油气水多相流压降研究新进展

范伟++刘志斌++孙建刚++王忠华

摘要：对国内外学者在油气水多相流压降研究进展进行了阶段总结，主要集中在压降计算模型及影响因素分析两方面。结果表明：在计算模型研究中，一部分人对Baker、Martinelli及Chishlom等经典模型进行修正，一部分人运用新方法建立适合实验工况模型，一部分人利用已有模型及算法验证实验准确性；压降影响因素包括各相介质流速、含水率、温度、管壁粗糙度、流动形态、油品物性等，实验条件不同，影响因素对压降作用效果不同。

关键词：压降；计算模型；影响因素；进展

中图分类号：TE973.1

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）16014303

1引言

集输管路中油气水多相流压降规律变化一直是各方学者研究重点所在，由于混合液需克服湍流时流体质点间相互碰撞并交换动量造成能量损失及自身内摩擦力，这时管路中流体流动前后处便会产生压差而引起压力降低，称为压降。在油田开采过程中，管道的压降是集输系统运行管理的主要技术依据，关系到整个系统的安全运行[1]。基于外围油田地区分散、原油物性各异、含水高、产能低的现状，为了达到不加热或少加热集输的目的，节省能源的同时又保证安全生产，这就需要准确地计算出不同工况油气水混输管道压降特性。为此，需了解当前国内外各位学者的研究现状，为开展压降研究打下基础。

2油气水多相流压降研究进展

刘晓燕等[2～6]于2003～2006年间在大庆油田现场做了多次油气水压降测试实验，对象为高含水油气集输管线，找到了影响压降变化的因素，介质温度、含水率和流速，对比分析了间歇出油和正常出油油井的每100 m平均压降大小。同时，用实测数据修正了经典Baker模型，给出不同含水率间歇出油和正常出油的压降计算式。该课题组通过降温方法进行混合液流动实验，确定了不加热集输界限为原油凝点以下3℃。2014年，对温度为25℃，含水率70%～95%，流量为2.4～6.7 m3/h流态化整形后的胶凝原油与水的混合液进行压降试验研究，确定出其四种典型流型的压降计算模型，结果表明：模型计算准确率在17%以内，含水率对压降的影响存在一个转折点，转折点之前，对于同种流型，定流速时压降随含水率的增加而降低；转折点之后压降是流速的单调递增函数[7]。

刘文红和郭烈锦等[8]做了机械油-水两相流摩擦阻力实验，实验管径40 mm，含水率为10%～90%，经过详细分析实验数据，整理得到了多种典型流动形态下的摩擦阻力压降表达式。2004年，该课题组[9]研究了油气两相流压降，实验介质空气和46#机械油，实验温度为常温，对Lock-hart-Martinelli关联式中的参数C进行了重新定义，给出了各流动形态压力梯度计算式。2015年，课题组成员[10]在内径为76.2 mm，水平管段长度为400 m，立管高度为20.9 m的不锈钢管内，对集输立管气水两相流压差信号特征进行了分析，结果表明：四类流型的压差变化速率差别明显，过渡流型立管内压差变化速率最为剧烈，稳定流动压差变化速率最为频繁；严重段塞流流型、过渡流型及稳定流动都有明显主频，但稳定流动频率幅值明显小于其他三类流型。同时，还对集输立管内非稳定流压差波动特性进行了实验研究，实验发现，中高折算速度条件下，立管整体压差波动幅度与水平管段压差波动幅度均随折算速度的增大先増大后减小；而在低折算速度条件下，则表现为单调递减的变化规律；并建立了各自相应的压差波动特性等高线图[11]。

吕宇玲等[12]研究了原油-水两相流压降变化规律，实验管径25.4 mm，温度40℃，研究结果表明压降随含水率的变化分为油包水、反相和水包油三个阶段，油包水阶段压降随含水率的升高而逐渐变大，水包油阶段含水率对压降的影响较小；加入表面活性剂后，压降梯度在不同流量下都大于不加剂的情况；反相阶段出现二次分散现象，且反相后温度和含水率变化对压降影响较小[13]。该课题组还对原油凝点以下的油水混合物分析了温度对压降的影响效果，结果表明：压降随温度的升高略有降低，这是因为油水混合物的压降梯度主要由外相决定，在水漂油块流型下外相水相的黏度随温度变化较小，导致油水混合物的压降梯度随温度的升高而略有减小[14]。

秦立森等[15]以白油为油相介质，在水平管中开展了油气水三相流实验，研究了含水率及混合液流量对压降的作用效果，所得结论如下：混合液流量越大，压降越大；随着液体含水率的增加，压降先增大后减小。宫敬等[16]以3种高粘度油品和自来水为实验介质，进行了油水两相流压降变化规律研究，利用定常圆管层流流动的阻力公式估算了不同流型压降值，研究结果表明，压降是流速、含水率、温度、混合物粘度的函数，流型转化时压降波动较大，分层流和环状流压降最小。周云龙等[17]对比研究了钢管和有机玻璃管内的油水两相流动摩擦阻力随流速及含水率变化特性，结果表明：随含水率升高压降增大，在低含水率较低及含水率较高时压降几乎不受流速影响；有机玻璃管内油水两相摩擦阻力大于钢管，分层流除外。高伟等[18]建立了油气水三相段塞流基本方程并进行实验模拟测试，建立了高含水期油气集输管路流动特性智能预测模型，实验结果与模型计算误差较小，实现了压降的准确预测。汪国琴等[19]以10#白油、自来水和空气为介质，对水平管内油气水多相流压降特性进行了实验研究，基于Chishlom的压降关联式，重新定义了关联参数C，并提出了适用于水平管油气水三相流的压降预测关联式，与实验结果吻合度较好。韩悦[20]研究了油气两相流压降计算模型，实验介质温度分别为40℃和50℃，管道总长度340 m，采用6种算法计算了管段压降，结果表明：BBM算法能较好的适用于水平管道和小倾斜角度管道，但当产气量大于80 m3/h时和含水率在55%～75%间时，误差均≥15%，因此需要对BBM算法进行修正。

Angeli等[21]做了玻璃管和钢管内油水两相流实验，基于所得实验数据对典型压降计算模型进行了修正，作者发现在油水转相点处压降值最大；分析了压降影响因素，主要因素除管壁粗糙度以外还有管壁润湿度。Chakrabarti等[22]在管径25 mm，流速为0.03～2 m/s情况下，详细分析了煤油-水两相流多种流型下的压降变化，并基于压力均衡化及能量最低化原理建立了压降计算模型。Sotgia等[23]以相对密度为0.9的矿物油和水为介质，对两相流压降做了大量实验，作者指出混合液压降依据油水界面形状不同而变化，并根据流速变化修正了不同流型的压降表达式。Bannwart等[24]分别在油田现场及室内做了高凝原油-空气-自来水三相流压降实验，室外管径为77 mm，管材为钢管，室内实验管径为28.4 mm，管材为聚氯乙烯，实验结果表明：三相流壓降随着某一相流速的增加而增大，气相对压降影响最为显著；环状流流型压降最小，适于高凝原油安全集输。endprint

2017年8月绿色科技第16期

范伟，等：油气水多相流压降研究新进展

能源与节能

3结论

前人对油气水多相流压降做了诸多研究，主要包括计算模型及影响因素分析。在各自的实验条件下给出了压降计算模型，有的是利用已有模型及算法验证实验效果准确性，有的是对经典模型进行修正，有的是采用新方法拟合出压降实验关联式，有的是研究了压差波动信号。可见，对于新形势下集输管路而言，目前没有一套严格的油气水压降计算标准，导致遇到新工况新问题时就别出心裁，如何制定出一套标准计算油气水混合液压降将是学者们未来研究的重点。压降影响因素主要包括流速和含水率，压降随流速的增加逐渐升高；随含水率的增加，压降呈现先升高后降低的趋势，对于特高含水期的油田，压降与含水率变化负相关。

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Pressure Drop Research Development Status of Oil-Gas-Water Multiphase Flow

Fan Wei1， Liu Zhibin1， Sun Jiangang1， Wang Zhonghua2

（1. College of Civil Engineering， Dalian Minzu University， Liaoning， Dalian 116650， China；

2. College of Civil and Architecture Engineering， Northeast Petroleum University， Daqing，Heilongjiang 163318， China）

Abstract： This papersummarized in the oil-gas-water multiphase flow pressure drop research progress for domestic and foreign scholars periodically. It mainly concentrated in the pressure drop calculation model and influence factors analysis. Among the study of computational model， some people haveamended the classic model， such as Baker， Martinelli and Chishlom etc； some people have applied the new method to establish the new model， which adapt their experimental condition； some people have used the existing model and algorithm to verify the accuracy of the experiment. The influence factors of pressure drop include velocity of each phase medium， water cut， temperature， pipe roughness， flow pattern and oil physical property etc.Theeffects on the influence factors of pressure dropvaries fromdifferent experimental conditions.

Key words： pressure drop； calculated model； influence factors； development statusendprint