第二章：油气管道多相流基础

Page
37
在两相混输管路计算中，引入折算系数的目的 ：把两相管路摩擦压降梯度问题转化为求折算 系数和单相管路压降问题。
L－M参数
Page
38
三、气液两相管流的处理方法
气液两相管流属三维不稳定流动问题 流体力学的基本方程都适用于两相管流 连续性方程、动量方程、能量方程
常用的处理方法
wD =wg－wH
Page
30
4. 气液含率
质量含气率x 与质量含液率1-x
x=GL/G
体积含气率β 和体积含液率1-β (RL)
β=Qg/Q RL= 1- β=QL/Q
截面含气率ϕ 和截面含液率1- ϕ (HL)
ϕ=Ag/A HL= 1- ϕ =AL/A
Page 31
5．两相混合物的密度
气相为连续相，流量 大，少量的液滴被夹 带在气体中。管路压 力较稳定。
Page
13
根据气液界面的结构特征和管壁压力的波动特征划分：
分离流
间歇流
分散流
Page
14
Βιβλιοθήκη Baidu
分离流
������
包括分层流、波浪 流和环状流； 气液均为连续相； 管路压力较稳定。
Page
15
间歇流
包括气团流和段塞流 气体为分散相，液体 为连续相； 管路压力波动较大。
油气混输管路的应用
油气田的地面集输系统中 在不便于安装油气分离器和加工设备的地区 沙漠油田 陆地上的边际油田
滩海及海上油田
Page
3
多相流管路的特点
气液两相管流的参数和术语
气液两相管流的处理方法
Page
4
一、多相流管路的特点
1. 流型变化多 ������ 单相管路：分为层流和紊流（湍流），不同流态下，流 动参数和压降间有着不同的关系。 ������ 多相流管路：根据气液在管路内的分布和结构特征，把 管路内的流动分为若干流型（flow pattern），计算压 降时，不同的流型采用不同的计算式。
表示两相混合物总体积流量与流通面积之比
w = (QL+Qg)/A = wsL + wsg
当气液两相流速相同（wg=wL ）时，气液混
合物的流速称为均质流速
wH =wg=wl
Page
28
气液相质量流速
气液相质量流量与管路流通截面之比 气相质量流速
Gg=Mg/A=Qgρg/A=wsgρg
液相质量流速
矿场集输管路
按管路内流动的介质
单相、两相和多相流管路
按管路工作的范围和性质 出油管、采气管、集油管、集气管、输油管、输气管 按管路结构 简单管和复杂管。
矿场集输管路的特点：在较小的区域内集中大量直径
较小的工艺管路。 矿场集输管路中约有70%以上属于两相或多相管路
Page 2
Page
9
波浪流
管道内的气、液相均 为连续相，液相表面 呈波浪形，管路压力 较平稳。
Page
10
段塞流
管道内的气相为分散 相，被一个个的液塞 所阻段，管路压力波 动较大。
Page
11
环状流
气相在管路中心流 动，并夹带着小液 滴，液相在其外部， 呈环状。管路压力较 稳定。
Page
12
弥散流
Page
35
分液相折算系数
水平管路内气液两相沿管共流，其质量流量为M ， M=ML+Mg，在管长dl段落上的压降为dp，压降梯度为（ dp/dl）。
在相同的管路内，只有液相流动，其质量流量为 ML=M(1-x)，压降梯度为（dp/dl）L。
以上两种情况下两相流与液体管路压降梯度的比值为全 液相折算系数。
Page
20
流型区域图（3）

1.25cm (点线) 2.5cm (实线), 5cm (点划线) 30cm (虚线).
Page
21
垂直管流
气泡流 段塞流 搅动流 环状流 弥散流
Page
22
立式井管中可能出现的 流型变化简图
Page
23
一、多相流管路的特点
1.流型变化多
2.管路内各相的流速不同，相间存在能量交换和 能量损失 3.存在相间传质
Page
49
降低严重段塞流的效果
改变设计
• 小直径管道和海底分离器 • 其他/新设备
运行
• 增加分离器的操作压力 • 节流 • 闭环控制管线
Page
50
Page
43
4、段塞流的分类
0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2
600
650
700
750
800
850
900
950
1000
1050
Page
44
简单解释管道中的严重段塞流
步骤1： 流速不大足够来维系液膜 落下来,并阻塞气流量
Page
45
步骤2：段塞产生 管道中液体积累， 气体压力增加
Page
36
分气相折算系数
水平管路内气液两相沿管共流，其质量流量为M ， M=ML+Mg，在管长dl段落上的压降为dp，压降梯度为（ dp/dl）。 在相同的管路内，只有气相流动，其质量流量为Mg=Mx ，压降梯度为（dp/dl）g。 以上两种情况下两相流与液体管路压降梯度的比值为全 液相折算系数。
气液质量流量、组成、密度、粘度等参数沿线不断变化
4.流动不稳定 5.非牛顿流体和水合物
Page 24
二、气液两相管流的参数和术语
1. 流量
2. 流速
3. 气液相对流速参数（滑差和滑动比）
4. 气液含率
5. 两相混合物的密度 6. 摩擦压降的折算系数
Page
25
1. 流量
质量流量 M= M L + M g（kg/s） 体积流量 Q=QL +Qg （m3/s）
dp X l dl
wl
Page
41
Assumption：
wg Ag wg
wl
Al wl
dp dp ' dp ' dl dl l dl g
A=Ag+Al
Page
42
3、流态模型的压降计算
Bake公式
Mandhane公式 Taitel公式
GL=ML/A=QLρL/A=wsLρL
混合物质量流速
G=M/A =(Mg+ML)/A =wsgρg+wsLρL
Page
29
3. 气液相对流速参数
滑移速度（slip velocity）： 气相速度与液相速度之差
ws =wg－wL
滑动比：气相速度与液相速度之比
s =wg/wL
漂移速度：气相速度与均质流速之差
均相流模型 分相流模型 流型模型
Page
39
均相流模型
把气液混合物看作是一种均匀介质。 两个假设： wH =wg=wL,ϕ＝β,ρf＝ρ 气液两相达到热力学平衡状态，气液相间无热 量的传递。 分散流（气泡流和弥散流）比较接近。
Page
40
2、分离流的摩擦压降模型
wg
dp 2 dp l dl dl l
Page
26
2. 流速
气相、液相速度
wg=Qg/Ag wL=QL/AL
气、液相折算（表观）速度（superficial velocity） 两相混合物中任一相单独流过管道全部流通面积的流速
wsg=Qg/A，wsL= QL/A wg>wsg ，wL>wsL
Page 27
气液相混合物的速度
Page
16
分散流
包括气泡流和弥散流； 管路压力较为平稳。
Page
17
决定流型的参数
操作参数
流量
几何变量
管道直径 倾斜角
二相的物性
密度 粘度 表面张力
Page 18
流型区域图（1）
空气和水两相水平流 管道直径5.1cm
Page 19
流型区域图（2）
空气和水两相 水平流； 管道直径5.1cm； 环境温度25 ◦C 大气压1bar
流动密度
单位时间内流过管截面的两相混合物的质量与体积之比
常用于计算气液混合物沿管路流动时的摩阻损失。
Page
32
真实密度
Δl长度管路内气液混合物的质量与其体积之比。
用于计算由于管路高程变化引起的附加压力损失
Page
33
６．摩擦压降的折算系数
在气液两相混输管路摩擦压降的计算中，常使用折算系 数把两相流动的摩擦压降计算与单相流动的摩擦压降计 算相关联。 全液相折算系数 分液相折算系数 分气相折算系数
Page
5
流型划分
气泡流
气团流
分层流
波浪流
段塞流
环状流
弥散流
Page 6
气泡流
自由气体以小气泡存 在于连续液相中，液 相中不含气泡，管路 压力较稳定。
Page
7
气团流
管道内气体为分散的 较大气团，连续液相 没有形成液塞，管路 压力有较大波动。
Page
8
分层流
管道内的气、液相均 为连续相，并分为上 下两层，管路的压力 平稳。
Page
34
全液相折算系数
水平管路内气液两相沿管共流，其质量流量为M ， M=ML+Mg，在管长dl段落上的压降为dp，压降梯度为（ dp/dl）。 在相同的管路内，只有液相流动，其质量流量也是M， 压降梯度为（dp/dl）L0。 以上两种情况下两相流与液体管路压降梯度的比值为全 液相折算系数。
Page
46
步骤3： 当气体压力和液体起点压力相等， 气体穿透液体流出立管。
Page
47
步骤4： 当气体不断离开 管道时压力下降； 成为连续气泡， 管壁上留下液膜； 气体的速度变小。
Page
48
段塞流引起的运行问题
平台操作
• 分离器 • 压缩机
• 机械应力
油藏
井口压力波动影响地下压力波动
管道