油氣水多相流壓降研究新進展

范偉++劉志斌++孫建剛++王忠華

摘要：對國內外學者在油氣水多相流壓降研究進展進行了階段總結，主要集中在壓降計算模型及影響因素分析兩方面。結果表明：在計算模型研究中，一部分人對Baker、Martinelli及Chishlom等經典模型進行修正，一部分人運用新方法建立適合實驗工況模型，一部分人利用已有模型及算法驗證實驗準確性；壓降影響因素包括各相介質流速、含水率、溫度、管壁粗糙度、流動形態、油品物性等，實驗條件不同，影響因素對壓降作用效果不同。

關鍵詞：壓降；計算模型；影響因素；進展

中圖分類號：TE973.1

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2017）16014303

1引言

集輸管路中油氣水多相流壓降規律變化一直是各方學者研究重點所在，由于混合液需克服湍流時流體質點間相互碰撞并交換動量造成能量損失及自身內摩擦力，這時管路中流體流動前后處便會產生壓差而引起壓力降低，稱為壓降。在油田開采過程中，管道的壓降是集輸系統運行管理的主要技術依據，關系到整個系統的安全運行[1]。基于外圍油田地區分散、原油物性各異、含水高、產能低的現狀，為了達到不加熱或少加熱集輸的目的，節省能源的同時又保證安全生產，這就需要準確地計算出不同工況油氣水混輸管道壓降特性。為此，需了解當前國內外各位學者的研究現狀，為開展壓降研究打下基礎。

2油氣水多相流壓降研究進展

劉曉燕等[2～6]于2003～2006年間在大慶油田現場做了多次油氣水壓降測試實驗，對象為高含水油氣集輸管線，找到了影響壓降變化的因素，介質溫度、含水率和流速，對比分析了間歇出油和正常出油油井的每100 m平均壓降大小。同時，用實測數據修正了經典Baker模型，給出不同含水率間歇出油和正常出油的壓降計算式。該課題組通過降溫方法進行混合液流動實驗，確定了不加熱集輸界限為原油凝點以下3℃。2014年，對溫度為25℃，含水率70%～95%，流量為2.4～6.7 m3/h流態化整形后的膠凝原油與水的混合液進行壓降試驗研究，確定出其四種典型流型的壓降計算模型，結果表明：模型計算準確率在17%以內，含水率對壓降的影響存在一個轉折點，轉折點之前，對于同種流型，定流速時壓降隨含水率的增加而降低；轉折點之后壓降是流速的單調遞增函數[7]。

劉文紅和郭烈錦等[8]做了機械油-水兩相流摩擦阻力實驗，實驗管徑40 mm，含水率為10%～90%，經過詳細分析實驗數據，整理得到了多種典型流動形態下的摩擦阻力壓降表達式。2004年，該課題組[9]研究了油氣兩相流壓降，實驗介質空氣和46#機械油，實驗溫度為常溫，對Lock-hart-Martinelli關聯式中的參數C進行了重新定義，給出了各流動形態壓力梯度計算式。2015年，課題組成員[10]在內徑為76.2 mm，水平管段長度為400 m，立管高度為20.9 m的不銹鋼管內，對集輸立管氣水兩相流壓差信號特征進行了分析，結果表明：四類流型的壓差變化速率差別明顯，過渡流型立管內壓差變化速率最為劇烈，穩定流動壓差變化速率最為頻繁；嚴重段塞流流型、過渡流型及穩定流動都有明顯主頻，但穩定流動頻率幅值明顯小于其他三類流型。同時，還對集輸立管內非穩定流壓差波動特性進行了實驗研究，實驗發現，中高折算速度條件下，立管整體壓差波動幅度與水平管段壓差波動幅度均隨折算速度的增大先増大后減小；而在低折算速度條件下，則表現為單調遞減的變化規律；并建立了各自相應的壓差波動特性等高線圖[11]。

呂宇玲等[12]研究了原油-水兩相流壓降變化規律，實驗管徑25.4 mm，溫度40℃，研究結果表明壓降隨含水率的變化分為油包水、反相和水包油三個階段，油包水階段壓降隨含水率的升高而逐漸變大，水包油階段含水率對壓降的影響較小；加入表面活性劑后，壓降梯度在不同流量下都大于不加劑的情況；反相階段出現二次分散現象，且反相后溫度和含水率變化對壓降影響較小[13]。該課題組還對原油凝點以下的油水混合物分析了溫度對壓降的影響效果，結果表明：壓降隨溫度的升高略有降低，這是因為油水混合物的壓降梯度主要由外相決定，在水漂油塊流型下外相水相的黏度隨溫度變化較小，導致油水混合物的壓降梯度隨溫度的升高而略有減小[14]。

秦立森等[15]以白油為油相介質，在水平管中開展了油氣水三相流實驗，研究了含水率及混合液流量對壓降的作用效果，所得結論如下：混合液流量越大，壓降越大；隨著液體含水率的增加，壓降先增大后減小。宮敬等[16]以3種高粘度油品和自來水為實驗介質，進行了油水兩相流壓降變化規律研究，利用定常圓管層流流動的阻力公式估算了不同流型壓降值，研究結果表明，壓降是流速、含水率、溫度、混合物粘度的函數，流型轉化時壓降波動較大，分層流和環狀流壓降最小。周云龍等[17]對比研究了鋼管和有機玻璃管內的油水兩相流動摩擦阻力隨流速及含水率變化特性，結果表明：隨含水率升高壓降增大，在低含水率較低及含水率較高時壓降幾乎不受流速影響；有機玻璃管內油水兩相摩擦阻力大于鋼管，分層流除外。高偉等[18]建立了油氣水三相段塞流基本方程并進行實驗模擬測試，建立了高含水期油氣集輸管路流動特性智能預測模型，實驗結果與模型計算誤差較小，實現了壓降的準確預測。汪國琴等[19]以10#白油、自來水和空氣為介質，對水平管內油氣水多相流壓降特性進行了實驗研究，基于Chishlom的壓降關聯式，重新定義了關聯參數C，并提出了適用于水平管油氣水三相流的壓降預測關聯式，與實驗結果吻合度較好。韓悅[20]研究了油氣兩相流壓降計算模型，實驗介質溫度分別為40℃和50℃，管道總長度340 m，采用6種算法計算了管段壓降，結果表明：BBM算法能較好的適用于水平管道和小傾斜角度管道，但當產氣量大于80 m3/h時和含水率在55%～75%間時，誤差均≥15%，因此需要對BBM算法進行修正。

Angeli等[21]做了玻璃管和鋼管內油水兩相流實驗，基于所得實驗數據對典型壓降計算模型進行了修正，作者發現在油水轉相點處壓降值最大；分析了壓降影響因素，主要因素除管壁粗糙度以外還有管壁潤濕度。Chakrabarti等[22]在管徑25 mm，流速為0.03～2 m/s情況下，詳細分析了煤油-水兩相流多種流型下的壓降變化，并基于壓力均衡化及能量最低化原理建立了壓降計算模型。Sotgia等[23]以相對密度為0.9的礦物油和水為介質，對兩相流壓降做了大量實驗，作者指出混合液壓降依據油水界面形狀不同而變化，并根據流速變化修正了不同流型的壓降表達式。Bannwart等[24]分別在油田現場及室內做了高凝原油-空氣-自來水三相流壓降實驗，室外管徑為77 mm，管材為鋼管，室內實驗管徑為28.4 mm，管材為聚氯乙烯，實驗結果表明：三相流壓降隨著某一相流速的增加而增大，氣相對壓降影響最為顯著；環狀流流型壓降最小，適于高凝原油安全集輸。endprint

2017年8月綠色科技第16期

范偉，等：油氣水多相流壓降研究新進展

能源與節能

3結論

前人對油氣水多相流壓降做了諸多研究，主要包括計算模型及影響因素分析。在各自的實驗條件下給出了壓降計算模型，有的是利用已有模型及算法驗證實驗效果準確性，有的是對經典模型進行修正，有的是采用新方法擬合出壓降實驗關聯式，有的是研究了壓差波動信號。可見，對于新形勢下集輸管路而言，目前沒有一套嚴格的油氣水壓降計算標準，導致遇到新工況新問題時就別出心裁，如何制定出一套標準計算油氣水混合液壓降將是學者們未來研究的重點。壓降影響因素主要包括流速和含水率，壓降隨流速的增加逐漸升高；隨含水率的增加，壓降呈現先升高后降低的趨勢，對于特高含水期的油田，壓降與含水率變化負相關。

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Pressure Drop Research Development Status of Oil-Gas-Water Multiphase Flow

Fan Wei1， Liu Zhibin1， Sun Jiangang1， Wang Zhonghua2

（1. College of Civil Engineering， Dalian Minzu University， Liaoning， Dalian 116650， China；

2. College of Civil and Architecture Engineering， Northeast Petroleum University， Daqing，Heilongjiang 163318， China）

Abstract： This papersummarized in the oil-gas-water multiphase flow pressure drop research progress for domestic and foreign scholars periodically. It mainly concentrated in the pressure drop calculation model and influence factors analysis. Among the study of computational model， some people haveamended the classic model， such as Baker， Martinelli and Chishlom etc； some people have applied the new method to establish the new model， which adapt their experimental condition； some people have used the existing model and algorithm to verify the accuracy of the experiment. The influence factors of pressure drop include velocity of each phase medium， water cut， temperature， pipe roughness， flow pattern and oil physical property etc.Theeffects on the influence factors of pressure dropvaries fromdifferent experimental conditions.

Key words： pressure drop； calculated model； influence factors； development statusendprint