密度分布中,当压力测试点到管道出口之间的段塞单元数目少时,压力分布出现双峰分布;当压力测试点到管道出口之间的段塞单元数目多时,压力分布出现单峰分布;压差信号分布呈单峰分布。这些特征为流型识别提供了可靠的段塞流标识。     

水平管段塞流持液率的波动特性

气液两相段塞流是液塞和长气泡在空间和时间上的交替,在流动过程中表现出间歇性和不稳定性.今对水平管中段塞流持液率的波动特性进行了分析.结果表明:在同一折算液速下,随着折算气速的增加,段塞单元的平均持液率和液膜持液率先快速下降再缓慢下降,而液塞持液率先缓慢下降再快速下降.段塞流持液率的概率密度分布为双峰分布,高持液率峰对应于液塞区,低持液率峰对应于液膜区;概率密度函数中较完好的峰所对应的持液率与光滑分层液膜区和液塞区的平均持液率相一致.     

基于截面气含率的文丘里湿气压降模型

运用两相流理论对湿气中的气相与液相流动进行分析,在分层流与环雾状流的条件下推导了两相流通过水平标准文丘里流量计的理论模型.通过分别考虑截面气含率、相间摩擦以及液滴夹带等因素,在文丘里轴向对湿气流动中的气相动量方程进行求解.通过对水平直管中的截面气含率公式进行修正,建立了适用于收缩管道的截面气含率模型,并在此基础上模拟了湿气流经标准文丘里时其两个取压孔之间的轴向静压分布.实验证实,使用修正后的截面气含率公式将使模型对文丘里压降的预测准确度明显提升,其相对误差在15%以内.该模型以湿气两相流在水平文丘里中的流动形态为依据,具有较充分的物理背景,而且在推导过程中较少依赖特定实验装置与数据,为建立具有一定普适性的文丘里湿气计量模型奠定了基础.     

上升管系统中严重段塞流的液塞速度特性

在海洋石油开采过程中,在较低的气液流速下上升管系统中易产生严重段塞流,其特点是压力波动剧烈、气液相流量变化大,并会带来多种危害。本文对上升管系统中严重段塞流四个阶段的液塞速度特性进行了深入地研究。结果表明：在液塞形成阶段,液塞速度随气液相折算速度的增大而线性增大;当气、液相折算速度恒定时,液塞速度随下倾管倾角的增大而稍有增大。在液气喷发阶段,液体在上升管中变加速流动,当液塞尾部到达上升管顶部时,速度达到最大值,液塞尾部到达上升管顶部时的瞬时流量远大于液塞流出阶段的液塞流量。气液相折算流速较小时液塞喷发过程更剧烈。     

基于行波法的段塞流瞬态捕捉模型建立与验证

气液两相流中，准确预测段塞流的特征参数具有重要的现实意义。Renault模型是基于非黏性Kelvin-Helmholtz（IKH）稳定性准则与黏性Kelvin-Helmholtz（VKH）稳定性准则建立的能够捕捉段塞前后界面运动的双流体模型，但该模型在液相单元格之间采用Riemann精确解，求解速度较慢。为简化计算，本文将行波法引入到Renault模型的液相方程求解过程，并对可能出现的干区用薄液膜代替，使行波法适用于所有计算单元，在保证模型精度的条件下，极大地提高了计算速度，运算时间相比Renault模型平均减少28%。对比本模型计算结果与室内小型环道实验数据，持液率与实测结果相一致，压降、段塞长度计算相对误差分别在25%、30%以内，且主要分布在20%以内。说明本文改进的瞬态段塞流模型具备运算快速、计算精度较高的特点，具有一定的工程应用价值。     

气液两相流在文丘里管内的流动压降特性研究

本文选用数值模拟方法对文丘里管内气相与液相的混合流体的流动进行模拟。选取收缩管段的四个截面来分析文丘里管的压强变化情况,得到文丘里管内的气液两相混合流体的流场分布以及流量、气液比、收缩管长对压降的影响。     

起伏湿气管路液塞速度特征数值模拟

为进一步认识起伏湿气管路流动现象,采用耦合水平集-体积分数法(CLSVOF)方法建立数值模型,对不同气液表观流速下液塞速度分布特征进行研究,并开展实验验证了模型的准确性。结果表明:数值模型可以有效地反映起伏湿气管路段塞流速度特征,其瞬态液速模拟结果具有较高的精度。管路截面液塞速度分布不均,其顶部速度明显大于底部,且一般在距离底部0. 030—0. 035 m范围内达到最大值。液塞截面速度随气液相流速增加而增加。随液速增加,部分液塞前锋速度存在突增,随气速增加,液塞逐渐呈现伪段塞特征。由截面三维速度分布可知,随液速降低和气速增加,截面水平方向液塞速度分布更加均匀。     

长槽道内文丘里湿气流量测量虚高特性

为了研究节流装置结构参数对湿气流量测量虚高特性的影响,设计了与传统文丘里管结构相对的边壁绕流型长槽道内文丘里节流装置,并对其湿气测量特性进行了实验研究,对比分析了节流装置水力直径和管道液相分布对虚高的影响。实验研究和理论分析表明,气相对液相加速的摩阻压降是影响虚高的重要因素,在相同工况条件下,节流装置流通区域的水力直径越小,液相分布越均匀,气液两相混合越充分,虚高值越大。对节流装置结构参数对虚高的影响进行了较为细致的分析,为基于边壁绕流型节流装置的湿气流量计的结构优化设计奠定了基础。     

应用文丘里管和空泡份额传感器测量油气两相流的实验研究

油气两相流流量测试技术一直是油田两相流研究的重要领域,对油井产能评估和油田的现场管理意义重大.但由于缺乏高精度的测量装置以及气液间滑速比的存在,一直很难获得高精度的两相流的相流量.今利用文丘里管和空泡份额传感器对油气两相流流量测试方法进行了理论和实验研究,首先采用辐射式的空泡份额传感器对流动管道的截面含气率进行了测量,进而计算得到混合物的密度;然后利用喉径比为0.45的经典文丘里管测量得到了两相流总质量流量.在此基础上,考虑了油、气两相界面滑速比对气相流量计算产生的影响,改进了传统的均相流模型,得到了气液两相流气相流量新的计算方法.实验结果表明,利用该方法计算得到的油气两相流总流量、液相流量以及气相流量都具有较高的精度,能够满足现场测试要求,从而为现场测量提供了一种新的计算方法.     

基于神经网络的水平文丘里湿气测量模型

文丘里流量计用于湿气测量需要对因液相的存在而产生的读数偏高（虚高）进行修正。文中分析了8个经典的文丘里湿气测量虚高模型的特点与局限，用分相模型理论结合神经网络曲线拟合方法得到了一个新的文丘里湿气测量模型，并对模型进行了验证，结果证明模型对文丘里湿气测量虚高特性的预测较准确，误差在5%以内。模型的适用范围宽，经大量实验验证并与8个传统模型作了对比，结果表明模型在压力P〖HTSS〗为0. 15～6. 0 MPa，孔径比β〖HTSS〗为0. 4～0. 75，气相Froude数Fr g为0. 5～5. 5，LM参数X为0. 002～0. 3，质量含气率x为0. 5～0. 99范围内均得到满意的预测结果。     

气液界面摩擦因子对分层流向段塞流过渡的影响

根据气液两相流段塞稳定性理论,结合分层流理想化模型,对直径2.54 cm水平管内空气-水两相流出现段塞流时的各相临界表观速度和临界液层高度进行了理论预测,并且分析了气液两相界面的摩擦因子对于预测流型转变的影响.由于在不同的气相流速范围内,段塞流由不同形式的界面波形成,当气相表观速度小于 4 m(s(1时,由大振幅波形成段塞流,而当气相表观速度大于 4 m(s(1,段塞流由小波长的滚动波合并而成,因而根据实测数据对界面摩擦因子的计算进行了补充修正,并且应用到对应的气相流速范围.基于所给出的计算方法解得发生分层流向段塞流转变的临界表观速度和临界液层高度,并和实验数据进行了比较. 结果表明所做的修正可以避免以往理论预测中出现的低估情况,求得的各临界特征参数值和实验结果吻合得较好.     

基于双锥流量计差压信号的气液两相流参数测量

设计了一种结构简单、加工工艺要求较低的双锥流量计,在此基础上提出了基于单个差压式流量计的气液两相流参数测量方法。提取双锥流量计差压波动信号的无量纲特征值,利用该参数建立气相体积含率的测量模型。通过对双锥流量计差压信号均值的分析表明,Lockhart-Martinelli常数与准气相流量比存在优良的线性关系,根据该线性关系建立了双锥流量计气液两相流流量测量模型。在气水两相流装置上开展了实验研究,结果表明,所建立的分相含率测量模型可在实验范围内对气相体积含率进行有效的测量,测量相对误差在8%以内;对气液两相流总流量和液相流量的测量误差可在5%以内。     

基于分相流模型的气液两相流流量测量

从伯努利方程出发,基于分相流模型,推导出气液两相流流过文丘里管的流量公式.在分析了两相流通过节流装置的实际流动情况后,作者认为气液两相滑移比是影响流量公式误差的一个重要因素.在理论与实验研究的基础上,作者提出了气液两相流流过文丘里管的滑移比经验关联式.利用作者提出的滑移比经验关联式和分相流模型的流量公式测量两相流流量,体积流量误差的均方根小于5.1%,表明该方法适用流过文丘里管的两相流流量测量,尤其对于两相流动激烈的两相相互作用区域,流量误差满足测量的要求.     

基于空隙率的油气两相流流量测量的研究

利用文丘里管进行油气两相流流量测量的研究,在考虑了气液滑移比对流量测量的影响,对均相流流量测量模型进行了修正,得到了空隙率和文丘里管两端差压与两相流总质量流量及液相质量流量的关系式。实验结果表明利用这两个关系式,在干度小于2％,空隙率在15%～83％范围内,总质量流量测量和液相质量流量测量的均方根误差均小于5％。针对不同的流型,对关系式中的系数作了修正计算,进一步降低了测量误差。