CN104897364B - 一种水平及微倾斜管内气液两相水动力段塞流的判别方法 - Google Patents

一种水平及微倾斜管内气液两相水动力段塞流的判别方法 Download PDF

Info

Publication number
CN104897364B
CN104897364B CN201510333791.4A CN201510333791A CN104897364B CN 104897364 B CN104897364 B CN 104897364B CN 201510333791 A CN201510333791 A CN 201510333791A CN 104897364 B CN104897364 B CN 104897364B
Authority
CN
China
Prior art keywords
phase
liquid
flow
represent
gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201510333791.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104897364A (zh
Inventor
郭烈锦
程兵
李清平
李文升
姚海元
谢晨
周宏亮
秦蕊
王凯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
China National Offshore Oil Corp CNOOC
CNOOC Research Institute Co Ltd
Original Assignee
China National Offshore Oil Corp CNOOC
CNOOC Research Institute Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by China National Offshore Oil Corp CNOOC, CNOOC Research Institute Co Ltd filed Critical China National Offshore Oil Corp CNOOC
Priority to CN201510333791.4A priority Critical patent/CN104897364B/zh
Publication of CN104897364A publication Critical patent/CN104897364A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104897364B publication Critical patent/CN104897364B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Measuring Volume Flow (AREA)
  • Pipeline Systems (AREA)

Abstract

本发明公开了一种水平及微倾斜管内气液两相水动力段塞流的判别方法，包括以下步骤：1)在漂移流关系式的基础上，基于实验结果得到的液相相含率HL‑EXP，改进漂移速度U0的表达式，改进后的U0为液相折算速度USL的函数；2)根据U0随USL的变化规律关系式，绘制漂移速度U0随液相折算速度USL的曲线，并根据曲线形态判断气液两相水动力段塞流，具体的判断准则为：当漂移速度U0随液相折算速度USL的增大而递增时，管道内的流道为分层流；当漂移速度U0出现由递增变为递减的拐点时，管道内的流动由分层流开始转变为段塞流；在漂移速度U0的递减段，当出现曲线线型发生变化的转折点时，管道内的流动由段塞流开始转变为泡状流。

Description

一种水平及微倾斜管内气液两相水动力段塞流的判别方法
技术领域
本发明涉及一种水平及微倾斜管内气液两相水动力段塞流的判别方法，属于海洋石油工程领域。
背景技术
在海洋油气生产过程中，正确预测气液多相管内的流型对实际工业生产的设计、监测及控制均有重要的意义，而发生在倾斜管道内的段塞流由于其气液相间歇流动的特性，对油气生产和储运的安全构成危险因素，因此是油气输送过程中尤为关注的多相流问题。目前，国内外已有众多研究者提出了段塞流的理论预测模型，例如Kordyban与Ranov、Taitel与Dukler、Lin与Hanratty、Ruder与Hanratty等人。他们的理论预测模型大多基于K-H不稳定性理论或者界面波的不稳定性理论，虽然能够成功预测分层流到段塞流的转变界限，但各个理论的适应范围皆有局限，例如粘性对K-H不稳定性理论有明显影响，由此有研究者提出了VKH不稳定性理论，考虑液相粘性对界面波发展的影响，有效扩充了K-H不稳定性理论的适应范围，但实际段塞流气塞过程极为复杂，理论预测模型很难充分考虑各个因素对的影响。且在折算气速较低的情况下，VKH与IKH尚有一定不足。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种操作简单、判别准确的水平及微倾斜气液两相水动力段塞流的判别方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种水平及微倾斜管内气液两相水动力段塞流的判别方法，包括以下步骤：
1)在漂移流关系式的基础上，基于实验结果得到的液相相含率HL-EXP，改进漂移速度U0的表达式，改进后的U0为液相折算速度USL的函数：
U0(USL)＝UG-UM＝USG/(1-HL-EXP)-UM
＝(UM-USL)/(1-HL-EXP)-UM
上式中，UG表示气相速度；UM表示气液两相的混合速度；U0表示气泡在静止液体中的上升速度(也称漂移速度)；USL表示液相折算速度；USG表示气相折算速度；
2)根据U0随USL的变化规律关系式，绘制漂移速度U0随液相折算速度USL的曲线，并根据曲线形态判断气液两相水动力段塞流，具体的判断准则为：当漂移速度U0随液相折算速度USL的增大而递增时，管道内的流道为分层流；当漂移速度U0出现由递增变为递减的拐点时，管道内的流动由分层流开始转变为段塞流；在漂移速度U0的递减段，当出现曲线线型发生变化的转折点时，管道内的流动由段塞流开始转变为泡状流。
在所述步骤2)判断准则的基础上，以液塞区体积分数α作为水动力段塞流的量化判据，具体判定方式如下：当α＜0时即表示管道中没有液塞区域，即为分层流；当0＜α＜1时，表示管道中有液塞区以及Taylor气泡区，此时流动为段塞流；当α＞1时，表示液塞区充满整个管道，此时流动为泡状流；
其中，液塞区体积分数α的物理意义为：液塞区长度占总管长的比例，其表达式如下：
α＝(HL-av-HL-ST)/(HL-SL-HL-ST)
上式中，HL-av表示管内的总体平均液相相含率；HL-ST表示Taylor气泡区的液相相含率；HL-SL表示液塞区的液相相含率。
液塞区体积分数α表达式中的HL-av、HL-ST和HL-SL由下式得到：
HL-av＝1-USG/UG＝(USL+U0(USL))/(UM+U0(USL))
HL-ST＝1-USG-ST/UG-ST＝(USL-ST+U0(USL-ST))/(UM+U0(USL-ST))
HL-SL＝1-USG-SL/UG-SL＝(USL-SL+U0(USL-SL))/(UM+U0(USL-SL))；
上式中，USL-ST表示Taylor气泡区的液相折算速度；USG-ST表示Taylor气泡区的气相折算速度；UG-ST表示Taylor气泡区的气相速度；USL-SL表示液塞区的液相折算速度；USG-SL表示液塞区的气相折算速度；UG-SL表示液塞区的气相速度。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明基于漂移流模型以及改进的漂移速度U0的表达式提出了一种简洁的水动力段塞流判别方法；2、提出了液塞区体积分数的概念，作为水动力段塞流的判别准则，结合1中的判别方法，能够实现管内水动力段塞流与分层流、泡状流的快速区分。
附图说明
图1 U0(USL)随USL变化规律(局部，UM＝10m/s)；
图2对数坐标下U0(USL)随USL变化规律(UM＝10m/s)；
图3本发明模型预测结果与经典预测模型的比较；
图4水平管段塞流示意图；
图5 U0(USL)随USL变化规律示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明提出了一种水平及微倾斜气液两相水动力段塞流的判别方法，它包括以下步骤：
1)在漂移流关系式的基础上，基于实验结果得到的液相相含率HL-EXP，改进漂移速度U0的表达式，使之能够适应低气液流速的流动工况，具体过程如下：
①将漂移流关系式UG＝CUM+U0结合两相流表观气速与气相速度的关系USG＝UGHG以及液相、气相相含率的关系HL+HG＝1，可以得到液相相含率HL的表达式：HL＝1-USG/(CUM+U0)；
上式中，UG表示气相速度；UM表示气液两相的混合速度；CUM表示气相速度中由于管内流动引起的速度分量，其中C为分布参数(为漂移流模型的专用名词)；U0表示气泡在静止液体中的上升速度(也称漂移速度)；HL、HG分别表示液相与气相的相含率；USG表示气相折算速度。
②经过大量的实验验证，分布系数C的值约等于1，结合两相流混合速度的定义式UM＝USL+USG，可以将液相相含率HL的表达式简化为：
HL＝(USL+U0)/(UM+U0)
上式中，USL表示液相折算速度；
但以上漂移流模型有一个典型的局限：不适应于液相折算速度较低的情况。当液相折算速度USL趋近于0时，液相相含率并不趋近于0，而是某一固定值：
HL＝U0/(UM+U0)
③由于上述液相相含率HL的表达式不能反映真实的物理过程，因此本实施例采用由实验结果得到的液相相含率HL-EXP代替，此时由两相流表观气速与气相速度的关系式，可以得到U0随USL的变化规律：
U0(USL)＝UG-UM＝USG/(1-HL-EXP)-UM
＝(UM-USL)/(1-HL-EXP)-UM
当UM为固定值时，U0(USL)可以视为USL的函数。对于上式中的液相相含率HL-EXP，本实施例采用Bhagwat在2014基于实验结果修正的漂移流模型计算，Bhagwat模型修正了传统漂移流模型不能适用于低液相折算速度的局限，其计算结果与实验结果较为接近。
2)根据U0随USL的变化规律关系式，绘制漂移速度U0随液相折算速度USL的曲线，并根据曲线形态判断气液两相水动力段塞流，具体的判断准则为：当漂移速度U0随液相折算速度USL的增大而递增时，管道内的流道为分层流；当漂移速度U0出现由递增变为递减的拐点时，管道内的流动由分层流开始转变为段塞流；在漂移速度U0的递减段，当出现曲线线型发生变化的转折点时，管道内的流动由段塞流开始转变为泡状流。
下面举例说明上述判断准则的适用性：
图1为气、液两相混合速度不变的前提下(UM＝10m/s)，采用Bhagwat模型得到的常压下内径为50.8mm的水平圆管内空气、水两相流的漂移速度U0随液相折算速度USL的变化规律，由图中可以看出，随着液相速度的增大漂移速度先增大后减小，采用Taitel在1976年得到的流型图判断发现在图1中虚线左侧区域为分层流，而右侧区域为段塞流。由此可以看出，当漂移速度U0处于拐点位置时，管内流型由分层流转变为段塞流，从而可以判断水动力段塞的形成。图2为UM＝10m/s时(USL＝0.001～9.999m/s)U0随USL的变化规律，为突出显示各流型的区域，横坐标采用对数坐标的形式，图中两条虚线分别表示：分层流与段塞流的边界(左侧)，以及段塞流与泡状流的边界(右侧)；图2中左侧虚线即图1中的虚线，而漂移速度右侧虚线所处位置处有一个微小的转折点，原因是由于段塞流与泡状流时相分布的差异，造成漂移速度随折算液速的变化规律在段塞流区域与泡状流区域并不一致，因此右侧虚线为段塞流与泡状流的边界，可以作为水动力段塞流消失的判别准则。
为进一步验证此种判别方法的有效性，分别针对不同的混合速度得到了流型转变的临界气、液相折算速度，并与Taitel得到的经典段塞流判别准则进行比较(如图3所示)，由图可以看出，本发明多得到的段塞流发生区域的临界气、液相流速与经典的Taitel与Dukler模型基本一致。
本发明所提出的分层流到水动力段塞流的转换边界的物理意义解释如下：当两相混合速度固定不变时，在分层流区域，漂移速度随的折算液速的增加而增加；随液相流速继续增大，流动转变为段塞流，此时由于管内气相相分布发生变化，以长气泡的形式流动，因此其漂移速度会逐渐降低；液相流速进一步增大，长气泡破碎成为弥散的小气泡，漂移速度进一步降低，直至漂移速度减小至一定值后趋于稳定，此时气、液两相间基本无滑移。
3)基于步骤2)所提出的判断准则的基础上，提出液塞区体积分数α的概念，其可以作为水动力段塞流的量化判据，具体判定方法如下：当α＜0时即表示管道中没有液塞区域，即为分层流；当0＜α＜1时，表示管道中有液塞区以及Taylor气泡区，此时流动为段塞流；当α＞1时，表示液塞区充满整个管道，此时流动为泡状流。
其中，液塞区体积分数α的物理意义为：液塞区长度占总管长的比例，其表达式如下：
α＝(HL-av-HL-ST)/(HL-SL-HL-ST)
上式中，HL-av表示管内的总体平均液相相含率；HL-ST表示Taylor气泡区的液相相含率；HL-SL表示液塞区的液相相含率。
其中：HL-av、HL-ST和HL-SL可通过下式得到：
HL-av＝1-USG/UG＝(USL+U0(USL))/(UM+U0(USL))
HL-ST＝1-USG-ST/UG-ST＝(USL-ST+U0(USL-ST))/(UM+U0(USL-ST))
HL-SL＝1-USG-SL/UG-SL＝(USL-SL+U0(USL-SL))/(UM+U0(USL-SL))
上式中，USL-ST表示Taylor气泡区的液相折算速度；USG-ST表示Taylor气泡区的气相折算速度；UG-ST表示Taylor气泡区的气相速度；USL-SL表示液塞区的液相折算速度；USG-SL表示液塞区的气相折算速度；UG-SL表示液塞区的气相速度。
本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (3)

1.一种水平及微倾斜管内气液两相水动力段塞流的判别方法，包括以下步骤：
1)在漂移流关系式的基础上，基于实验结果得到的液相相含率HL-EXP，改进漂移速度U0的表达式，改进后的U0为液相折算速度USL的函数：
U0(USL)＝UG-UM＝USG/(1-HL-EXP)-UM
＝(UM-USL)/(1-HL-EXP)-UM
上式中，UG表示气相速度；UM表示气液两相的混合速度；U0表示称漂移速度，即气泡在静止液体中的上升速度；USL表示液相折算速度；USG表示气相折算速度；
2)根据U0随USL的变化规律关系式，绘制漂移速度U0随液相折算速度USL的曲线，并根据曲线形态判断气液两相水动力段塞流，具体的判断准则为：当漂移速度U0随液相折算速度USL的增大而递增时，管道内的流道为分层流；当漂移速度U0出现由递增变为递减的拐点时，管道内的流动由分层流开始转变为段塞流；在漂移速度U0的递减段，当出现曲线线型发生变化的转折点时，管道内的流动由段塞流开始转变为泡状流。
2.如权利要求1所述的一种水平及微倾斜管内气液两相水动力段塞流的判别方法，其特征在于：在所述步骤2)判断准则的基础上，以液塞区体积分数α作为水动力段塞流的量化判据，具体判定方式如下：当α＜0时即表示管道中没有液塞区域，即为分层流；当0＜α＜1时，表示管道中有液塞区以及Taylor气泡区，此时流动为段塞流；当α＞1时，表示液塞区充满整个管道，此时流动为泡状流；
其中，液塞区体积分数α的物理意义为：液塞区长度占总管长的比例，其表达式如下：
α＝(HL-av-HL-ST)/(HL-SL-HL-ST)
上式中，HL-av表示管内的总体平均液相相含率；HL-ST表示Taylor气泡区的液相相含率；HL-SL表示液塞区的液相相含率。
3.如权利要求2所述的一种水平及微倾斜管内气液两相水动力段塞流的判别方法，其特征在于：液塞区体积分数α表达式中的HL-av、HL-ST和HL-SL由下式得到：
HL-av＝1-USG/UG＝(USL+U0(USL))/(UM+U0(USL))
HL-ST＝1-USG-ST/UG-ST＝(USL-ST+U0(USL-ST))/(UM+U0(USL-ST))
HL-SL＝1-USG-SL/UG-SL＝(USL-SL+U0(USL-SL))/(UM+U0(USL-SL))；
上式中，USL-ST表示Taylor气泡区的液相折算速度；USG-ST表示Taylor气泡区的气相折算速度；UG-ST表示Taylor气泡区的气相速度；USL-SL表示液塞区的液相折算速度；USG-SL表示液塞区的气相折算速度；UG-SL表示液塞区的气相速度。
CN201510333791.4A 2015-06-16 2015-06-16 一种水平及微倾斜管内气液两相水动力段塞流的判别方法 Active CN104897364B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510333791.4A CN104897364B (zh) 2015-06-16 2015-06-16 一种水平及微倾斜管内气液两相水动力段塞流的判别方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510333791.4A CN104897364B (zh) 2015-06-16 2015-06-16 一种水平及微倾斜管内气液两相水动力段塞流的判别方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104897364A CN104897364A (zh) 2015-09-09
CN104897364B true CN104897364B (zh) 2017-05-10

Family

ID=54030170

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510333791.4A Active CN104897364B (zh) 2015-06-16 2015-06-16 一种水平及微倾斜管内气液两相水动力段塞流的判别方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104897364B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107392250A (zh) * 2017-07-25 2017-11-24 中国石油大学(华东) 一种气液两相流流型识别方法
CN107893653A (zh) * 2017-08-14 2018-04-10 东方宝麟科技发展(北京)有限公司 一种利用连续油管光纤技术测试水平井产出剖面的方法
CN110201421B (zh) * 2019-05-27 2021-09-17 河海大学 一种油水分层流向双连续流转换界限判断方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5593892A (en) * 1992-02-10 1997-01-14 Queen's University At Kingston Temperature scanning reactor method
US5777278A (en) * 1996-12-11 1998-07-07 Mobil Oil Corporation Multi-phase fluid flow measurement
CN102878431A (zh) * 2011-07-12 2013-01-16 中国海洋石油总公司 一种海洋油田油气管线中多相流流型的在线监测方法
CN202916242U (zh) * 2012-09-03 2013-05-01 梁法春 气液两相流流型在线监测装置
CN103123294A (zh) * 2011-11-21 2013-05-29 中国海洋石油总公司 一种鉴别多相流流型的方法
CN103674478A (zh) * 2013-12-11 2014-03-26 中国石油大学(华东) 低含气率的气液两相流流型识别方法
CN104155471A (zh) * 2014-07-10 2014-11-19 天津大学 基于超声与电学多传感器互相关测速的多相流测试方法
CN104329566A (zh) * 2014-10-28 2015-02-04 中国海洋石油总公司 一种基于差压原理的段塞流检测方法及装置

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6904386B2 (en) * 2002-10-07 2005-06-07 Honeywell International Inc. Control system and method for detecting plugging in differential pressure cells

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5593892A (en) * 1992-02-10 1997-01-14 Queen's University At Kingston Temperature scanning reactor method
US5777278A (en) * 1996-12-11 1998-07-07 Mobil Oil Corporation Multi-phase fluid flow measurement
CN102878431A (zh) * 2011-07-12 2013-01-16 中国海洋石油总公司 一种海洋油田油气管线中多相流流型的在线监测方法
CN103123294A (zh) * 2011-11-21 2013-05-29 中国海洋石油总公司 一种鉴别多相流流型的方法
CN202916242U (zh) * 2012-09-03 2013-05-01 梁法春 气液两相流流型在线监测装置
CN103674478A (zh) * 2013-12-11 2014-03-26 中国石油大学(华东) 低含气率的气液两相流流型识别方法
CN104155471A (zh) * 2014-07-10 2014-11-19 天津大学 基于超声与电学多传感器互相关测速的多相流测试方法
CN104329566A (zh) * 2014-10-28 2015-02-04 中国海洋石油总公司 一种基于差压原理的段塞流检测方法及装置

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"不同立管结构下严重段塞流特性的对比实验研究";叶晶 等;《海洋工程装备与技术》;20150228;第2卷(第1期);第18-22页 *
"水平管道段塞流特征参数试验研究";何利民 等;《化学工程》;20030831;第31卷(第4期);第37-41页 *
"立管系统泡状流和段塞流的流动特性研究";高梦忱 等;《水动力学研究与进展》;20141130;第29卷(第6期);第635-641页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN104897364A (zh) 2015-09-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104897364B (zh) 一种水平及微倾斜管内气液两相水动力段塞流的判别方法
Veeken et al. New perspective on gas-well liquid loading and unloading
Wang et al. Oil-water two-phase flow inside T-junction
Sun et al. Experimental study on drag reduction of aqueous foam on heavy oil flow boundary layer in an upward vertical pipe
Huang et al. A cavitation model for cavtating flow simulations
Shi et al. Simulation of the wake vortex and trajectory characteristics of successively launched multiple projectiles
CN106980758A (zh) 一种注采井网流场速度的快速计算方法
CN106951845B (zh) 集输立管系统气液两相流流型判别方法及系统
CN103122756B (zh) 一种确定深水隔水管气举钻井注气量的方法
Xu et al. Flow pattern and anti-silt measures of straight-edge forebay in large pump stations.
CN109214136A (zh) 一种轴流泵叶轮叶顶间隙空化数值预测方法
CN105718701A (zh) 基于水泵特性三维空间图形的泵站泵型优选设计方法
Yaqub et al. Review on gas–liquid–liquid three–phase flow patterns, pressure drop, and liquid holdup in pipelines
Kang et al. Hydraulic characteristics of a siphon-shaped overflow tower in a long water conveyance system: CFD simulation and analysis
CN216247116U (zh) 一种集输立管两相流型在线分析实验系统
CN111485863A (zh) 一种稠油油田蒸汽吞吐井产能倍数的计算方法
Mao et al. Flow pattern analysis of the oil-water batch transportation using a wheel flow loop
Alfadhli et al. Velocity distribution in non-uniform/unsteady flows and the validity of log law
Mantilla et al. Modeling of liquid entrainment in gas in horizontal pipes
Wang et al. Transient numerical simulation of gas-liquid two-phase flow in long distance water supply pipeline
Liu et al. Experimental study of flow patterns and pressure drops of heavy oil-water-gas vertical flow
CN117454063B (zh) 一种井筒油-气-水多相流流态判别及持水率计算方法
CN103233719B (zh) 抑制酸性气体突发膨胀的井口回压确定方法
Zhiming et al. Evaluation of horizontal wellbore single-phase pressure drop models based on large-scale experiment
CN207020681U (zh) 集输立管系统气液两相流流型判别系统

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CP01 Change in the name or title of a patent holder
CP01 Change in the name or title of a patent holder

Address after: 100010 Beijing, Chaoyangmen, North Street, No. 25, No.

Co-patentee after: CNOOC research institute limited liability company

Patentee after: China Offshore Oil Group Co., Ltd.

Address before: 100010 Beijing, Chaoyangmen, North Street, No. 25, No.

Co-patentee before: CNOOC Research Institute

Patentee before: China National Offshore Oil Corporation