石油天然氣管道系統中的低含液氣液兩相流研究綜述

摘" " " 要： 低含液氣液兩相流廣泛存在于石油管道系統中。對低含液氣液兩相流的兩種典型工況（天然氣生產井、長輸管道濕氣輸送）進行了介紹，對低含液氣液兩相流動的研究現狀進行了總結，提出未來模擬實驗的工況應力求接近實際，為低含液氣液兩相流動的實際應用提供可靠的流動保障方案。

關" 鍵" 詞：低含液氣液兩相流；天然氣生產；濕氣輸送

中圖分類號：TE83" " " 文獻標識碼： A" " "文章編號： 1004-0935（2023）02-0286-03

在石油天然氣管道運輸系統中，尤其是天然氣生產和長輸管道濕法輸氣中，低含液氣液兩相流動非常常見[1]。這是由于在運輸碳氫化合物的管道中，管道沿線壓力和溫度的下降而導致的氣相冷凝和水蒸氣冷凝，隨之在管道內部形成了少量液體，進而形成低持液率的氣液兩相流動，兩相之間的相互作用會產生與單相流截然不同的特性[2-4]，對管內流動特性以及管道腐蝕等流動保障問題產生較大影響，例如使管內壓力顯著升高等，因此有必要對低含液氣液兩相流動行為特性進行更為深入的分析[5-6]。

1" 低含液氣液兩相流的典型工況

1.1" 天然氣生產井

低含液流動是指液體流量與氣體流量相比非常小的流動狀態，它在天然氣井筒中廣泛存在[7]。在石油工業系統中，MENG[8]等將兩相流動中含液率低于1 100 m3·（MMsm）-3時定義為低含液量。輸氣管道在其固定的運行區域，溫度和壓力有上下限。邊界條件取決于管道強度、壓縮機排放條件以及下游用戶需求。只要天然氣管道的運行區域或壓力-溫度路徑位于露點曲線右側的相包絡之外，管道就將始終在單相模式下運行。然而，在許多情況下，即使氣體以單相模式進入管道，也可能在管道的某處形成一些液體[9]。為此，AYALA等對在低含液量下可預期的所有可能的流型及其轉變進行了模擬，強調了此類管流的低含液特性，建立了描述天然氣管道內流體動力學穩態行為的雙流體多相流模型。

1.2" 長輸管道濕氣輸送

濕氣體由麥凱恩定義為凝析油水平大于" " "56 m3·（MMsm）-3的碳氫化合物氣流[10]。與常規氣田開發相比，濕法輸氣生產工藝產出的天然氣中含有飽和水，隨著管道輸送距離的增加，溫度和壓力的下降逐漸導致冷凝水的沉淀，冷凝水的形成使管道內的流動轉化為氣液兩相流，摩阻損失增加，流動截面積減小，輸送效率降低，一旦溫度低于0 ℃，冷凝水結冰會影響管道的運行[11]?。水分含量也會直接影響后續的生產設施，如影響分離器的處理能力。因此，HE[12]等通過驗證實驗數據，提出將清管方法與多點排水裝置相結合，為濕氣輸送的流動保障提供了一種安全、經濟的方法。

2" 低含液氣液兩相流流動特性的影響

因素

就低含液氣液兩相流動的典型工況——濕氣輸送來說，管道中的低含液流動是由于輸送未經處理的原料氣所產生的正常現象。影響低含液氣液兩相流動流動特性的主要參數是管道幾何形狀（傾角和直徑）、操作條件（流量、壓力和溫度）以及氣體和液體的物理性質（密度、黏度和表面張力）。即使管道輸送的是單相氣體，氣相中較重的組分與微量水的冷凝也會導致兩相流動。這些液體在管道中的存在，雖然數量很少，但會影響不同的流動特性，如壓力分布[13]。水合物的形成、管道腐蝕、清管頻率以及與壓力和持液率相關的下游設施也會受到影 響[14]。因此，了解低含液量氣液兩相流動的流動特性，對于濕氣體的輸送具有重要意義。

MARTINEZ[15]等使用計算流體力學（CFD）模擬軟件重點研究了低含液氣液兩相流動的持液率和壓降特性，此外還用天然氣-凝析油混合物模擬了哥倫比亞天然氣管道的不同管段，以分析在實際工業條件下管道傾角和操作變量對持液率的影響。

3" 低含液氣液兩相流研究現狀

3.1" 實驗研究

早期的實驗研究如HART[16]等提出了ARS模型，該模型適用于持液率范圍為0～0.6的水平管道，主要用于研究低含液氣液兩相流動的持液率和壓降梯度。CHEN[17]等提出了雙圓環模型，用于研究低含液氣液兩相流管內介于FLAT模型與HART等提出的ARS模型這兩種極端情況之間的氣-液界面。BADIE[2]等以空氣和水為兩相介質，在管徑為79 mm的水平管道中對低含液氣液兩相流流動特性進行了研究，經過比對實驗數據與機理模型，提出ARS模型通常對實驗范圍內的持液率預測計算具有更好的精度。MENG[18]等使用由直徑為50.1 mm，傾角為" ±2°、0°、±1°的丙烯酸管制成的管道系統研究了管道傾角對低含液兩相流動的持液率和壓降梯度的影響，提出了新的界面摩擦系數關聯式。GUNER[19]等基于內徑3英寸、傾角為 90°、75°、60°和 45°的實驗管道對低含液氣液兩相流管道傾斜對流型轉變的臨界氣體速度的影響，提出低持液率是在天然氣井生產和低含液氣液兩相流通過立管輸送過程中存在的主要差異。DEENDARLIANTO[20]等對低含液量水平管道中氣液分層兩相流的濕壁分數進行了實驗研究，建立了關聯式來預測水平管中氣液分層流動的濕壁分數。FAN[21]等采用絲網傳感器研究了向上傾斜管中低含液氣液兩相流的流型及其轉變、壓力梯度和持液率的測量、流動特性分析等，提出了分層流和段塞流過渡區速度的簡化關聯式。

根據過去幾十年中不同研究者進行的實驗測量和觀察，描述了低含液氣液兩相管道內一系列關于流體相行為、流體性質、壓降梯度、持液率和溫降等典型流動現象，提出了相應預測計算關聯式[22]。

3.2" 數值模擬

KARAM[23]等對水平管道進行了CFD模擬，采用VOF多相流模型分析了低含液氣液兩相管流內界面形狀、氣液兩相的速度場、持液率及剪應力分布。肖坤[24]利用Fluent軟件研究水平管中的低含液氣液兩相流的流動特性，得出Taitel amp; Dukler模型在判斷管內流型時，計算吻合結果較好；在計算持液率和壓降梯度時，ARS模型具有較高的預測精度。管孝瑞[25]等對低含液濕氣集輸管線內的液膜厚度分布特性進行了研究，利用Fluent軟件建立了低含液率氣液兩相流動數學模型，對試驗管段內的氣相流場、液滴分布等流動特性進行了研究[26]，得出運用邊界層網格與增強壁面函數相結合的方法，能夠很好地模擬近壁處流場[27]。高雪琦[28]采用Eulerian wall film模型對低含液量管路內液膜分布特性進行數值模擬，分析了彎管結構對于氣相分布特性的影響以及液膜沿截面軸向的變化趨勢。袁穎[29]利用Fluent軟件對文丘里管內低含液氣液兩相流流動進行模擬，獲得了管內流場分布、靜壓分布及液滴濃度分布。馬魯英[30]通過Fluent軟件對傾斜天然氣管道內低含液氣液兩相流動的流動特性進行了研究，分別觀察了傾斜管內積液的運動情況、積液在傾管內平鋪長度、臨界狀態傾斜管內速度場的分布、臨界持液率等。梁鈺[31]基于數值模擬軟件CFD對傾斜井筒中的積液特性進行了研究。通過模擬得出正常生產中的氣井壓降隨入口氣體流速、體積含液率以及傾斜角度的增加而增加。

隨著近年來計算機技術飛速發展，對于低含液氣液兩相流動的研究可借助計算流體力學模擬軟件進行。數值模擬克服了實驗研究條件的局限性以及理論解析的復雜性。

4" 結束語

早期關于低含液氣液兩相流的流動機理及流動特性的實驗研究受制于實驗條件，大多集中在小管徑、水平管內的流動[32]。近年來，隨著計算機模擬技術的飛速發展，對低含液氣液兩相流的研究在實驗的基礎上與計算流體力學模擬軟件相結合，擴大了實驗范圍，克服了實驗條件的局限性，提高了計算精度。值得注意的是，目前低含液氣液兩相流所處的實際工況一般為大管徑、多起伏管路[33]，這與實驗工況相差較大，未來模擬實驗的工況應力求接近實際，為低含液氣液兩相流動的實際應用提供可靠的流動保障方案。

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Research Review of Low Liquid Loading Gas-Liquid

Two-phase Flow in Oil and Gas Pipelines

HAN Chu-jun1， WU Nan-nan1， LIU Zhao-xv2

（1. Xi'an Shiyou University， Xi'an Shaanxi 710000， China;

2. PipeChina West Pipeline Company， Lanzhou Gansu 730000， China）

Abstract：" Low liquid loading gas-liquid two-phase flow widely exists in petroleum pipeline system. in this paper， two typical working conditions of gas-liquid two-phase flow with low liquid content （natural gas production well and long-distance pipeline wet gas transportation） were introduced， and the research status of gas-liquid two-phase flow with low liquid content was summarized， and it was pointed out that the working conditions of experiments or numerical simulation in the future should be close to reality， so as to provide a reliable flow assurance scheme for the practical application of low liquid loading gas-liquid two-phase flow in oil and gas pipelines.

Key words：" Low liquid loading gas-liquid two-phase flow; Natural gas production; Wet gas transportation