煤层气井筒气液两相流数值模拟

在煤层气井开采过程中由于井底积液的影响,会在管道中形成气液两相流动。用数值模拟方法研究含气率、进口压力、进口温度、压降等参数对气液两相流流态的影响。结果表明：进口压力和进口温度对气液两相流流态影响较小;含气率对两相流流态的影响很大,决定了气液两相的流态,当含气率小于0.2时,气液两相流呈现泡状流,当含气率在0.2～0.3时气液两相流流态呈现段塞流,当含气率在0.5～0.6时,气液两相流流态呈现搅动流,当含气率超过0.8时,气液两相流流态呈现环状流;压降对流体的影响较为复杂,随着压降增加,流态会缓慢发生变化,管内两相流中的气体膨胀,改变了截面含气率以及气液两相的表观速度,使两相流流态发生了转变;当压降超过一定值时,流态会从一种形态转变为另外一种形态。     

水平气-液两相流伪段塞流和段塞流的识别及其理论预测

水平气-液两相流中,由于气相流速较高时出现的伪段塞流具有环状流和段塞流双重特征,故导致流型识别上的困难.通过对实验数据的分析,利用压力脉动、压力信号的振幅、液塞的速度3种特征来辨识伪段塞流和段塞流,并应用于40和50 mm管径水平管道油气两相流实验.在压力脉动时序图上,段塞流具有伪段塞流所没有的维持段特征,且伪段塞流的压力振幅和液塞速度都要明显低于段塞流.在较高的气相表观速度下,判断段塞流出现的依据在于其上游的液层能否提供足够的液体来维持一个稳定的段塞体单元.根据段塞稳定性理论,对段塞流出现的临界条件进行理论预测,结果与实验数据较吻合,计算得到的流型转变曲线能较好地区分段塞流和伪段塞流区域.     

上倾管道充气排液过程两相流动特性

在直径为40 mm、倾斜角为20°的管道内,以空气、水为试验介质,利用高速摄影仪和数据采集仪对上倾管道充气排液过程气液两相流动特性进行研究。建立跟随气泡和领先气泡速度比与气泡距离的关系,对比不同入口气体流速下管道内部压力、流量、气泡变化特性。结果表明,充气排液过程分为4个阶段,气体侵入和气液喷发阶段是气液混合物产生阶段,此阶段上倾管内流型以段塞流为主。管道底部压力和出口流量随气体流速的增大而增大,排空时间随气体流速的增大而减小。气体侵入过程气泡呈合并趋势,入口气速越大气泡越长,形状越不规则,领先气泡的速度和液体速度呈线性关系。Hout公式与本文中拟合公式最为接近。     

微气泡抑制垂直管中段塞流过程的实验研究

利用微气泡不易聚并的流体特性,提出了采用微气泡抑制段塞流的新方法.针对实验室规模的海洋石油工业集输-立管系统内段塞流流动过程,利用电阻层析成像技术(ERT)、压力信号分析法和高速摄像法对垂直管段塞流特性和微气泡开展了实验研究,获得了段塞流典型流型以及微气泡流体特性.在微气泡流体特性研究的基础上,进一步探索了微气泡对段塞流的抑制作用,实验结果表明:尺寸范围在1～50μm之间的微气泡,在进气量设定为4 L/min时可在一定流速范围的液体中稳定存在;在气液比为1.18、1.36和1.82时,微气泡对弹状段塞流的发生频率有显著抑制作用,微气泡通过增大边界层的返混和扰动阻力,抑制了段塞的运动,从而降低了段塞的发生频率.     

气液混输管线系统严重段塞流理论模型

针对管线与垂直立管系统内严重段塞流的流动特性,建立了一种高效的不完全依赖于实验参数的一维瞬态理论预测模型.该模型不仅能够预测不同类型严重段塞流的发生范围,还能得到压力、周期、流量、气液速度、含气率和折算速度等严重段塞流特性参数,并可对管道系统内气液流态的变化进行实时判别.理论模型预测结果与实验吻合较好.     

小长径比组合立管内液塞长度演化规律

以气液柱状旋流分离器(GLCC)入口管之前的小长径比组合立管为对象,建立一套气液两相流试验系统,实验研究组合立管内不同位置的液塞长度统计分布规律。结果表明:液塞从水平入口段进入立管段直至排出的过程中存在液塞减速与加速现象,计算液塞长度时必须考虑。水平入口段、立管段及水平出口段的液塞长度分布均符合对数正态分布;随折算气速增大,入口段平均液塞长度先增大后减小,出口段平均液塞长度则呈减小趋势。在低折算液速下,立管段平均液塞长度随折算气速增大而减小;高折算液速时,平均液塞长度随折算气速增大先增大后减小。液塞通过整个组合立管的过程中,平均液塞长度先增大后减小。     

海洋油气集输系统中强烈段塞流压力波动特性

在海洋油气集输过程中,管路中易形成强烈段塞流,从而导致管线的机械损坏、加剧管壁腐蚀等危害。为了消除这种危害,对海洋油气集输系统中带有水平管的下倾管-立管系统强烈段塞流压力波动特性进行研究。结果表明,安装有水平管段的这种管路系统与没有安装水平管段的系统相比,其压力波动有两个明显的区别:一是立管中部测压点压力波动曲线在喷发时刻产生急剧上升的压力尖端,折算液速对压力尖端的出现有很大的影响,而折算气速变化对压力突增尖端的影响不大;二是在低的折算液速条件下,下倾管底部测压点最高压力大于其他所有测压点的压力,随折算液速的增大,该点的压力变小,达到正常值。     

弯管中的气液两相流水击现象

以 90°弯管为研究对象 ,对气液两相流水击压力波在弯管中的传播和衰减规律进行了实验研究 .实验弯管采用曲率半径与管径比R /d分别为 1.9,2 .5 ,3.2 ,3.8;含气率范围为 0～ 1.7% ;表观液速为 0 .2 3～ 1.6 4m/s .得出了弯管中内外两侧不同部位水击压力及其随含气率、流速变化的规律 .压力波在弯管中的传播与在直管中差异很大 ,弯管外侧压力明显大于内侧 ,在弯管出口与入口直管段处两侧压力相同 ,形成压力环 .压力环形状受含气率影响最大、表观液速次之、曲率半径影响最小 .经过弯管后水击压力有不同程度的衰减 .随着气含率的增加 ,压力衰减加快     

泡沫排水采气井筒流动规律实验研究

泡沫排水采气工艺因成本低、施工简单及收效快在国内外各大气田广泛应用,在众多排水采气工艺中扮演主力军作用。准确揭示泡沫排水井井筒压降规律及携液规律对于优化泡沫排水工艺技术参数、提高泡沫排水采气工艺技术水平具有重要意义。搭建了高8 m、内径30 mm可视化实验装置,通过垂直管流实验对比了起泡剂对气液两相流型特征及流型转化条件的影响,揭示了其内在机理;测试了起泡剂浓度、气相表观流速、液相表观流速和倾角对气液两相压降、持液率和临界携液气相流速的影响规律。实验表明,加入起泡剂后:1)降低了段塞流向搅动流、搅动流向环状流转变的气相表观流速,使段塞流和搅动流的气相流速区间变窄。2)段塞流和搅动流的压力梯度显著降低,环状流压力梯度显著增加。3)段塞流和环状流气液间的滑脱减弱,持液率降低。4)连续临界携液气相流速急剧降低,在5 0°左右的倾斜管段效果尤为明显,最大降幅超过4 0%。     

气液两相流中压力波传播的实验研究

在含气率为0-0.7 m/s,折算液速为0-1.5 m/s范围内实验研究了气液两相泡状流和弹状流中压力波的传播.利用压力信号分析了气液两相流中压力波传播的速度和衰减特性,证明气液两相流中压力波的传播具有色散特性,其传播速度和衰减系数受含气率和扰动角频率的影响很大,而工质的折算速度对压力波的传播几乎没影响.     

油水气三相流的流型及泡状流向弹状流的转变

油水气多相混输是海上油气田开发中赖以取得重大经济效益的技术,其流动特性的准确计算是管线设计及安全、经济运行的重要依据.首先,通过实验确定出了油水两相混合物由油包水(W/O)向水包油型(O/W)的转变发生在含水率约为0.45时.垂直下降管内油水气三相流的流型基本上可以划分为油包水和水包油型的泡状流、弹状流及环状流.通过对垂直下降管内气泡碰撞、合并机理的分析建立了油水气三相流动过程中泡状流与弹状流间的转变界限的计算式,该转变发生的临界截面含气率约为0.35,计算结果与实验值的平均误差为11%.泡状流向弹状流的转变主要取决于折算气速和折算液速的大小,含水率对转变界限的影响较弱.     

水平井筒变质量环空流压降分析模型

在常规管道环空流流型压降分析的基础上 ,考虑管壁存在入流或出流对于环空流流型压降的影响 ,对气、液两相分别应用质量守恒方程和动量守恒方程 ,得到水平井筒气液两相变质量流动环空流流型的压降计算方法 .计算结果表明 :水平井筒气液两相变质量流动环空流流型的压降大于常规水平管道的压降 ;入流量越大 ,压降越大 ;管径越大 ,压降越小 ;要计算整个水平段压力分布 ,还需要结合井筒的流型判别以及其它流型的压降计算方法     

水平管内气液两相流影响滑脱损失的实验研究

为了探究滑脱损失在气液两相流中对压降存在的影响,从而进一步减小滑脱带来的损耗,本文通过利用多相流实验设备,采用水-空气为流动介质,对水平管条件下的气液两相流中的滑脱损失进行了实验研究。在采用杜克勒Ⅰ法无滑脱压降模型的理论基础上,结合实验所得数据,利用滑脱密度、滑脱压降和滑脱压降比三个参数分别对不同管径、不同液相表观流速以及不同气液比条件下的滑脱损失进行了分析。结果表明：在相同气体表观流速条件下,最大滑脱损失会随管径的增大而增大;当气相表观流速一定,液相表观流速越大时,滑脱损失在管线的整体压降中产生的影响越大;在液体表观流速不变,气液比改变时,可根据滑脱压降大小判断滑脱损失影响;水平管中滑脱损失变化与滑脱密度之间没有明显的关联性;水平管中段塞流型相较于层状波浪流会产生更大的滑脱损失。以上结论可为工程设计、实践提供参考。     

水平气液两相变质量分层流动模型

由于水平井筒和常规水平管道中气液两相流动的相似和差别 ,可以预知常规水平管流的流型转变机理及压降计算方法 ,对于井筒流动来说就需要进行修正或扩展 .根据气液两相界面波的迅速成长机理 ,考虑了管壁入流或出流的影响 ,得到水平井筒气液两相变质量流动分层流向非分层流流型转变的判别方法 .并对气、液两相分别应用质量守恒方程和动量守恒方程 ,考虑管壁存在入流或出流对于分层流流型压降的影响 ,得到水平井筒气液两相变质量流动分层流流型的压降计算方法 .     

液体填塞流的持液率与压力降研究

以不同粘度的流体为液相，在垂直管中研究了液体填塞流（包括弹状流，块状流和泛出流）的持液率和压力降，研究结果表明，对于不同粘度的液体，填塞流的持液率都随无量纲气流体积通量的增大呈对数规律减小，总压力降随气流体积通量也近似呈对数规律变化，研究同时发现，液体填塞流的摩擦阻力压力降为负值且存在极值点，摩擦阻力压力降在总压力降中所占的百分比与气流体积通量的关系存在拐点，拐点处在应于弹状流向块状流的流型转变。     

液相物性对气液两相管流流型和压降影响的研究

通过实验研究了不同液相介质(水相和油相)对气液两相管流中流型和压降的影响.实验管线为内径50mm的透明有机玻璃管,管线从入口到分离器长约35m,实验管段由一个高3.3m、宽0.72m的垂直倒U型管和一个长3m的水平管组成.实验结果表明对于较低液相粘度的气液两相流动,液相物性对水平管中塞状流向弹状流的转化以及倒U型管中下降管内的环状液膜流动向间歇流动的转化有一定的影响,但对水平管中分层波状流动向间歇流动的转化以及倒U型管中上升管内的流型转化影响很小.通过分析压降数据得出,对于倒U型管中的上升段,液相流动状态对于压降起着主导作用,但在下降管内液相和气相的流动状态都对压降有重要影响.     

垂直气-液两相管流中的流型转换机制与控制

对大管径气-液两相流动中严重影响压力平衡与机械驱动效率的段塞流生成机制和控制方法进行了研究,实验证明段塞流的形成是由于空隙率波的大幅度增长使气泡高度集中,并形成聚并所致。强湍流运动可以抑制Taylor泡的形成。因此,通过强化湍流或控制扰动频率可以对气泡聚并起明显的抑制作用。     

垂直环空空气－泥浆气液两相流实验研究

对空气在垂直环空泥浆中流型分布规律及运移规律进行了研究，结果表明，气体在泥浆中流型分布与在水中流型分布相比差别很大，同样流型下气体在泥浆中的上升速度比在水中上升速度略低，但基本接近，然而二者的数学表达式却相差甚远．这是因为在同样的含气率的情况下，在空气－泥浆两相流系统中，从泡状流向团块状流过渡要比空气．水两相流系统中早得多．实验还发现，在常温常压且泥浆粘度高的情况下，空气泥浆两相流系统中不存在泡状流，气体含量小时即为弹状流，因此．气体在水中的流型分布规律及上升速度模型不能简单地用于泥浆作为液相的气液两相流中．     

通球清管过程中微起伏管内的段塞流特性试验研究

利用室外大型多相流试验环道进行了段塞流的清管通球特性试验，以空气，水为试验介质，在多种气液流量下测量了管道中不同位置处的压力，压差，并记录了清管通球过程中管道入口的流量变化，分析试验结果发现：清管球进入管道后会引起气液流量变化，并会使管道中流体的流动出现短暂停滞，管道中各点的压力会逐次达到一个远远超过稳态的高压力值，清管球的运动速度，球前，后的压差是液混合速度和距管道入口距离的函数。     

基于空隙率波特性的垂直气液两相流流型判别研究

通过实验得到了垂直管内气液两相流动各种流型的空隙率波,对空隙率波进行信号处理,得到了泡状流、弹帽泡状流、段塞流、沫状流等各种基本流型的空隙率概率密度分布规律和频谱。结果表明,不同流型的空隙率波、概率密度函数(PDF)曲线和频谱曲线具有不同的特征,截面平均含气率越高,空隙率波的频率越趋于单一。因此在不可视的条件下可以根据空隙率波特性,利用这些曲线特别是PDF曲线特性判别流型。