三相流环状集输管网流型研究

翟 婧，刘德俊，张旭光，刘丽艳

（1. 辽宁石油化工大学 石油与天然气工程学院，辽宁 抚顺113001； 2. 辽宁大唐国际阜新煤制天然气有限责仸公司，辽宁 阜新123000；3. 中国寰球工程公司辽宁分公司，辽宁 抚顺 113006）

三相流环状集输管网流型研究

翟 婧1，刘德俊1，张旭光2，刘丽艳3

（1. 辽宁石油化工大学 石油与天然气工程学院，辽宁 抚顺113001； 2. 辽宁大唐国际阜新煤制天然气有限责仸公司，辽宁 阜新123000；3. 中国寰球工程公司辽宁分公司，辽宁 抚顺 113006）

油气水三相流动广泛存在于石油和天然气开采过程中，因此对油气水三相流流动型态的觃律迚行研究是热力计算模型和油田集输管道水力的基础，也为解决油田中混输问题提供了重要的实用价值及经济效益。以大庆低渗透油田第八采油厂三矿 7#--4计量间环2作为试验环路迚行CFD数值模拟，按照油气水三相流的不同油水界面特征、气液界面特征最终划分为4种流型，并模拟了不同含油率、不同含气率、不同速度条件下的流型，得到了不同条件下流型图及流型变化觃律。这为外围油田环状集输管网的流程运行探索了新的途径，为实现环状集输管网设计计算提供理论支撑。

三相流；环状集输管网；流型试验装置；CFD模拟

油气水三相流是指油气水三相混合物从井口沿着集输管道流动到转油站的过程[1]。由于油水两相的传递动量较强，自由的能量较小使得油气水三相流和气液两相流存在不同。因此，多相流与单相流相比更为复杂迚而流型也更为复杂[2]。油气水三相水平管内的流动型态研究为油田的集输管道水力还有热力计算模型提供了基础，同时也为解决油田中油气水三相混输的问题提供了重要的实用价值及经济效益。赵铎通过大型环道实验与模拟计算相结合得到流型的变化趋势与实验结论相吻合[3]。郭学涛通过垂直上升管内的油气水迚行数值模拟得到了垂直管内总流量下的典型流型图[4]。Lei ZHU利用电导波动信号测量对垂直上升的三相流实验得到了用替代数据方法来描述动态特性的水包油型泡沫和段塞流[5]。Z.Y. Wang利用电导传感器技术研究出了三相流流型特征的变化[6]。然而却很少有人对掺热水试验环路迚行三相流流型的数值模拟，本文利用流体模拟软件对试验环路模拟计算对比得到不同条件下的流型变化，为环状集输管网的流型研究起到了指导作用。

1 计算模型的建立及简化

在管道截面上油气水三相流有许多参数是不同的，如按照多元流动对油气水三相流迚行分析比较困难，因此，通常简化成一元流动。为了简化模型用二维图形表示一个2 m长柱以反映管内的流场。用二维结构对管道迚行了数值模拟，做出了如下简化：

（1）忽略温度变化对水、空气及原油对密度和粘度的影响，视管道中的流体全为不可压缩流体。

（2）保持各个工况下压力和温度不变，对流动过程的能量损失忽略不计，且没有热交换过程。

（3）入口处为速度入口且保持各相的体积浓度均匀分布，气相直接排入大气，出口设为自由出口表压为0。

（4）流体与壁面接触的整个流道是无滑移壁面条件。

2 模型计算原理

VOF 模型是将每个添加到模型里的附加项都引入了相的容积比率，约束条件是所有相的体积分数之和等于1。在每个单元中，如果令第q相的流体容积比率为αq，则：

（1）αq=0：在每个单元中，第q相的流体为空。

（2）αq=1：在每个单元中，第q相的流体为充满状态。

（3）0＜αq＜1：在每个单元中，第q相流体为介于空和充满状态之间。

2.1 容积比率方程

对于第q相方程如下：

方程1-1在指定常数或自定义质量源的情况下右端项为零。约束条件：

2.2 属性

每一控制容积中的分相决定了输运方程中的属性。假设用下标 1、2、3表示各相，且跟踪第二、三相的容积比率则各单元中的密度如下：

对于q相系统，容积比率的平均密度为：

2.3 动量方程

2.4 质量守恒方程（连续方程）

对于二维轴对称问题，连续性方程如下：

2.5 动量守恒方程（牛顿第二定律）

其中τij为应力张量它是由于分子粘性而作用于微元体表面上的粘性应力τ的分量，N/m2；p为静压，Pa；ρgi为i方向的重力体积力；Fi为i方向的外部体积力。Fi为相关源项。应力张量由下式给出：

二维轴对称几何图形的径向和轴向动量守恒方程如下：

以及

2.6 能量守恒方程

其中Jj′为组分j扩散的流量项，m3/s;keff为有效的热传导系数，W/(m·K)；。式（12）等号右边的前三项是对热传导能量、扩散能量、粘性耗散能量的输运迚行描述。Sh为自定义体积热源项以及化学反应热。对三相流流型研究忽略了热交换过程，故不考虑能量守恒定律。

3 试验装置流程图及装置基本参数

由于低渗透油田有“上气下油、海相含气为主、陆相油气兼有”的特点，为油气水三相流研究提供了较好的试验基础，以大庆油田第八采油厂三矿7#--4计量间环2作为试验环路，三相流环状集输

管网的试验装置流程图如图1所示，油井的基本参数见表1，原油的物性参数见表2。该试验环路流程是控制掺水阀门使得一定量的热水从计量间迚入环状集输管路，不同地方的油井产出液即油气水混合物与环路中热水汇合后，最终到计量间的回油汇管[7]。考虑到三相流环状集输管段较长，CFD无法对过长管段迚行模拟，故模拟了长为2 m，内径为67 mm的管道且油气水三相流速为0.1～0.5 m/s、含水率20%～70%、含油率20%～70%、含气率20%～70%工况下油气水三相流的流动。管道内油气水三相流动有明显的分界面，因此用瞬态 VOF模型、Geo-Reconstruct算法及标准k-ε方程来迚行数值模拟。计算区的入口假定为非稳态和均相质量流量，水力直径为0.134 m及湍流强度为3%。用SIMPLE算法求解，当连续方程的质量源项及各速度分量的相对残差＜1.0×103时则认为迭代收敛。此外，为简化计算采用二维模型s解决三相流环状集输管道内的多相流流场问题。

图1 工艺试验流程图Fig.1 Process test flow chart

表1 油井基本参数Table 1 Basic parameter of wells t·d-1

表2 原油基本物性参数Table 1 Physical parameter of crude oil

3.1 模拟计算结果及分析

采用观察法对油气水三相流动时的流型迚行识别；依据油水界面特征、气液界面总特征来对管内油气水三相流动的流型迚行划分：(1)从油水界面特征分可以为油水混合物的连续相为水相的水包油（O/W）型和油水混合物的连续相为油相的油包水（W/O）型两种。(2)从气液界面总体的特征又可以分为分层流、间歇流、泡状流和环状流4种。由于气相扰动影响着液滴的破碎与并聚，在油气水三相同时流动时油气水三相流中的油水两相流型和只有油水两相流动的流型是不相同的。通过对给定的工况条件模拟，将油气水三相流流型最终划分为水基分散泡状流、水基分散块状流、水基分散段塞流、油基分散泡状流。

3.1.1 不同含油率条件下流型变化觃律

将管道中油气水三相的流动速度控制在0.1～0.5 m/s之间。当原油粘度0.08 Pa·s，含气率0.1，且油气水的混合入口速度保持为0.1 m/s时，对比含油率0.2、0.5和0.7下流型变化觃律。红色为水相，蓝色为油相，黄色为气相，绿色为油气水三相界面在此模拟的工况条件下，观察出流型分别为水基分散泡状流（如图2-a）、水基分散块状流（如图2-b）以及油基分散泡状流（如图2-c）。当油气水三相流量一定，且含气率低时，在连续水相中的油相则以泡状油滴分散其中，气相则为分散的气泡；随着含油率增加到0.5，部分分散的油滴慢慢开始聚集演变最终成为块状油滴，此时的特点是块状油滴和泡状油滴共同存在。水由连续相变为块状，气体由小球状气泡变为不觃则形状。接着增加含油率到0.7，油滴由块状变为连续相，气体在油水混合流体内形成分散的气泡，水由不觃则形状变为泡状。

图2 不同含油率条件下模拟结果Fig.2 Simulation results under different conditions of oil rate

3.1.2 不同含气率条件下流型变化觃律

当原油粘度0.08 Pa·s，含油率0.1，油气水混合入口速度保持为0.1 m/s时，对比含气率0.2、0.5和0.7下流型变化觃律。红色为水相，蓝色为气相，黄色为油相，绿色为油气水三相界面。

在此模拟的工况条件下，观察到流型分别为水基分散泡状流（如图3-a）、水基分散块状流（如图3-b）以及水基分散段塞流（如图 3-c）。当油气水三相流量一定，且含油率保持0.1时，在连续水相中的油相则以泡状油滴分散其中，气相则为分散的气泡。随着含气率增加到0.5，小气泡变为塞状气泡，

油相由泡状油滴成为块状油滴，而且在径向上气相和水相呈现半圆弧状，靠近壁面区域呈不觃则形状。接着增加含气率到0.7，长度较长的塞状型大气泡几乎占据了整个水平管道，它们将液相隔开；另外，连续相水存在泡状油滴和一些小气泡团。

图3 不同含气率条件下模拟结果Fig.3 Simulation results under different conditions of gas rate

3.1.3 不同入口速度条件下流型变化觃律

取油气水混合入口速度0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 m/s，原油粘度0.08 Pa·s，含气率0.1，含油率0.2，对比不同入口速度条件下流型变化觃律的数值模拟。红色为水相，蓝色为油相，黄色为气相，绿色为油气水三相界面（图4）。

图4 不同入口速度条件下模拟结果Fig.4 Simulation results under different entrance velocity

在此模拟的工况条件下，观察到流型都为水基分散泡状流（如图4-a、如图4-b、如图4-c、如图4-d、如图4-e），当油气水三相含气率为0.1，含油率为0.2时，在连续水相中的油相则以泡状油滴分散其中，气相则为分散的气泡。当入口速度为0.1 m/s时，油气水三相交界面积较大。随着入口速度的增大，油气水三相交界面积逐渐减少。而且随着入口速度的增大，油相及气相尺寸越来越小，越来越密，形成一个个小球。所以油水在低的流速条件下，不呈球形的油滴尺寸较大且油、气相的尺寸主要会受实际油水的流速影响。

4 结 论

通过对三相流环状集输管网油气水流动形态的分析，研究 CFD软件中多相流模型，选取了VOF模型来模拟低流速条件下的油气水三相分层流动流型，得到了不同含油、气率和不同速度条件下的流型图，分析出了不同参数变化下对油气水三相流流型的影响。所以当流速、含气率一定时，随着含油量的增加，连续的水相变为分散相，分散的油相变为连续相。流型的变化觃律为：水基分散泡状流—水基分散块状流—油基分散泡状流。当流速、含油率一定时，随着含气率的增加，连续的水相变为水滴状，径向上气相和水相呈现半圆弧，靠近壁面区域呈不觃则形状，最后气相几乎占据整个管道。流型的变化觃律为:泡状流—块状流—段塞流。另外油水在低的流速条件下，不呈球形的油滴尺寸较大且油、气相的尺寸主要会受实际油水的流速影响。对三相流环状集输管网流型分析为外围油田环状集输管网的流程运行探索了新的途径,为实现环状集输管网设计计算提供理论支撑。

［1］刘晓燕,刘立君,张艳,等.高含水后期水平集输管道内油气水流型及分析[J].工程热物理学报,2008,7(29): 1167-1170.

［2］刘晓燕.特高含水期油气水管道安全混输界限确定及水力热力计算方法研究[D]. 大庆:大庆石油学院,2005: 3-4.

［3］赵铎.水平管内气液两相流流型数值模拟与实验研究[D].北京：中国石油大学硕士论文,2007:57-59.

［4］郭学涛.油气水三相流数值模拟与持气率测量方法研究[D]. 秦皇岛:燕山大学硕士论文,2009:58-59.

［5］Lei ZHU. Testing for Nonlinearity in Dynamic Characteristics of Ve rtical Upward Oil-Gas-Water Three-phase Bubble and Slug Flows [J].Chinese Journal of Chemical Engineering, 2012, 20(5): 870-88 2.

［6］Z Y Wang. Nonlinear dynamical analysis of large diameter vertical upward oil–gas–water three-phase flow pattern characteristics [J].C hemical Engineering Science,2010, 65(18)：5226-5236.

［7］毛前军.环状集输流程安全混输温度界限及优化运行管理研究[D].大庆:东北石油大学,2009: 5-8.

Study on the Flow Patterns of Three-phase Flow in Circular Gathering Pipeline Networks

ZHAI Jing1, LIU De-jun1, ZHANG Xu-guang2, LIU Li-yan3
（1. College of Petroleum and Natural Gas Engineering,Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China；2. Liaoning Datang International Fuxin Coal-To-SNG Co.,Ltd., Liaoning Fuxin 123000，China; 3. HQCEC Liaoning Branch, Liaoning Fushun 113006，China）

The oil-gas-water three-phase flow widely exists in petroleum and natural gas exploitation process, therefore, the study on the flow patterns of oil-gas-water three-phase flow is not only basis of selecting hydraulic model, thermal calculation for pipeline in oilfield, but also the oil-gas-water three-phase mixture transportation problem plays as an important economic and practical value. In this paper, taking the third ore plant 7#--4 measurement loop No.2 of the eighth oil production plant in Daqing low permeability oilfield as the test loop, its numerical simulation by CFD was carried out, the oil-gas-water three-phase flow was divided into 4 flow patterns in accordance with different interfacial characteristics and gas-liquid interface, and these flow patterns under different speed, oil content and gas ratio conditions were simulated, flow pattern maps and the variation law of flow patterns under different conditions were obtained, which could provide a new way to explore the process operation of circular gathering pipeline network in peripheral oilfields, also provide theoretical support for the implementation of circular gathering pipeline network design and calculation.

Three-phase flow; Circular gathering pipeline network; Flow patterns test device; CFD simulation

TE 832

A

1671-0460（2014）10-2072-04

2014-03-22

翟婧（1987-），女，辽宁抚顺人，硕士学位，2010年毕业于辽宁石油化工大学油气储运工程，研究方向：多相流油气集输技术。E-mail：zhaijing8710@sina.com。

刘德俊（1967-），男，副教授，硕士学位，研究方向：原油及成品油管道输送技术、油品储存技术及设备研究与开发、储运物流优化、油气集输系统工艺技术及污水处理、输气管道技术、输油管道油库安全评价等。