水平管油气水3相流试验研究进展

刘德生,宫 敬,吴海浩

(中国石油大学石油工程教育部重点实验室·城市油气输配技术北京市重点实验室,北京102249)

水平管油气水3相流试验研究进展

刘德生,宫 敬,吴海浩

(中国石油大学石油工程教育部重点实验室·城市油气输配技术北京市重点实验室,北京102249)

论述了国内外在油气水3相流动方面的试验研究进展;介绍了流型、持液率、压降等测量手段及研究成果,并指出该研究领域中存在的问题。提出应采用先进的仪器、仪表和新的试验技术,用原油及天然气在大管径试验环道进行试验,以期更有效地模拟3相集输管道的运行情况。

油气水;3相流;试验研究;流型;持液率;压降;反相

随着海洋、沙漠、极地油田的开发,油气水3相流动规律的研究越来越受到国内外学者的重视,成为国际多相流领域研究的热点和难点之一,突出地表现在许多学者利用高水平的试验环道和先进的仪器仪表进行多相流的试验研究,取得了初步的科研成果。

现有的油气水3相流试验目前是在室内模拟进行,与原型管线工况相比,其管径较小,管长较短,所用试验介质与油气水管道实际介质差别较大,这些试验室研究成果能否代表集输管道内油气水3相的实际情况尚难预料。尽管如此,小型试验环道的试验结果将会得出一些重要参数的变化趋势[1-11],并在以后的大型管线试验中得以验证。为此,许多大学和科研机构都建有小管径试验环道,例如 Tulsa大学、帝国理工学院、挪威科技大学、中国石油大学(北京)等都建立了多种管径的小规模试验环道。本文是在广泛调研油气水3相流动研究的基础上,对国内外的研究成果进行综合论述,为进一步深入研究水平管油气水3相流动提供借鉴作用。

1 流型

1.1 流型测试

国内外学者对气液2相流的流型划分基本达成共识,主要分为气团流、分层流(分层波浪流)、段塞流、环状流、泡状流。油气水3相流型的研究是以气液、油水2相流型划分为基础的。由于存在着互不相溶的油水2相,其相互作用和分散程度对流动形态影响很大,所以油气水3相流型比气液、油水2相更复杂,出现了不少新的流型。从20世纪90年代开始,一些著名的多相流实验室相继投入大量人力、物力进行油气水多相流动的研究,如表1。

表1 国内外油气水3相试验的试验条件与物性参数

目前,测试流型大多使用压力传感器和摄像机结合目测的方法。近年来,一些研究者利用光学技术和非接触测量技术取得了很好的效果,这些技术将在以后的试验中起到举足轻重的作用。比较有代表性的是Wegmann 2007年在试验中利用激光诱导荧光技术(LIF)结合高速摄像技术对流型进行了观测,利用生成的氩离子激光穿过管道的轴向垂直面,激光触发水相中的荧光染料(荧光素钠)来区分水相、气相和油相,再通过激光的反射和变形来识别油气界面。图1是Wegmann 2007年得到的流动形态照片,从照片中可以清晰地看到油水界面和气液界面。

1.2 流型划分

由于试验设备和流动介质的不同,研究者对多相流流型的研究结论存在着相当大的分歧,主要有2种观点。

a) 仿照气液2相流划分方式划分3相流流型。Lee&Jepson 1993年将3相流流型定义为分层流(包括分层光滑流、分层波浪流和波浪流)、间歇流(包括气团流、段塞流和准段塞流)、环状流,流型如图2,并将试验流型结果与气液2相流型进行比较,认为气液2相流流型不能用于3相流流型的预测。

图1 Wegmann 2007年得到的分层间歇流

图2 Lee&Jepson 1993年提出的油气水3相流型

b) 针对油水2相流动形态的不同,结合气液2相流动的特点重新划分3相流流型。Hewitt认为处理3相流动的主要困难是估算液相的混合程度,根据混合程度,3相流动可划分为未混合流动、部分混合流动和完全混合流动3种流型。

未混合流动例如分层流,是指水相流动在管道底部,油相在中间,气相在最上层,其波动可能产生在任一界面或2个界面上;部分混合流动是指液相相互掺混,在大流量情况下,液相可能是完全混合;完全混合流动是指液相中的1相以液滴的形式完全分散在另1相中。

Acikgoz 1992年提出液-液混合流型的复杂性与已有的气液流型复杂性相互叠加和相互作用,并把3相流动定义为10种流型,如图3。流型被定义为3个部分,即液相中的连续相(第1部分)、液相是否分散或分离(第2部分)、气液流动的结构(第3部分),如表2。这是一项开创性的成果,这种流型的称谓突出了油气水3相的特征,缺点是不够简洁,不便于推广,而且由于涉及油基和水基的变化,油气水3相流流型之间的转变与气液2相流不同,显得更加复杂。

图3 Acikgoz 1992年提出的流型

表2 Acikgoz 1992年定义的流型

Wegmann等人2007年以油水、气液2相流流型划分为基础,划分了6种3相流流型:分层-间歇流、环状-间歇流、间歇-分散流、间歇-间歇流、分散-间歇流和分散-环状流,“第1部分”是油水流型,“第2部分”是气液流型。这种流型划分方式既体现出油气水3相的流动特征,相比Acikgoz提出的流型划分方式又比较简单,缺点是由于试验管径只有∅5.6 mm和∅7mm 2种,其研究结果存在一定的局限性。

帝国理工学院进行了大量的3相流动试验研究。在试验观察的基础上,Pan[29]1996年提出了多部分流型定义,如图4,与图3的划分有很多的相同之处,也有很大的不同。Odozi[30]2000年用帝国理工学院所得的流型数据与Acikgoz 1992年的原始图形相比较(如图5),发现二者之间有很大差别,这可能是由于帝国理工学院和Acikgoz所采用的试验油品的物理性质不同,也可能由于油相速度和管径不相同。

图4 Pan 1996年提出的3相流流型定义

图5 Odozi 2000年的流型图与Acikgoz 1992年的流型数据对比

2 持液率

2.1 持液率测量

室内小型试验环道的结构、流程、配备的测试仪器和采用的试验技术因研究的内容而异。一般来说,对于油气水3相流试验研究,持液率的测量是一个难点,持液率被定义为液相占管道横截面面积的分数,在3相流动中可以分为油相持液率、水相持液率和总液相持液率(油相持液率与水相持液率之和)。目前被广泛应用的测量方法有2种。

2.1.1 快关阀法

快关阀法是指在试验管段上安装同步快关阀,当油气水3相流动达到稳定时,同时关闭阀门,通过气液分离可以直接测出2阀之间的平均相分率。该方法的优点是直接、简单、准确;缺点是不能进行在线实时测量。Nuland(1991年)、Acikgoz(1992年)和Malinowsky(1993年)[31-32]都在试验中利用同步快关阀来测量持液率,取得了很好的效果。

2.1.2 射线衰减法

射线衰减法的原理是射线穿过不同流体时其能量衰减有所不同,而且不同能级的射线源通过相同的多相流体时,其衰减程度也不同,进而得到各相相分率。其优点是能够在线实时测量,而且采用非介入的形式;缺点是测量精度无法保证。

对于3相流动试验,常用的有3种伽马或X射线装置。

a) 单一波束双能源伽马密度计 该装置带有一个横穿波束或单一固定波束,其中横穿波束是最常用的。LI Dong-hui 2005年[33]利用伽马射线技术,使用Am(59.5 keV)和Cs(662 keV)2种放射性元素进行油气水3相持液率测试,测试装置及流程如图6～7。

图6 LI Dong-hui 2005年使用的测试装置

图7 测试流程

b) 三重波束双能源伽马密度计 在这个系统中,一个放射源可发出3个波束通过管道到3个检测器,通过3相各自的波长决定相分率。该装置对于随时间变化的相分布有很好的测试效果。

c) X射线层析成像装置[34-36]该装置的基本原理是从2个X射线光源射出的光束穿过测试段,并撞击线性排列的二极管探测器,最典型的是200个探测器记录穿过3相流动管道的光束,利用滤波转轮(如图8)来区分液相,转轮由空气、铜和铅组成。当光束穿过转轮的铜部分时,光束的能量分布将产生变化,结合光束穿过空气而得到的信号就可以区分2种不同液相。

图8 X射线层析成像系统原理

2.1.3 电阻抗法[37]

电阻抗法是在试验管道内壁放置测量电极,由于油气水的介电常数、电导率不同,因此可通过测得电阻和电容来确定持液率。优点是结构简单,瞬态测量;缺点是有许多限制条件,例如要求被测介质的电导率小,一般要采用高频电源,测量值与多相流流型有关,电导率与液体中的离子浓度有关,测量段应该是电绝缘的。

Oddie 2003年针对上述3种方法的测量精度进行了对比性研究,得出快关阀法的测量精度最好,其次是射线衰减法,最不稳定的是电阻抗法。

在研究一些具体的流型和要进行更深入细致的研究时,还要相应采用特殊的测量仪器,例如帝国理工学院的 Khor 1997年[38-39]研究了3相分层流动,利用等速采样系统(isokinetic sampling system),在3相入口处设置等速采样探针来测量相分率。

2.2 测量结果

Pan 1996年[40]使用双能伽马密度计测量液相持液率的典型结果如图9(气量和油量不变,改变入口水的流量)。由图9可见,液相总持液率存在一个峰值,可能是由于处于反相区附近。

图9 Pan 1996年测量的3相流持液率结果(vsg=3.3 m/s;vsl=0.2 m/s)

3 压降

Pan 1996年测量的压降典型结果如图10～11,可以看出趋向是非常复杂的,反映出3相流动的复杂性。在高气速下(如图10)压降产生峰值,特别是含水率在40%～60%范围,峰值可能是由反相(这时连续相从油变为水)引起的,这个区域产生反常有效粘度导致压降增大;在低气速下(如图11)没有观察到峰值。Pan认为反相只能发生在液相完全掺混的情况下,如果液相之间是分离状态,不能产生反相,则压降就不存在峰值。

图10 Pan 1996年测量的高气速下3相流动压降(vso=0.1 m/s;p=0 bar)

图11 Pan 1996年测量的低气速下3相流动压降(vso=0.1 m/s;p=10 bar)

4 反相规律研究

反相是油气水3相流区别于气液2相流的一种特殊现象,是影响管流压降的重要因素,也是设计管线时必须要考虑的参数。由于在反相点两侧油水分散体系物性会发生突变,从而引起管道摩阻特性和压降的剧烈变化,同时管道的内腐蚀在很大程度上由与其接触的液相决定[41],也会受到反相作用的影响,因此对反相规律的研究是非常有意义的。

由于对油水2相反相机理的研究[42-44]还不够深入,无法为3相流动中的油水分散体系反相规律研究提供有力的理论支持,同时由于气相的介入,更增加了油水分散体系反相机理研究的复杂性[45]。目前,只有少数学者对油气水3相流的反相规律进行了试验研究。Malinowsky 1993年通过试验发现,反相不仅与混合物速度有关,同时与气相的表观速度有关。1998年Utvik等[46]研究发现,当气相相分率较低时,反相发生时的含水率在014～015;当气相相分率很高时,反相发生时的含水率可达0.9。在高气相相分率时,气泡会抑制油滴的聚积(此时溶解气体比增加),因此只有提高入口含水率才会发生反相。

Odozi 2000年也发现了类似的现象,并根据试验数据拟合得到了反相含水率的相关式,但是该式仅考虑了气相表观速度的影响,并没有涉及到液相的物理特性以及表面化学性质的影响,因此不具有通用性。

刘文红2005年借助局部取样的实时测量,对管内油气水3相流动条件下油水混合物反相点进行了预测,试验发现反相点的位置与油水混合物流速以及折算气速有关,随着折算气速的增大,反相点会向体积含水率增大的方向漂移。出现这种现象的原因主要是由于随着流动条件的变化,气相成为分散在油水2相中的分散气泡,这些分散气泡破坏了分散相液滴之间的聚结和合并,因此就需要更高的分散相浓度以克服和减弱气泡掺入的影响,从而使油水2相之间发生新的聚结与合并,使得反相点向更高的含水率方向移动。

5 存在的问题与研究方向

尽管对水平管油气水3相流的研究已经取得了一定的进展,但与气液2相流相比还很不成熟,处于起步阶段,对于流型、压降和相分率等主要流动参数的研究,还没有出现一项能被大多数学者接受的结果,许多方面基本上是空白,还有大量的工作等待研究人员去完成。

1) 试验环道具有一定的局限性。上述试验研究管径大都不超过∅100 mm,鉴于油气水3相流的复杂性,小管径的结果能否推广到实际管线尚难预料;管长偏短,无法进行瞬态流动模拟,管长过短时甚至无法准确模拟段塞流动;通常采用透明管道,而根据Angeli 1996年的试验研究,管材及其油/水润湿性对油水流动特性影响较大,建议使用钢管作为3相流试验用管材。

2) 试验油品大多是煤油、润滑油和其他轻质模拟油,油品范围偏窄,粘度较小。原油的流变性及油水乳化状态十分复杂,远非上述试验油品所能模拟;试验通常使用空气、氮气等作为气相,无法模拟天然气与液态烃尤其是凝析液的相平衡,建议使用原油和天然气作为试验介质,以更好地模拟现场工况。

3) 发展光学技术和其他非接触测量技术,并对油气水3相流的流动机理进行研究,统一流型认识,绘制出更具普遍意义的3相流型图。

4) 在借鉴油水2相流动的反相试验研究基础上,充分考虑气相在3相流动中对油水反相的影响;进一步考虑各种因素的影响作用,如油水粒度分布、临界入口含水率、油相粘度、混合液流速、界面张力、管材、流型等;建议利用非介入流动可视化方法来研究反相流规律,深入了解决定反相过程的液滴聚并和破裂过程。

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Progress in Experimental Study of Oil-G as-Water Three Phase Flow in Horizontal Pipelines

LIU De-sheng,GONG-Jing,WU Hai-hao
(Key L aboratory of Ministry of Education f or Petroleum Engineering,Beijing Key L aboratory of Urban Oil and Gas Distribution Technology,China University ofPetroleum,Beijing102249,China)

In this paper,the advance of the research on the three-phase flow experiment at home and overseas was discussed.The measurement method and research results of flow pattern,liquid holdup and pressure drop were introduced.The existing problems in research were pointed out. Some suggestions that advanced instruments are put forward and new experimental technique should be adopted and crude oil and natural gas should be used in large diameter experimental loop.

oil-gas-water;three-phase flow;experimental study;flow pattern;liquid holdup;pressure drop;phase inversion

1001-3482(2010)04-0009-08

TE973.01

A

2009-10-26

国家自然科学基金资助项目(50674097)

刘德生(1982-),男,辽宁大连人,博士研究生,主要从事油气水3相混输管道流动规律的研究,E-mail:lds1121 @126.com。