含有油水乳状液油气水三相分层流的水力学模型

'学兔兔www.xuetutu.com石油天然气学报(江汉石油学院学报)2008年12月第30卷第6期JournalofOilandGasTechnology(J．JPI)Dec．2008Vo1．30No．6含有油水乳状液油气水三相分层流的水力学模型杨艳芳(长江大学地球科学学院，湖北荆州434023)[摘要]在油气水的三相管内流动中，分层流同样也是一种常见流型。由于互不相溶的油水两相之间相互作用及分散程度的复杂性，所以油气水三相分层流比一般的气液两相分层流要复杂许多。使用一维三流体模型求解含有油水乳状液的分层流、即气体／(w／o型)乳状液／(w／()／W型)多重乳状液的三相分层流。通过模型的求解可以确定油气水分层流的相分率及其他相关参数和压降。[关键词]多相流；油气水三相；油水乳状液；分层流；水力模型[中圈分类号]TE31l[文献标识码]A[文章编号]1000—9752(2008JO6—0332一O31建立模型对于气体／(W／O型)乳状液／(w／o／w型)多重乳状液的三相分层流动，研究采用一维三流体模型进行分析。选择这类分层流作为研究对象，是由于此类分层流比较复杂并具有一定的代表性，其研究方法和结果可以为其他的三相分层流借鉴。1．1基本方程为了建立稳态的气体／(W／O型)乳状液／(w／o／w型)多重乳状液(以下简称为气／(w／o)／(w／cvw))的三相分层流的一维三流体模型，首先提出下述假设：①各相在管内沿轴向作一维的稳态等温流动；②油相总是比水相轻，因此w／o／w型多重乳状液总是在管道的底部流动，而w／o型乳状液在气相与w／o／w型多重乳状液之间流动。1)连续性方程在分层流动过程中，气体和液体之间可能有质量交换，尤其当气液界面出现波浪的时候，但是其数量与液液之间的交换相比非常小，可以忽略。对于液相有：U。l—U1+(1)U。l56一U。+E(2)式中，己，。，、U。分别为w／o型、w／o／w型乳状液的表观速度；声w、如c、。当含水率≤30时，国内常见高粘易凝原油的油水混合物一般是稳定的w／o型乳状液，故文中取一30。这样，只要确定了转相点处的临界含水率，就可通过以上两式求得w／o和w／o／w型乳状液的表观速度U。和。2)动量方程为：气相一S。一riSi—f，gAggsin一A。导导=0(3)w／o—r1S1一sj+Si—plAIgsinO--A1=0(4)w／o／w一S2一Sj一‘02A2gsinO—A2=0(5)。’⋯式中，下标1、2分别表示W／O与W／O／W型乳状液；i、j表示气相与w／o、w／o与w／o／w型乳状液的相[收稿日期]2008—06—12[作者简介]杨艳芳(1982一)，女=，2003年大学毕业，硕士生。现主要从事石油地质方面的研究工作。 学兔兔www.xuetutu.com第3O卷第6期杨艳芳：含有油水乳状液油气水三相分层流的水力学模型界面。若忽略液相断面上的静水压力梯度及表面张力的影响，则各相的压力梯度相等，于是由式(3)～(5)可得如下方程组：Z"gSg--1rS·一~-TvJSj+riSi(击+走)+(Pg—lD)gsinO一0(6)1r-S一1r252--1riS+Sj(击+去)+(1D一p2)gsin==：。(7)1．2剪切应力的计算在动量方程组的求解过程中，计算流体对壁面及相界面处的剪切应力是很重要的，其中的关键问题是范宁摩阻系数的选择，这是气液多相流建模及求解中不可或缺的环节，它影响着质量、动量及能量传递过程，决定了多相流模型和计算方法的优劣。计算壁面剪切应力最常用的方法是使用范宁系数关系式，因此，笔者选用该方法计算流体对壁面和相界面的剪切应力：r一告u(8)一寺(Ug—U1)lU。一UlI(9)=寺ID1(u1一U2)l【，l—u2I(1o)式中，，为范宁摩阻系数。不同情况下范宁系数的选择：1)流体对壁面的范宁系数气体的范宁系数，本文选用Blasius(1913)关系式，即：一(){Cg=O．0—46,n=2层流Ⅲ对液相的范宁系数，选用Dodge／Metzner关系式计算幂律模式非牛顿乳状液的范宁系数口，即：．去一筹lg["ReMR号)卜(12)2)界面的范宁系数气体与w／o相界面的范宁系数，本文采用Andrits0s／Hanratty关系式[，因为它考虑了气液相界面上的波动对剪切应力产生的影响。当气相表观流速≤lm／s时，=。当气相表观流速>5m／s时，一(1+15)(一1)。式中，h一为液相高度。3)方程组的求解经过以上分析和处理后，将选定的范宁系数关系式代人剪切应力的定义式(9)、(10)，然后和连续性方程式一起代人式(6，7)，构成二元非线性方程组。参照Taitel／Duklerd的方法，求解前将方程组中的参数无因次化，使之成为无因次液相高度(。／D、h／D)的函数，也就是说方程组中的未知量只是w／o和w／o／w层的无因次高度。使用高斯迭代法求解方程组。只要给定油气水的体积流量、物性(密度和粘度)、管径、倾角及转相点的临界含水率，就可以求得上述液相高度，确定相分率和压降。4)油气水分层流压降的计算通过一维三流体模型可推导出油气水分层流压力梯度的表达式。将各相的动量方程式相加整理后即可得到压降的计算式：dp===去(rgs"-["voS。"-}-r~S)+(HPg+H。po+Hpw)gsin(13)在上式中各相的相分率、湿周和壁面剪切应力，已经在模型方程组的求解过程中得到，只要代人计算即可。其他种类的油气水分层流的压降表达式，也可以参照上式得到。经过前面的分析，本文已经建立了包含油水乳状液的油气水三相分层流的求解方法，从中可以得到 学兔兔www.xuetutu.com石油天然气学报(江汉石油学院学报)2008年12月各相的液面高度，流速，相分率和压降等主要的流动参数。对三相分层流动有较大影响的物性主要有密度和粘度，其中油的粘度变化范围最大，影响也最大，相比之下其他的物性或者变化很小，或者影响很小。2计算举例将上述方法用于实际计算。已知输液量为743．66m。／d，输气量为71300m。／d，进出口压力分别为2．1、1．6MPa，进出口温度分别为54、52"C，含水率为59。采用本文的油气水三相分层流模型进行计算，管路压降的结果为0．39MPa，计算值与实测值的相对误差为一22。考虑到现场实际数据比较粗糙，有许多不确定因素，应该说计算结果还是较为理想的。当然，本文方法的计算精度和适用范围究竟如何，还需要更多的现场实测数据加以验证。3结论1)在给出油气水三相分层流详尽分类的基础上，首次使用一维三流体模型对具有代表性的流动类型——包含油水乳状液的分层流(气体／(w／o)／(w／o／w))进行了分析和求解，确定了相分率、压降和其他流动参数的计算方法。2)求解油气水三相分层流的关键问题是选择合适的范宁系数关系式，笔者对此进行了有益的研究和尝试，取得了比较理想的结果。这一问题值得进一步深入研究。3)将相分率和压降的理论计算值与实验数据及现场实际生产数据进行了对比，通过比较可以发现，理论预测的结果与实际结果吻合较好，说明所建立的油气水三相分层流的计算方法具有比较理想的适用性。不过，还需要更多的现场和实验数据的验证，进一步修改完善。[参考文献][1]肖伟，胥元刚．国外多相流研究的最新进展[J]．内蒙古石油化工，2005，(4)；30．[2]于立军，蒋安众，虞亚辉等．水平管内油气水三相流动特性研究[J]．上海交通大学学报，2000(3)：21~25．[3]汤勃，徐立伟，饶润生．基于分相流模型的三相流管道压降计算[J]．武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2002，(z)：45～48．[编辑]苏开科'