CN110201421A - 一种油水分层流向双连续流转换界限判断方法 - Google Patents

一种油水分层流向双连续流转换界限判断方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110201421A
CN110201421A CN201910445049.0A CN201910445049A CN110201421A CN 110201421 A CN110201421 A CN 110201421A CN 201910445049 A CN201910445049 A CN 201910445049A CN 110201421 A CN110201421 A CN 110201421A
Authority
CN
China
Prior art keywords
boundary wave
wave
oil
boundary
water
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.)
Granted
Application number
CN201910445049.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110201421B (zh
Inventor
张代路
张宏兵
芮剑文
尚作萍
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.)
Hohai University HHU
Original Assignee
Hohai University HHU
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 Hohai University HHU filed Critical Hohai University HHU
Priority to CN201910445049.0A priority Critical patent/CN110201421B/zh
Publication of CN110201421A publication Critical patent/CN110201421A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110201421B publication Critical patent/CN110201421B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D17/00—Separation of liquids, not provided for elsewhere, e.g. by thermal diffusion
    • B01D17/02—Separation of non-miscible liquids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D17/00—Separation of liquids, not provided for elsewhere, e.g. by thermal diffusion
    • B01D17/12—Auxiliary equipment particularly adapted for use with liquid-separating apparatus, e.g. control circuits
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M10/00—Hydrodynamic testing; Arrangements in or on ship-testing tanks or water tunnels

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Aerodynamic Tests, Hydrodynamic Tests, Wind Tunnels, And Water Tanks (AREA)
  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)

Abstract

本发明公开了多相流技术领域的一种油水分层流向双连续流转换界限判断方法，旨在解决现有技术中对于水平及倾斜油水两相流流型转换局限于定性研究，缺乏定量研究方法以获取流型转换临界状态时的要素数值的技术问题。所述方法包括如下步骤：分析油水两相界面波受力情况，获取界面波受到外力矢量和表达式；在实验基础上对界面波及其变形破坏作出假设；根据假设和界面波受到外力矢量和表达式，获取界面波在流动方向上受到合外力的预测方程；根据预测方程，判断油水分层流向双连续流转换界限。

Description

一种油水分层流向双连续流转换界限判断方法
技术领域
本发明涉及一种油水分层流向双连续流转换界限判断方法，属于多相流技术领域。
背景技术
油水两相流流型转换即相变，会引起流场参数的突变，给多相流系统设计带来挑战。油水两相流流型会随着管道直径、倾角、油品物理性质等改变而改变。水平管道中油水两相流流型转变主要发生在分离流和分散流之间，倾斜管道油水两相流流型转换则发生在分离流、分散流和间歇流之间。其中油水两相层流向双连续流转变与两相界面张力、物理性质、混合流速、含水率、井几何尺寸和倾角均有关系。考虑分层流向双连续流转换的复杂性，研究流型转换对理论研究和生产实践具有重要意义。
但水平及倾斜油水两相流流型转换实验研究由于受到实验装置和测量技术的限制，研究起步较晚。现有研究中主要对于流型转换进行定性研究，研究流型转换的影响因素，并未完全将流型转换与影响因素之间的关系进行定量研究，未能得到流型转换临界状态时的要素数值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种油水分层流向双连续流转换界限判断方法，包括如下步骤：
分析油水两相界面波受力情况，获取界面波受到外力矢量和表达式；
在实验基础上对界面波及其变形破坏作出假设；
根据假设和界面波受到外力矢量和表达式，获取界面波在流动方向上受到合外力的预测方程；
根据预测方程，判断油水分层流向双连续流转换界限。
进一步地，分析油水两相界面波受力情况，获取界面波受到外力矢量和表达式，包括：利用界面波受力平衡分析方法，将界面波外力分解至平行于流动方向和垂直于流动方向，以获取界面波在流动方向上外力矢量和表达式。
进一步地，在实验基础上对界面波及其变形破坏作出假设，包括：
界面波发生变形前，流动方向用一个正弦波刻画；
界面波发生变形后，流动方向用两个正弦波刻画，其波长平均值与界面波变形前流动方向波长相等、波幅不变；
界面波发生破坏后，流动方向用两个正弦波刻画，其中被拉伸的正弦波波长为界面波变形前流动方向波长的两倍。
进一步地，根据假设和界面波受到外力矢量和表达式，获取界面波在流动方向上受到合外力的预测方程，包括：
获取界面波受到的体积力、拽力和界面张力；
将界面波受到的体积力、拽力和界面张力代入界面波受到外力矢量和表达式，获取界面波在流动方向上受到合外力的预测方程。
进一步地，获取界面波受到的体积力，包括：计算获取界面波受到的重力与浮力的矢量和。
进一步地，获取界面波受到的拽力，包括：
实验测量油水两相混合速度；
根据油水两相混合速度，获取油水两相速度差和拽力系数；
通过积分方式计算获取拽力作用面积；
根据油水两相速度差、拽力系数、拽力作用面积，获取界面波受到的拽力。
进一步地，获取界面波受到的界面张力，包括：通过积分方式计算获取界面波受到的界面张力。
进一步地，界面波受到外力，包括：重力、浮力、拽力和界面张力。
进一步地，所述油水分层流为上倾管道油水分层流；
界面波在流动方向上受到合外力的预测方程如下：
式中，F1为界面波发生变形前在流动方向上受到合外力，F2为界面波发生破坏前在流动方向上受到合外力，σ为界面张力系数，hb为界面波平衡位置横向上的宽度，π为圆周率，λ为界面波变形前流动方向波长，α为界面波变形前流动方向波幅，ρw为水相密度，ρo为油相密度，g为重力加速度，θ为管道倾角，Cd为拽力系数，uw为水相速度，uo为油相速度。
进一步地，根据预测方程，判断油水分层流向双连续流转换界限，包括：
将实验数据代入预测方程，计算获取界面波发生变形与破坏临界状态时合外力数值；
将实测流动参数代入预测方程，计算获取界面波在发生变形与破坏前合外力数值；
将界面波发生变形临界状态时合外力数值与界面波在发生变形前合外力数值进行对比，将界面波发生破坏临界状态时合外力数值与界面波在发生破坏前合外力数值进行对比；
根据两项对比结果，判定界面波是否发生变形或破坏；
根据界面波是否发生变形或破坏，判断油水分层流向双连续流转换界限。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：能够定量计算出界面波受到合外力情况，表征合外力与各个流动参数之间的定量关系，特别适用于复杂地质条件下的弹性参数反演和储层参数预测。
附图说明
图1是本发明方法流程图；
图2是本发明界面波变形受力图；
图3是本发明上倾方向界面波变形假设图；
图4是本发明油水两相分层流三维正弦界面波特征图；
图5是本发明拽力作用区域示意图；
图6是本发明实验流动影像图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，是本发明方法流程图，一种上倾管道油水分层流向双连续流转换界限判断方法，包括如下步骤：
步骤一，分析油水两相界面波的受力情况，利用界面波受力平衡分析方法，将界面波受到的四种外力分解至平行于流动方向和垂直于流动方向，以计算获取界面波在流动方向上受到合外力的矢量和表达式，所述四种外力包括重力、浮力、拽力和界面张力；
更具体地，如图2所示，是本发明界面波变形受力图，界面波在流动方向上受到合外力的矢量和表达式，如式(1)所示：
Fz＝-Fd+Fσcosβ-Fgsinθ+Fbsinθ (1)
式中，Fz为界面波在流动方向上受到合外力，Fd为界面波受到的拽力，Fσ为界面波受到的界面张力，β为界面波与管道倾向线之间的夹角；Fg为界面波受到的重力，θ为管道倾角，Fb为界面波受到的浮力。
步骤二，在实验基础上对界面波及其变形作出两点假设：
(1)假设界面波发生变形前，流动方向用一个正弦波(W0)刻画，横向方向可用余弦函数表征；
(2)假设界面波发生变形后，流动方向用两个正弦波(W1、W2)刻画，其波长平均值与界面波变形前流动方向波长相等、波幅不变；界面波发生破坏后，流动方向用两个正弦波(W3、W4)刻画，其中被拉伸的正弦波(W3)波长为界面波变形前流动方向波长的两倍；
更具体地，如图3所示，是本发明上倾方向界面波变形假设图；
如图4所示，是本发明油水两相分层流三维正弦界面波特征图；
界面波发生变形前在流动方向上正弦波W0的表达式，如式(2)所示：
式中，y0为变形前正弦波的因变量，π为圆周率，α为界面波变形前流动方向波幅，λ为界面波变形前流动方向波长，z为变形前正弦波的自变量；
界面波发生变形后在流动方向上正弦波W1的表达式，如式(3)所示：
式中，y1为变形后拉伸的正弦波的因变量，m为界面波变形后流动方向波长与界面波变形前流动方向波长的比值；
界面波发生变形后在流动方向上正弦波W2的表达式，如式(4)所示：
式中，y2为变形后压缩的正弦波的因变量；
界面波发生破坏后在流动方向上正弦波W3的表达式，如式(5)所示：
式中，y3为破坏后拉伸的正弦波的因变量；
界面波发生破坏后在流动方向上正弦波W4的表达式，如式(6)所示：
式中，y为破坏后拉伸的正弦波的纵坐标。
步骤三，计算获取界面波受到的体积力，所述界面波受到的体积力为界面波受到的重力与浮力的矢量和，表达式如式(7)所示：
Fb+Fg＝ρwgV-ρogV (7)
式中，ρw为水相密度，ρo为油相密度，g为重力加速度，V为界面波体积。
步骤四，计算获取界面波受到的拽力，方法如下；首先，实验测量油水两相混合速度；然后，根据油水两相混合速度，获取油水两相速度差和拽力系数；接着，通过积分方式计算获取拽力作用面积；最后，根据油水两相速度差、拽力系数、拽力作用面积，获取界面波受到的拽力；
如图5所示，是本发明拽力作用区域示意图；
其中，界面波受到的拽力运算公式，如式(8)所示：
式中，Cd为拽力系数，Ad为拽力作用面积，μo为油相速度，μw为水相速度；
拽力系数运算公式，如式(9)所示：
式中，Reo为油相雷诺数，Rew为水相雷诺数；
拽力作用面积运算公式，如式(10)所示：
式中，hb为界面波平衡位置横向上的宽度，x为垂直流动方向余弦波的自变量。
步骤五，通过积分方式计算获取界面波受到的界面张力；
界面波受到的界面张力运算公式，如式(11)所示：
Fσ＝σKAσ (11)
式中，σ为界面张力系数，K为界面曲率，Aσ为界面波的表面张力作用面积；
其中，界面波发生变形前W0的界面曲率运算公式，如式(12)所示：
式中，K0为界面波发生变形前W0的界面曲率，为偏导数；
界面波发生变形后W1的界面曲率的运算公式，如式(13)所示：
式中，K1为界面波发生变形后W1的界面曲率；
界面波发生变形后W2的界面曲率的运算公式，如式(14)所示：
式中，K2为界面波发生变形后W2的界面曲率；
根据式(11)、(12)，通过积分方式求取界面波发生变形前受到的界面张力，如式(15)所示：
式中，Fσ0为界面波发生变形前受到的界面张力；
界面波发生破坏后W3的界面曲率的运算公式，如式(16)所示：
式中，K3为界面波发生破坏后W3的界面曲率；
由步骤二得出，界面波发生破坏后W4的界面曲率K4为0；
根据式(11)、(16)，通过积分方式求取界面波发生破坏后受到的界面张力，如式(17)所示：
式中，Fσ1为界面波发生破坏后受到的界面张力。
步骤六，根据假设和界面波受到外力矢量和表达式，获取界面波在流动方向上受到合外力的预测方程，具体如下：
将式(7)、(8)、(9)、(10)、(15)代入式(1)，获取界面波发生变形前在流动方向上受到合外力的预测方程，如式(18)所示：
式中，F1为界面波发生变形前在流动方向上受到合外力；
将式(7)、(8)、(9)、(10)、(17)代入式(1)，获取界面波发生破坏前在流动方向上受到合外力的预测方程，如式(19)所示：
式中，F2为界面波发生破坏前在流动方向上受到合外力。
步骤七，给出界面波发生变形与破坏临界状态时合外力数值，与实测数据计算出的合外力大小进行对比，来判断界面波是否发生变形与破坏，从而流型由分层流向双连续流进行转换，具体如下：
(1)将实验数据代入界面波在流动方向上受到合外力的预测方程，即式(18)和(19)，获取界面波发生变形与破坏临界状态时在流动方向上受到合外力数值；假定界面波发生变形临界状态时在流动方向上受到合外力数值为0，界面波发生破坏临界状态时在流动方向上受到合外力数值为-0.0004；
(2)将界面波实测流动参数代入式(18)，若所得结果小于0，说明合外力与流动方向相反，则界面波发生了变形；将界面波实测流动参数代入式(19)，若所得结果小于-0.0004，则界面波发生了破坏；
根据是否发生变形或破坏，判断油水分层流向双连续流转换界限。
更具体地，如图6所示，是本发明实验流动影像图，根据图6提取不同倾角下实测流动参数，所获结果如表1所示；将表1中实测流动参数代入式(18)和(19)，所获结果如表2所示；
表1：根据图6提取的不同倾角下实测流动参数
表2：将表1中实测流动参数代入式(18)和(19)所获结果：
可以看到，除了(1)合外力F1大于0，其余均小于0，说明只有(1)未发生变形，除了(1)、(2)合外力F2大于-0.0004，其余均小于-0.0004，说明只有(1)、(2)未发生破坏，其余均破坏了，通过计算的合外力情况判断出的界面波变形破坏情况与实际情况相符合。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种油水分层流向双连续流转换界限判断方法，其特征是，包括如下步骤：
分析油水两相界面波受力情况，获取界面波受到外力矢量和表达式；
在实验基础上对界面波及其变形破坏作出假设；
根据假设和界面波受到外力矢量和表达式，获取界面波在流动方向上受到合外力的预测方程；
根据预测方程，判断油水分层流向双连续流转换界限。
2.根据权利要求1所述的油水分层流向双连续流转换界限判断方法，其特征是，分析油水两相界面波受力情况，获取界面波受到外力矢量和表达式，包括：利用界面波受力平衡分析方法，将界面波外力分解至平行于流动方向和垂直于流动方向，以获取界面波在流动方向上外力矢量和表达式。
3.根据权利要求1所述的油水分层流向双连续流转换界限判断方法，其特征是，在实验基础上对界面波及其变形破坏作出假设，包括：
界面波发生变形前，流动方向用一个正弦波刻画；
界面波发生变形后，流动方向用两个正弦波刻画，其波长平均值与界面波变形前流动方向波长相等、波幅不变；
界面波发生破坏后，流动方向用两个正弦波刻画，其中被拉伸的正弦波波长为界面波变形前流动方向波长的两倍。
4.根据权利要求1所述的油水分层流向双连续流转换界限判断方法，其特征是，根据假设和界面波受到外力矢量和表达式，获取界面波在流动方向上受到合外力的预测方程，包括：
获取界面波受到的体积力、拽力和界面张力；
将界面波受到的体积力、拽力和界面张力代入界面波受到外力矢量和表达式，获取界面波在流动方向上受到合外力的预测方程。
5.根据权利要求4所述的油水分层流向双连续流转换界限判断方法，其特征是，获取界面波受到的体积力，包括：计算获取界面波受到的重力与浮力的矢量和。
6.根据权利要求4所述的油水分层流向双连续流转换界限判断方法，其特征是，获取界面波受到的拽力，包括：
实验测量油水两相混合速度；
根据油水两相混合速度，获取油水两相速度差和拽力系数；
通过积分方式计算获取拽力作用面积；
根据油水两相速度差、拽力系数、拽力作用面积，获取界面波受到的拽力。
7.根据权利要求4所述的油水分层流向双连续流转换界限判断方法，其特征是，获取界面波受到的界面张力，包括：通过积分方式计算获取界面波受到的界面张力。
8.根据权利要求1至7任一项所述的油水分层流向双连续流转换界限判断方法，其特征是，界面波受到外力，包括：重力、浮力、拽力和界面张力。
9.根据权利要求1至7任一项所述的油水分层流向双连续流转换界限判断方法，其特征是，所述油水分层流为上倾管道油水分层流；
界面波在流动方向上受到合外力的预测方程如下：
式中，F1为界面波发生变形前在流动方向上受到合外力，F2为界面波发生破坏前在流动方向上受到合外力，σ为界面张力系数，hb为界面波平衡位置横向上的宽度，π为圆周率，λ为界面波变形前流动方向波长，α为界面波变形前流动方向波幅，ρw为水相密度，ρo为油相密度，g为重力加速度，θ为管道倾角，Cd为拽力系数，uw为水相速度，uo为油相速度。
10.根据权利要求9所述的油水分层流向双连续流转换界限判断方法，其特征是，根据预测方程，判断油水分层流向双连续流转换界限，包括：
将实验数据代入预测方程，计算获取界面波发生变形与破坏临界状态时合外力数值；
将实测流动参数代入预测方程，计算获取界面波在发生变形与破坏前合外力数值；
将界面波发生变形临界状态时合外力数值与界面波在发生变形前合外力数值进行对比，将界面波发生破坏临界状态时合外力数值与界面波在发生破坏前合外力数值进行对比；
根据两项对比结果，判定界面波是否发生变形或破坏；
根据界面波是否发生变形或破坏，判断油水分层流向双连续流转换界限。
CN201910445049.0A 2019-05-27 2019-05-27 一种油水分层流向双连续流转换界限判断方法 Active CN110201421B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910445049.0A CN110201421B (zh) 2019-05-27 2019-05-27 一种油水分层流向双连续流转换界限判断方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910445049.0A CN110201421B (zh) 2019-05-27 2019-05-27 一种油水分层流向双连续流转换界限判断方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110201421A true CN110201421A (zh) 2019-09-06
CN110201421B CN110201421B (zh) 2021-09-17

Family

ID=67788779

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910445049.0A Active CN110201421B (zh) 2019-05-27 2019-05-27 一种油水分层流向双连续流转换界限判断方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110201421B (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08310971A (ja) * 1995-03-13 1996-11-26 Dai Ichi Seiyaku Co Ltd 超音波診断用造影剤
KR101431531B1 (ko) * 2013-03-27 2014-08-20 한국해양대학교 산학협력단 석유 파이프라인 유동 모사 실험장치
CN104897364A (zh) * 2015-06-16 2015-09-09 中国海洋石油总公司 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
CN205067055U (zh) * 2015-10-07 2016-03-02 西南石油大学 一种可视化液液两相流环道实验装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08310971A (ja) * 1995-03-13 1996-11-26 Dai Ichi Seiyaku Co Ltd 超音波診断用造影剤
KR101431531B1 (ko) * 2013-03-27 2014-08-20 한국해양대학교 산학협력단 석유 파이프라인 유동 모사 실험장치
CN104897364A (zh) * 2015-06-16 2015-09-09 中国海洋石油总公司 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
CN205067055U (zh) * 2015-10-07 2016-03-02 西南石油大学 一种可视化液液两相流环道实验装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN110201421B (zh) 2021-09-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Abdulkadir et al. Interrogating the effect of 90 bends on air–silicone oil flows using advanced instrumentation
Palau-Salvador et al. Large eddy simulations and experiments of flow around finite-height cylinders
Vieira et al. Experimental investigation of the effect of 90 standard elbow on horizontal gas–liquid stratified and annular flow characteristics using dual wire-mesh sensors
Farokhipour et al. 3D computational modeling of sand erosion in gas-liquid-particle multiphase annular flows in bends
Aberle et al. Bed load transport by bed form migration
Ramadan et al. Mechanistic model for cuttings removal from solid bed in inclined channels
Van der Meulen Churn-annular gas-liquid flows in large diameter vertical pipes
Sharma et al. Modeling of oil–water flow using energy minimization concept
Karami et al. Droplet entrainment analysis of three-phase low liquid loading flow
Fan et al. Experimental study on the onset of intermittent flow and pseudo-slug characteristics in upward inclined pipes
Rakhimov et al. Theoretical bases of hydraulic mixture in round cylindrical pipelines
Ibarra et al. Holdup and frequency characteristics of slug flow in concentric and fully eccentric annuli pipes
Das et al. Rise velocity of a Taylor bubble through concentric annulus
Pereyra et al. A simplified mechanistic model for an oil/water horizontal pipe separator
Mercier‐Bonin et al. Hydrodynamics of slug flow applied to cross‐flow filtration in narrow tubes
CN110201421A (zh) 一种油水分层流向双连续流转换界限判断方法
Backi et al. Virtual inflow monitoring for a three phase gravity separator
Vengatesan et al. An experimental investigation of hydrodynamic coefficients for a vertical truncated rectangular cylinder due to regular and random waves
MESSA Two fluid model for solid liquid flows in pipeline systems
ABDUVAYT et al. Experimental and modeling studies for gas-liquid two-phase flow at high pressure conditions
Vieira et al. Experimental study of vertical gas-liquid pipe flow for annular and liquid loading conditions using dual wire-mesh sensors
Norton et al. Wind tunnel tests of inclined circular cylinders
Al-Rawahi et al. A neural network algorithm for density measurement of multiphase flow
Abdulahi et al. Investigating the effect of pipe inclination on two-phase gas-liquid flows using advanced instrumentation
Pan et al. Modeling of low viscosity oil-water annular flow in horizontal and slightly inclined pipes: Experiments and CFD simulations

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant