工学3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李琦瑰8/4/20221第1页，共77页。 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 8/4/20222第2页，共77页。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、两相流压降计算 四、段塞流、清管与磨蚀矿场集输管路8/4/20223第3页，共77页。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：

2、出油管、采气管，集油、集气管，输油、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8/4/20224第4页，共77页。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8/4/20225第5页，共77页。流量质量流量 （kg/s）体积流量 （m3/s） 矿场集输管路8/4/20226第6页，共77页。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8/

3、4/20227第7页，共77页。4、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： 矿场集输管路8/4/20228第8页，共77页。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8/4/20229第9页，共77页。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8/4/202210第10页，共77页。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 矿场集输管路8/4/202211第11页，共77页。矿场集输管路体积含气率与质量含气率之间的关系 8/4

4、/202212第12页，共77页。矿场集输管路体积含气率与截面含气率之间的关系 8/4/202213第13页，共77页。 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：矿场集输管路8/4/202214第14页，共77页。矿场集输管路 质量含气率与截面含气率之间的关系 8/4/202215第15页，共77页。两相混合物的密度 1、流动密度2、真实密度3、均质密度矿场集输管路8/4/202216第16页，共77页。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8/4/202217第17页，共77页。气液混输管路的特点

5、 流型变化多存在相间能量交换和能量损失存在相间传质流动不稳定非牛顿流体和水合物问题 矿场集输管路8/4/202218第18页，共77页。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8/4/202219第19页，共77页。Alves 流型（水平）(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8/4/202220第20页，共77页。T

6、aitelDukler流型（水平）矿场集输管路 分离流 间歇流 分散流8/4/202221第21页，共77页。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8/4/202222第22页，共77页。Baker流型图（水平）矿场集输管路8/4/202223第23页，共77页。Mandhane流型图（水平）矿场集输管路8/4/202224第24页，共77页。Taitel-Dukler流型图（各种倾角） 适合于各种管路倾角，有四个流型判别准则，分为五种流型。不同倾角有不同的流型图。水平管流型图矿场集输管路8/4/202225第25页，共77页。2、存在相间能量

7、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8/4/202226第26页，共77页。3、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

8、，质量含气率下降。矿场集输管路8/4/202227第27页，共77页。4、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问题 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8/4/202228第28页，共77页。气液两相管路的处理方法 均相流模型 分相流模型 流型模型 矿场集输管路8/4/202229第29页，共77页。均相流模型 把气液混合物看成一种均匀介质，把气液两

9、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8/4/202230第30页，共77页。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，把气相和液相都按单相管路处理，并计入相间作用。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8/4/202231第31页，共77页。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：（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）分

10、散流（气泡流、分散气泡流和弥散流） 矿场集输管路8/4/202232第32页，共77页。两相管流压降计算方法 矿场集输管路Dukler I 法Dukler II 法L-M法B-B法(Beggs-Brill)M-B法（Mukherjee-Brill）8/4/202233第33页，共77页。Dukler I 法（水平、均相流模型） 矿场集输管路8/4/202234第34页，共77页。Dukler II 法（水平、分相流模型） 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8/4/202235第35页，共77页。矿场集输管

11、路8/4/202236第36页，共77页。矿场集输管路8/4/202237第37页，共77页。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8/4/202238第38页，共77页。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 6002105 。矿场集输管路8/4/202239第39页，共77页。L-M法（水平、分相流模型）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

12、输管路8/4/202240第40页，共77页。L-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8/4/202241第41页，共77页。（4）（5）矿场集输管路8/4/202242第42页，共77页。（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8/4/202243第43页，共77页。由式（1）、（4）、（6）、（8）得： （8）（9）（10）（11）矿场集输管路同理8/4/202244第44页，共77页。洛马参数 矿场集输管路8/4/202245第45页，共77页。将（10）、（11）式代入LM参数的定义式得：将式（12）

13、代入（10）、（11）后得： （12）（13）（14）矿场集输管路8/4/202246第46页，共77页。X与 、 的关系矿场集输管路8/4/202247第47页，共77页。 则混输管路的压降可由下面任一式求出： 矿场集输管路8/4/202248第48页，共77页。奇斯霍姆建立的关系式 （15）（16）（17）（18）矿场集输管路8/4/202249第49页，共77页。假设： ，根据分液相折算系数的定义,由式（6）、（18）得： （19）矿场集输管路8/4/202250第50页，共77页。L-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8/4/202251第51页

14、，共77页。由滑动比的定义可以推出 则： （21）矿场集输管路8/4/202252第52页，共77页。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8/4/202253第53页，共77页。L-M法求水平气液两相管流压降梯度的计算步骤 1）以雷诺数1000判断气、液单独在两相管路中流动时的流态，确定c值2）计算气、液单独在两相管路中流动时的压降梯度，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的定义式计算两相管流的压降梯度矿场集输管路8/4/202254第54页，共77页。B-B法(Beggs-

15、Brill) 根据均相流模型动量方程，两相起伏管流的压降梯度 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8/4/202255第55页，共77页。B-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8/4/202256第56页，共77页。实验结论 管段倾角大于3时，实验中未发现分层流；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8/4/202257第57页，共77页。截面含液率

16、系数a，b，c 取决于流型过度流矿场集输管路倾角修正系数8/4/202258第58页，共77页。两相水力摩阻系数矿场集输管路8/4/202259第59页，共77页。M-B法（Mukherjee-Brill）流型模型，流型分为气泡流、分层流、冲击流和环状流液相表观流速准数： 气相表观流速准数： 液相性质准数： 矿场集输管路8/4/202260第60页，共77页。流型分界相关式 ，气泡流冲击流间转型相关式 ，冲击流环状流间转型相关式 ，气泡流冲击流转型相关式 ，分层流边界相关式矿场集输管路8/4/202261第61页，共77页。矿场集输管路8/4/202262第62页，共77页。实验结论 时， 为

17、环状流， 时为弥散流； ，不管倾角多小，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； 时，液相粘度对流型的转变都有较大的影响； 矿场集输管路8/4/202263第63页，共77页。下倾管，在0-30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；液体流量为定值时， 时气泡流转变为冲击流的气体流量比 时要大得多；液体流量为定值时，上倾角愈小，由气泡流转变为冲击流的气体流量愈小。矿场集输管路8/4/202264第64页，共77页。持液率相关式C1C6系数，根据倾角和流型可查。矿场集输管路8/4/202265第65页，共77页。压降

18、相关式 高程压降加速压降摩阻压降气泡流和冲击流分层流环状流 按均相流计算并修正矿场集输管路8/4/202266第66页，共77页。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8/4/202267第67页，共77页。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

19、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8/4/202268第68页，共77页。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8/4/202269第69页，共77页。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8/4/202270第70页，共77页。水动力段塞流诱发机理 波

20、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，由此诱发段塞流。矿场集输管路8/4/202271第71页，共77页。地形起伏段塞流诱发机理 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，由此上坡段形成段塞流。矿场集输管路8/4/202272第72页，共77页。强烈段塞流形成机理 强烈段塞流具有周期性，一个周期内有四个过程：立管底部堵塞（出油管分层流，气体流速小，没有足够的能量带液通过立管,液体在立管底部不断积累，液位不断增高，出