油气集输-第四章-矿场集输管路课件

1、油气集输中国石油大学储建学院储运工程系油气集输课程组7/24/20221 教学内容绪论及油气集输流程油气性质和基础理论上机：相平衡计算 矿场集输管路实验：混输管路的流型和压降 气液分离原油处理原油稳定油田开发和开采 7/24/20222一、气液两相管流的参数和术语 二、混输管路的特点和处理方法三、两相流基本方程四、两相流压降计算 五、段塞流、清管与磨蚀矿场集输管路7/24/20223矿场集输管路的定义与分类 从油气井到矿场原油库、长距离输油管和输气管首站、矿场地域内的所有输送工艺流体（原油和天然气）的管路统称为矿场集输管路。分类：按管路工作的范围和性质分类：出油管、采气管，集油、集气管，输油、

2、输气管；按管路的结构分类：简单管和复杂管；按管路内流动介质的相数分类：单相、两相和多相流管路，在我国两相和多相流管路习惯称为混输管路。矿场集输管路7/24/20224气液两相管流的参数和术语 流量 流速 气液相对流速参数 气液含率 两相混合物的密度 压降梯度折算系数矿场集输管路7/24/20225流量质量流量 （Kg/s） 体积流量 （m3/s） 矿场集输管路7/24/20226流速1、气、液相流速 2、气、液相表观流速3、气液混合物流速 当气、液相流速相同时，即 ，气液混合物的流速称为均质流速：矿场集输管路7/24/202274、气、液相质量流速气相质量流速：液相质量流速：混合物质量流速：

3、矿场集输管路7/24/20228气液相对流速参数 滑移速度 滑动比漂移速度矿场集输管路7/24/20229含气率和含液率 质量含气率与质量含液率体积含气率和体积含液率 截面含气率和截面含液率 矿场集输管路7/24/202210三种含气率之间的关系 体积含气率与质量含气率之间的关系 体积含气率与截面含气率之间的关系 质量含气率与截面含气率之间的关系 比容矿场集输管路7/24/202211矿场集输管路体积含气率与质量含气率之间的关系 7/24/202212矿场集输管路体积含气率与截面含气率之间的关系 7/24/202213 由此可见，在实际管流中，截面含气率和体积含气率的关系可分为三种情况：矿场集

4、输管路7/24/202214矿场集输管路 质量含气率与截面含气率之间的关系 7/24/202215两相混合物的密度 1、流动密度2、真实密度3、均质密度均质比体积矿场集输管路7/24/202216压降梯度折算系数 1、全液相折算系数 2、分液相折算系数 3、分气相折算系数 4、L-M参数 矿场集输管路7/24/202217气液混输管路的特点 1、流型变化多 根据气液在管路内的分布和结构特征，把气液两相管路的流动分成若干流型。 流型的测定方法大致分为三类：目测法：包括肉眼观察和高速摄影测定某一参数的波动量并与流型建立某种联系 由辐射射线的吸收量确定气液混合物的密度和流型 矿场集输管路7/24/2

5、02218埃尔乌斯流型(a)气泡流(b)气团流(c)分层流(d)波浪流(e)冲击流(f)不完全环状流(g)环状流(h)弥散流矿场集输管路7/24/202219Taitel和Dukler流型1976年提出，分为三种基本流型。矿场集输管路7/24/202220垂直管流型(a)-气泡流 (b)-段塞流 (c)-乳沫状流 (d)-环状流 矿场集输管路7/24/202221Baker流型图 1954年提出，第一个适用于各种介质的水平管路流型图，分为七种流型。矿场集输管路7/24/202222Mandhane流型图 1974年提出，分为六种流型。矿场集输管路7/24/202223Taitel-Dukler

6、流型 1976年提出，适合于各种管路倾角，有四个流型判别准则，分为五种流型。Taitel-Dukler水平管流型图矿场集输管路7/24/2022242、存在相间能量交换和能量损失 在气液两相流动中，由于两相的速度常常不同，使气液相间产生能量交换和能量损失。 流速较高的气体，常常把一部分液体拖带到气体中，脱离液流主体时要消耗能量；被气流吹成液滴或颗粒更小的雾滴要消耗能量；由流速较慢的液流主体进入流速较快的气流中的液滴或雾滴获得加速度要消耗能量，这些都存在能量交换。矿场集输管路7/24/2022253、存在相间传质 油气混输管路中，随着管线的延长，压力逐渐降低，气体不断析出，气体的质量流量增加，密

7、度增加；而液体的质量流量减少，密度增加。 注蒸汽管路中，起点压力约在150170大气压，温度为300，质量含气率约70。随着压力的降低，散热量增加，质量含气率下降。矿场集输管路7/24/2022264、流动不稳定 在气液两相管路中，气液两相各占一部分管路体积，当气液输量发生变化时，各相所占管路体积的比例也将发生变化，这就会引起管路的不稳定工作。5、非牛顿流体和水合物 在油田的多相流管路内，油水混合物为非牛顿流体，其表观粘度与剪切历史和剪切强度有关。 在气田的多相流管路内，在高压、低温的条件下可能形成水合物。矿场集输管路7/24/202227气液两相管路的处理方法 均相流模型 分相流模型 流型模

8、型 矿场集输管路7/24/202228均相流模型 把气液混合物看成一种均匀介质，把气液两相管路看作单相管路来处理。假设：1） ，则 ，2）气液相间无热量的传递，故流动介质的密度仅是压力的单值函数 矿场集输管路7/24/202229分相流模型 把管路内气液两相的流动看作是气液各自分别的流动。假设：1） 2）气液相间无热量的传递，故流动介质的密度仅是压力的单值函数 矿场集输管路7/24/202230流型模型 前提是划分流型，然后根据流型特点，分析流动特性并建立关系式。 按便于建立数学模型的原则，某些学者把两相流流型划分为三种：（1）分离流（分层流、波浪流和环状流）（2）间歇流（气团流和冲击流）（3

9、）分散流（气泡流、分散气泡流和弥散流） 矿场集输管路7/24/202231两相流基本方程 将气液两相在管路中的三维不稳定流动简化为一维流动。作如下假设：在管路横截面上各流动参数相等，只沿流动方向而改变； 在很短的微元管段上， 、 不变，但 一般不等于 。 矿场集输管路7/24/202232均相流模型连续性方程 根据质量守恒定律： 质量流出率质量流入率+控制体内质量变化率0 稳定流动常数矿场集输管路7/24/202233均相流模型动量方程 根据动量守恒定律： 动量流出率动量流入率控制体内动量变化率作用于控制体的合力 稳定流动，可简化为 可写为矿场集输管路7/24/202234均相流模型能量方程根

10、据热力学第一定律：控制体吸收的热能控制体内能量的增加率流体对外界做的机械功对管道，流体不对外作功。根据能量守恒定律：控制体内能量的增加率能量流出率能量流入率控制体内能量的变化率 单位质量流体所具有的能量：矿场集输管路7/24/202235稳定流动，单位工质的吸热量：矿场集输管路7/24/202236均相流模型能量与动量方程的比较与动量方程相比较： 流体与管壁摩擦产生的热量使流体所具有的能量增加了 、温度上升。所以，对单相和均相流体，用动量方程或能量方程确定管路压降梯度的计算式，各项相对应。 由热力学第一定律管流 则代入稳定流动能量方程矿场集输管路7/24/202237分相流模型连续性方程 根据

11、质量守恒定律：质量流出率质量流入率+控制体内质量变化率控制体内单位长度上气液相间的质量交换率 气相连续性方程液相连续性方程矿场集输管路7/24/202238将以上两式相加，得混合物连续性方程稳定流动=常数矿场集输管路7/24/202239分相流模型动量方程气相液相矿场集输管路7/24/202240矿场集输管路7/24/202241分相流模型能量方程气相液相矿场集输管路7/24/202242矿场集输管路7/24/202243分相流模型动量与能量方程的比较 对比由动量和能量方程推导的压降梯度公式，虽然都由摩阻、重力和加速度压降梯度三部分组成，但各对应项并不相同。矿场集输管路7/24/202244均

12、相和分相流模型分析矿场集输管路7/24/202245 均相流的压降梯度 单位质量均质流体因摩擦使机械能转变为热能的部分，J/kg 重力和加速度压降梯度可直接计算求得。由流体力学可知，摩阻压降梯度矿场集输管路7/24/202246分相流的压降梯度 动量方程只考虑流体与管壁摩擦所引起的机械能损失；而能量方程的 内既包括流体与管壁，也包括气液界面间摩擦所引起的机械能损失。因而 动量方程能量方程1、摩阻压降加速压降与摩阻、重力压降相比很小，常常可以忽略。矿场集输管路7/24/202247动量方程能量方程由于在气液两相管流中，通常 ， ，所以 2、重力压降矿场集输管路7/24/202248压降计算 Du

13、kler I 法 矿场集输管路7/24/202249压降计算 Dukler II 法 C为系数，是体积含液率RL的函数，可以查图，其回归关系式为 截面含液率HL与体积含气率和雷诺数之间的关系见图。 矿场集输管路7/24/202250矿场集输管路7/24/202251矿场集输管路7/24/202252计算步骤计算 ，假设HL， 求两相混合物密度 求雷诺数 查图得如果 ,用 计算Re和 ，否则以 回到第2步由RL查图得c，然后求 和压降梯度矿场集输管路7/24/202253适用范围 截面含液率为0.011.0，体积含液率为0.0011.0； 管径不大于 英寸（139.7mm）；两相雷诺数为 600

14、2105 。矿场集输管路7/24/202254压降计算 L-M法假设： 把两相管路看成为两条单相管路，一条输送液体，一条输送气体； 相间无相互作用。 矿场集输管路7/24/202255L-M公式的推导（1）（2）（3）假想输液管的压降梯度： 假想输气管的压降梯度： 矿场集输管路7/24/202256（4）（5）矿场集输管路7/24/202257（6）（7）两相管路中只有液体和气体单独流动时的压降梯度： 矿场集输管路7/24/202258由式（1）、（4）、（6）、（8）得： （8）（9）（10）（11）矿场集输管路7/24/202259洛马参数 矿场集输管路7/24/202260将（10）、（

15、11）式代入LM参数的定义式得：将式（12）代入（10）、（11）后得： （12）（13）（14）矿场集输管路7/24/202261X与 、 的关系矿场集输管路7/24/202262 混输管路的压降由下面任一式求出： 矿场集输管路7/24/202263L-M公式的推导思路求取混输管路的压降，可利用公式：或由于单相管路的压降好求，因此只需要求分液相折算系数或分气相折算系数分液相折算系数或分气相折算系数与L-M参数有关，只需求L-M参数L-M参数可由右式求得矿场集输管路7/24/202264奇斯霍姆建立的关系式 （15）（16）（17）（18）矿场集输管路7/24/202265假设： ，根据分液相

16、折算系数的定义,由式、（6）、（18）得： （19）矿场集输管路7/24/202266L-M参数在 的假定条件下可表示成： 则（19）可写成： （20）矿场集输管路7/24/202267由滑动比的定义可以推出 则： （21）矿场集输管路7/24/202268同理可以推导出（22）其中 对于C 值,奇斯霍姆根据气、液分别在两相管路中单独流动时的流态给出了推荐值。矿场集输管路7/24/202269L-M法求水平气液两相管流压降梯度的计算步骤 1）判断气、液单独在两相管路中流动时的流态，确定C 值2）计算单相管路的压降梯度，确定X3）根据奇斯霍姆建立的关系式计算4）根据分气相折算系数或分液相折算系数

17、的定义式计算两相管流的压降梯度矿场集输管路7/24/202270压降计算B-B法 根据均相流模型能量方程，起伏两相管流的压降梯度 可见，管路总压降梯度为单位管长动能变化和位能变化以及摩阻损失之和。 矿场集输管路7/24/202271B-B法压降梯度公式-动能变化项其中矿场集输管路7/24/202272矿场集输管路7/24/202273分析上式括号内各项的大小可知 则动量变化项：矿场集输管路7/24/202274真实密度：以截面含液率取代截面含气率，则动能变化项为：矿场集输管路7/24/202275B-B法压降梯度公式-位能变化项 对于倾角为 、长 为的管段，其爬坡的垂直高度为： 故位能变化项为

18、： 矿场集输管路7/24/202276B-B法压降梯度公式-摩阻损失项 在计算摩阻损失时，贝-布采用了气液混合物的流动密度 矿场集输管路7/24/202277B-B法压降梯度公式 该式考虑了管路起伏对压降的影响，把下坡段的能量回收考虑在了计算公式中。既适合水平管，又适合倾斜管，同时还适合单气相管路和单液相管路。矿场集输管路7/24/202278截面含液率实验结论 管段倾角大于3时，实验中未发现分层流型；下坡段观察到的流型几乎都是分层流；管路上倾时，有一最大的截面含液率；管路下倾时，有一最小的截面含液率。矿场集输管路7/24/202279截面含液率的求解方法系数a,b,c取决于流型过度流矿场集输

19、管路7/24/202280两相水力摩阻系数的求解方法矿场集输管路7/24/202281压降计算 M-B法 流型只分为气泡流、分层流、冲击流和环状流四种 液相表观流速准数： 气相表观流速准数： 液相性质准数： 矿场集输管路7/24/202282M-B流型分界 ，气泡流段塞流间转型相关式 ，段塞流环状流间转型相关式 ，气泡流段塞流转型相关式 ，分层流边界相关式矿场集输管路7/24/202283矿场集输管路7/24/202284M-B实验结论 时， 为环状流， 时为弥散流 ，不管倾角是多少，实验中没有观察到分层流现象。当 时为气泡流，否则是冲击流管路下倾时常遇到分层流或气泡流 不管管路倾角如何，液相

20、粘度对流型的转变都有较大的影响 下倾管，在030度范围内下倾角越大分层流范围越大，超过30度下倾角越大分层流范围越小矿场集输管路7/24/202285持液率相关式C1C6系数，根据倾角和流型可查。矿场集输管路7/24/202286M-B相关式 高程压降加速压降摩阻压降气泡流和段塞流分层流环状流 按均相流计算并修正矿场集输管路7/24/202287管路起伏对两相管流的影响 对流型的影响 上坡段举升气液混合物所消耗的能量在下坡段不能完全回收，有能量的损失 上坡能量消耗下坡能量回收下坡，由于重力和浮力的作用又 ，使得下坡回收的能量不能完全补偿上坡的能量消耗，带来能量的损失矿场集输管路7/24/202

21、288弗莱尼根的结论 管路下坡段回收的能量比上坡段举升流体所消耗的能量小得多，可以忽略 上坡段由高差所消耗的压能与两相管路的气相表观流速呈反比，表观流速趋于零时，高程附加压力损失最大 由爬坡所引起的高程附加压力损失与线路爬坡高度之总和成正比，和管路爬坡的倾角、起终点高差无关 矿场集输管路7/24/202289弗莱尼根关系式起伏管路的总压降=水平管路压降+起伏附加压降矿场集输管路7/24/202290段塞流分类水动力段塞流：管内气液表观流速处于流型图段塞流范围内诱发的段塞流。 地形起伏段塞流：由于液相在管路低洼处积聚、局部堵塞气体通道而诱发的段塞流。常在较低气液流量下发生。 强烈段塞流：在出油管立管系统中，若出油管为下倾管，管内气液流量很小并呈分层流时，将发生强烈段塞流。矿场集输管路7/24/202291水动力段塞流诱发机理 波峰处，气体流速增大，局部压力比上、下游的压力低。在压差的作用下，波浪有增高的趋势，而诱发段塞流。矿场集输管路7/24/202292地形起伏段塞流诱发机理 在下坡管段为分层流。下坡段的液体流向管路低洼处，低洼处下游上坡段的液体因重力而倒流，使管道低洼处液体积聚。在局部堵塞的管道低洼处，气体流通面积减小，气体流速增大，气体带液能力增强，使上坡段的含液率大幅增加，在上坡段就形成了段塞流。矿场集输管路7/24