高粘油水两相水平管流的压降研究

表 1 油水试验流型的有效粘度经验公式
有效粘度经验公式
适用流型
m= a( oe w) 2+ b oe w + c m= a( oe o) 2+ b oe o+ c
m= a( we o) 2+ b w e o+ c
2 号油水的所有流型: 混合流以及水包油 和油包水分散体系
3 号油水的水与油分层流、油与 油包水 混合流和 油与薄 乳化层 与水三 层 混合流, 以及 500SN 与水 的油包 水团 分散 体系 和油、水 团与 水混 合流。a = 0 时适用于 3 号油水分层流; 500SN 和水的油包水团分散体 系和油、水团与水 混 合流
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对应流型的管路压降。
所有试验中混合液始终处于层流流态, 因此将
各有效粘度经验式代入定常圆管层流流动的阻力公
式-
dp dx
=
2f
mw d
2 m
中,
即可以估算
出相应
流型
下的
压
降。
五、结 论
(1) 研究油水两相流的压降规律应采用先确定 流型, 再研究特定流型下的压降规律及计算方法。
3 号油水的水环流与油和水、油 包水团 与水复杂 水团流。 a= 0 时适用 于 水环流型
注 a、b、c 均是通过试验确定的常数; o= f( t) ; w 1 mPa s。
四、压降计算
通过研究压降规律得到的结论是, 对于同一种 流型, 有效粘度和混合流速始终是影响该流型状态
下管路压降的两个最重要的因素。Arirachakaran 等 人也认为, 压降是混合物流速、含水率、油相粘度和 温度的函 数。这里将后 3 个因素定义 到有效粘度 中, 并且有效粘度经验式是对应流型建立的, 这样, 包含有效粘度和混合流速的压降公式可以用于估算
图 5 900 kg/ h 流量下的压降与含水率、流速关系
3、 有效粘度 影响有效粘度的因素很多, 如连续相粘度、分散 相粘度、分散相体积含量、剪切率、分散相液滴粒度 分布、分散相液滴的绝对尺寸和界面张力等。试验 研究发现, 油相、水相粘度和入口含水率对有效粘度 的影响最大。由试验结果分析得到的结论是, 同种 油水的压降变化规律与有效粘度规律基本一致, 如 图 2 和图 4 所示。所以, 可以将入口含水率、油相或 水相粘度和温度定义在有效粘度中, 根据试验数据, 对每个流型的有效粘度, 油相或水相粘度与含水率 或含油率的函数曲线进行拟合, 得到最优的 m ~ f ( o, w) 函数表达式, 其中 o 是温度 t 的函数( 见 表 1) 。
图 2 2 号油水压降与流速 、含水率的关系 图 3 2 号油水两相水平管流试验流型
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油气储运
2004 年
( 3) 500SN 与水的两相流试验, 在流量为 350 kg/ h、含水率为 36% ~ 38% 时出现水段塞流、油、水团、 水混合流和分层流的快速转化。压降的变化趋势与 流型转化相对应 ( 见图 4) , 压降最低的水平段对应 于油、水团与水混合流, 之后快速出现分层流, 压降 值逐渐上升, 过渡到水段塞流时, 管路压降值增加到 最大, 出现了压降最高且波动较大的水平段。
图 1 油水两 相流试验流型
2、 压降规律 流型是影响油水两相流管路压降的最重要的因 素, 流型不同, 压降规律也不同。将 3 种油水试验的 压降规律对应的不同情况分述如下。 ( 1) 分层流流型。该流型的压降变化与油水间 乳化层组成的复杂程度和粒度分布的均匀性有直接 关系。低流速下的分层流, 油水界面间的乳化层中, 微粒体ห้องสมุดไป่ตู้很大, 形状不规则, 界面起伏大, 管路压降 波动剧烈。高流速时的分层流流型, 乳化层微粒的 粒度和分布更加均匀, 管路压降逐渐趋于平缓稳定。 ( 2) 分散体系。出现混合流型后继续增大流速 会形成该体系。由于流速提高, 因而加快了乳化, 混 合液组成变化很大, 压降不稳定, 当入口含水率达到 一定程度时会发生反相, 压降突变。一般情况下, 油
为连续相时的压降高于水为连续相时的压降。当混 合流速足够高时, 分散体系组成稳定、均匀, 反相结 束, 此时的压降非常稳定。以 2 号油水试验为例( 见 图 2 和图 3) , 流量为 600 kg/ h、混合流速为 0. 28~ 0. 36 m/ s的曲线最高点的含水率约为 27% , 随着含 水率的增大, 该点之后压降曲线陡降, 反相开始, 油 包水型乳状液( W/ O) 分散体系向水包油型乳状液和 油包水型乳状液( O / W&W/ O) 分散体系过渡, 过渡 流的压降 曲线几乎为水平线。当含水率 大于 43% 时, 转化为水包油型乳状液( O/ W) 分散体系, 反相结 束, 压降曲线出现一个低谷。此反相过程因为出现 了中间的过渡流型, 所以是一个渐变 的过程。图 2 中, 流量为 1 200 kg/ h、混合流速为 0. 63 ~ 0. 71 m/ s 的曲线最高点的 含水率值 约为 24% , 这 是从 W/ O 分散体系向 O/ W 分散体系瞬变的临界含水率, 而图 3 中没有出现其它过渡流型, 说明此反相是突发的 现象。由此表明, 混合流速影响反相点的临界含水 率、反相表现和压降出现波动的条件; 压降变化是与 流型及流型转变过程相对应的, 所以流型对压降的 影响最重要。
2、 试验流程 将油和水在混合罐内搅拌均匀, 由 1 台单螺杆 泵打入环道, 流经质量流量计、流型发展段、压降测 试段、流型观察段和流型检测段, 最后进入混合罐。
三、试验结果
1、 流型 每一组试验数据都是将流量分别调节到一定范 围内进行数据采集获得的。试验过程中, 对流型进 行了细致的观察, 获取了大量的图片、图像资料和数 据, 经过全面的整理和分析, 3 种油品的油水试验流 型大致为 5 大类, 简单分层流、复杂多分层流( 或称 为混合流) 、分散体系、水环流和过渡流型( 见图 1) 。 其中, 水环流形成前的过渡流型主要是偶尔发生的 水段塞流和间歇的分层流。
油水两相流动规律的研究工作起源于 20 世纪 初石油工业中稠油的减阻输送研究, 但受检测手段 的限制, 研究进展一直 比较缓慢。20 世 纪 90 年代
后, 世界一些发达国家利用先进的流型检测手段, 又 一次掀起了油水两相流研究的高潮。1996 年, 美国 TULSA 大学的 Trallero 对水平管内轻质油和水的两 相流流型作了较为全面的研究 2 ; 1997 年, OHIO 大 学的 Jepson 研究小组研究了油水两相分离流型中水 层的高度, 并提出了用油、混合液、水的三层物理模 型描 述 油 水 两相 流 的 油 水 分布 3 ; 1998 年, 挪 威 NORSK HYDRO ASA 研究中心在北海油田现场进行 了油水两相流试验研究 4 ; 1998 年和 1999 年, 英国 理工大学的 Hewitt 研究小组分别对油水两相流的分 散流动和分离流 动进行了研究 5 ; 2000 年, 加拿大 萨斯喀大学 McKibben J、Gillies G 等学者在室内试验 环道上 进行了超稠油( 5 000~ 100 000 mPa s) 的水 包油核试验研究 6, 7 。国内石油大学一直在从事这 方面的研究工作 8~ 10 , 西安交通大学曾进行过机油 与水的两相流试验研 究 11, 12 。石油大学 ( 北京) 宫 敬等人使用粘度较大的 3 种油品进行了油水水平管 流试验研究, 可为高粘度油品的油水压降研究提供 借鉴和参考。
二、试验装置及试验流程
1、 试验装置 试 验 介 质 采 用 粘 度 为 112. 3 mPa s 、137. 8
* 102249, 北京市昌平区府学路 18 号; 电话: ( 010) 89733804。
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mPa s 和 211. 3 mPa s 的 2 号油、3 号油和 500SN 3 种( 自行调合) 透明润滑油和自来水。试验在油水两 相流试验环道 上进 行, 整 个试验 环道主 要为 25. 4 mm 的不锈钢管, 环路全长约 30 m, 长径比大于 1 000 倍。
从上述 3 种油品的油水试验入手来研究稠油和 水两相流的压降规律。采用先确定流型, 再研究特 定流型下的压降规律及计算的方法。在 3 种试验油 品中, 2 号油的粘度最小, 因而试验中出现了分层流 流型和分散体系。与 2 号油相比, 3 号油的 粘度较 大, 而且不易乳化, 同时由于其它方面物性不同, 因
( 5) 比较压降与含水率、流速关系曲线和有效粘 度与含水率、流速关系 曲线, 发 现它们具有其 相似 性。所以从有效粘度的研究入手, 将其作为压降研 究的重点, 针对各流型, 以大量的试验数据为基础, 建立有效粘度相关式。该方法适用于稠油和水的两 相流研究。
(6) 应进一步对油水分散体系粘度表达式中的 系数进行研究, 建立有效粘度的理论预测模型, 使稠 油和水两相流的研究更具有实用性。
主题词 高粘油 水 水平管 两相流 压降 研究
一、前 言
油水两相管流的压降及试验研究是油水两相流 和油气水多相流研究的重要内容, 其最终目标是将 研究成果用于实际的多相流管道的设计和运行管理 中。由于油水混输的乳化和反相流动特性, 尤其是 高粘油与水的两相流动, 在不同的流动状况下, 即使 流量基本不变, 管道压降可能相差很大。例如, 在设 计绥中 36 1 油田油水混输管道时, 同种原油相同 含水率的油水混合液, 由于制备条件不同, 所提供的 表观粘度实测数据相差甚远, 选择不同粘度的设计 方案, 其投资费用可相差 1 000 104 元以上 1 。油 水两相流流型的研究, 对压降研究的影响至关重要, 研究结果可以为合理建立和选择油水两相流的压降 模型提供依据。然而, 我国油水两相流流型的研究 比较落后, 两相流压降研究的进展相对较慢, 稠油与 水两相流的压降试验研究起步较晚, 除了受油水两 相流研究滞后的影响外, 稠油与水的两相流试验研 究本身还存在许多问题, 有待更加先进、科学的研究 手段和方法来解决。