基于管壁取样的气液两相流量测量

为克服传统取样式多相流量测量方法取样口易堵塞的缺点,提出了通过管壁取样测量气液两相流体流量的新方法.管壁四周均匀布置4个直径为2.5 mm的取样孔,并在上游采用旋流叶片将来流整改成液膜厚度均匀分布的环状流型,从而增强了取样的代表性.分析表明,取样流体中的液相质量流量与主流体液相质量流量的比值主要取决于取样孔的数目和大小,而取样流体中的气相质量流量与主流体气相质量流量的比值则与主管路液相流量有关.在管径为0.04 m的气液两相流实验回路进行的实验表明,在实验范围内液相取样比为0.049,基本不受主管气液相流量波动的影响,能够在宽广的流动范围内维持恒定.液相流量最大测量误差为6.8%,气相流量最大测量误差为8.9%.     

气液两相流临界分配特性及相分离控制

为实现对气液两相流的均匀分配,提出了一种由旋流叶片、整流器以及两个分流喷嘴组成的新型分配装置。其工作原理是:通过旋流叶片将来流调整为均匀环状流型,以保证两分流喷嘴入口接触气液两相流的几率相等;通过喷嘴加速两相流达到当地声速,形成临界流动,以克服喷嘴下游各支管路阻力特性不一致所导致的相分离。在气液两相流实验环道上开展了实验测试,实验分配器分流喷嘴喉部直径为8mm,扩张角为21°。实验气相折算速度范围为7~20m/s,液相折算速度范围为0.013~0.16m/s,出现的流型包括波浪流、段塞流以及半环状流。结果表明:在喷嘴喉部气液混合物速度达到声速的条件下,气液相分流系数接近理论值0.5,不受上游流型以及气液流速的影响。侧支管干度与主管干度最大偏差小于±5%,而当液相折算速度小于0.02m/s时,无法形成均匀环状流,气相更容易进入侧支管。提高液相折算速度以及喷嘴差压在分配总压降中所占比重,将有助于降低相分离程度。所提出的分配器结构紧凑,无分离装置和控制元件,基本无需维护,有望在高压两相流分配系统中获得广泛应用。     

气液两相流多喷嘴分流取样计量研究

提出一种具有4个分流喷嘴的新型取样器结构,根据分流比和取样流体气、液流量确定主管路气液相流量。为保证取样流体的代表性,采用"流型调整"与"阻力控制"两种方法抑制相分离的发生。建立气液两相流数值模型,模拟气液两相流在取样器中的流动特性。在气液两相流试验环道上开展试验测试,流型包括波浪流、段塞流及环状流。结果表明:在试验范围内气、液相分流系数接近理论值0.25,其主要取决于分流喷嘴的数目,不受流型、气液流速等参数波动的影响,流量测量误差小于±6.0%。该取样计量装置具有体积小、精度高、维护费用低的优点,可代替传统计量分离器,实现气液流量的实时测量。     

基于分时原理的气液两相流量测量

取样式多相计量要求取样流体与主管被测流体保持稳定的比例关系,基于这点,为保证取样的代表性,根据从时间上对多相流体进行取样的分时分配原理,设计了基于该原理的转轮型分配装置,实现了气液两相流量测量。利用空气-水为实验介质,在气液两相流实验系统上进行了实验验证。实验中出现的流型包括波浪流、环状流及弹状流,在实验范围内进入取样回路的气液相流量与主管被测流量保持稳定的线性关系,液相、气相流量测量最大误差分别为7．3％和7．5％。     

水平管气液环状流在新型分配器中的分配研究

设计了一种新型三通型两相分配器，该分配器主管侧壁均匀分布着直径均为3．5mm的8个小孔，主管中的气液混合物通过安装在主管外壁上的环室进入侧支管．通过在空气一水实验台上对水平管气液环状两相流通过该分配器进行的实验研究发现：与传统三通分配器的分配特性不同，该分配器的液相会优先进入侧支管．建立了相分配模型，认为对于环状流，通过管壁小孔的液膜将被小孔捕获，从而进入侧支管．该模型还提出了分配影响区修正系数，实验发现该系数与入口干度成线性关系．预测的气液相分流系数、主管出口与直通管间压力损失与实验结果吻合得很好，最大误差为7．24％．     

基于离心法引发的气液两相环状流的数值模拟及流量测量研究

用数值模拟方法研究了水平管内气液两相流经过旋流叶片这种离心原件的流动特点。入口为段塞流,空气为主相,水为次相。研究在离心力作用下给气液相分布和流型转变带来的影响。模拟结果表明段塞流经过离心原件后流型转变为环状流;且环状流的液膜相对比较均匀。实验引进了3D打印技术,试制了旋流叶片,并开展了气液两相流实验研究,采用多普勒流速仪测量,通过对液膜速度分布曲线积分即可获得液相质量流量。实验取得了良好的结果,误差基本都在10%以内。实现了管内相分离和流量的非介入式测量,为气液两相流计量提供了指导意义。     

地面集输系统油气水多相取样计量技术研究

传统的油气计量分离器存在体积大、精度低等缺点,已很难适应当前高含水期生产需要.提出了通过管壁取样测量油气水三相流流量的新方法.管壁四周均匀布置4个直径为2.5 mm的圆形取样孔,并在上游采用旋流叶片将来流整改成液膜厚度均匀分布的环状流型,以增强取样的代表性.在管径为0.04 m的多相流实验环道上开展了实验研究,结果表明:在实验范围内,取样比基本不受主管气、液相流量波动的影响,能够在宽广的流动范围内维持恒定,液相分流系数稳定值为0.05,液相流量平均误差为2.8%,气相流量平均误差为4.2%.该装置特点是体积小、成本低、计量稳定.其成功应用有望撤销计量站,实现集输工艺流程的简化优化,降低油田高含水期运行成本.     

不同管径水平管油气两相流压降模型

为得到准确的不同管径水平管气液两相流的压降预测模型,用5号白油和空气在内径为40、60、75 mm,长11.5 m的测试管内进行了水平管气液两相流实验,并结合理论分析研究了不同管径水平管气液两相分层流和环状流压降模型。结果表明:相同气、液量条件下,压降随着管径的增加而减小,且管径对压降的影响较大。结合实验中观察到的流型,分别建立了水平管层流和环状流的压降计算方法,其中层流压降模型中的液相折算系数和环状流压降模型中的气液界面摩擦系数均考虑了管径的影响,新方法对不同管径条件下实验压降预测准确,整体平均绝对误差为6.4%。     

插拔式变比例均匀取样器及气液两相流量计量

分流比是取样型多相计量装置的关键参数,传统取样装置取样比固定,难以适应现场工况变化。为实现取样比在线调节,提出一种插拔式新型取样器,分流孔数为20,直径为3 mm,沿主管管周均匀布置,取样截面上游设置螺旋器诱发来流形成均匀螺旋环状流,通过特殊设计的取样管可动态改变分流孔的连接方式从而获得期望的取样比。根据取样孔和主流孔阻力平衡关系,推导气液相分流系数公式,并在气液两相流试验环道上进行试验验证。结果表明气液相分流系数主要取决于取样孔和主流孔的数目,不受气液相折算速度、入口流型的影响,气液相流量测量最大误差小于±5%;与单孔取样相比,三孔取样阻力损失更低,同时由于进行了多点取样,降低了对液膜均匀程度的依赖,能够在更低的气液相流速工况下工作。     

文丘里气液分布管的实验研究与数值模拟

依据文丘里管渐缩渐扩的特点,设计了文丘里气液分布管,在底面出口采用挡板来阻挡中心区流体,实现液体的均匀分布。在=27 cm的空塔中,通过冷模实验观察了单个分布管内喉管段直径以及气液流量对分散效果的影响,同时应用计算流体力学CFD软件对分布管进行数值模拟,并在=1 m的空塔中,考察了由多个文丘里分布管组合成分配塔盘的分配效果。结果表明:当分布管喉管段直径较小时,在喉管段气液两相流形成分散流,经过底面出口挡板的碎流作用后,液体分布均匀;多个分布管的组合能优化分散效果,改善分配性能。     

大产液量水平气井不同气举方式气液两相流研究

连续气举是产水量大的水平气井重要排采措施,针对现场正举和反举的特点,为揭示气田开发过程中反举条件下油管和正举条件下油套环空内的气液两相流流动规律,分别用水和空气在套管内径为127.3mm、油管外径为73mm的油套环空和内径为60mm的油管内进行了井筒气液两相管流模拟实验,对低压积液气井气举时井筒流动规律进行了研究分析,分析了井筒中气相和液相的体积流量、注气方式等因素对井筒压降和持液率的影响。实验结果表明,在相同气、液流量条件下,反举时的持液率比正举持液率小;不同气举方式下的井筒压降随注气量的增加呈不同的变化趋势,反举时的井筒压降比同工况下正举的压降大,对于产液量较大且有一定地层能量的气井,推荐采用反举方式进行气井排水采气。     

泵出型螺旋槽机械密封端面间隙气液两相流动数值分析

针对泵出型螺旋槽气膜密封由于阻塞气压力降低,被密封液相介质进入密封间隙的情况,以密封端面间隙流体膜为研究对象,利用Fluent软件VOF模型模拟阻塞气压力恢复到正常值时端面间隙的流动状况。此时流体膜处于气液两相非稳定流动状态,研究密封端面间气液两相介质分布、压力分布及密封性能随时间的变化规律。结果表明:在假设条件下,内径处阻塞气压力恢复到正常值,流体膜能够恢复成纯气相流体膜;液相介质能增强流体动压效应,增大气相介质流动阻力,降低泵送量;气液两相掺混,改变了气液两相分布、压力分布、泵送量等密封性能,增大了流体膜恢复成纯气相的难度,且在液相介质进入螺旋槽状况下,流动过程中少量液相介质在内径处发生泄漏。     

新型流动调节器波纹管结构参数优化

对波纹管的气液两相流进行了数值模拟,分析了波纹管对分层流的流动调节作用,验证了数值模型的准确性,通过弯曲中心角、弯曲半径和管道内径比、弯管数目的敏感性分析,对波纹管的结构参数进行优化。结果表明,波纹管能够将分层流调节为非分层流,流动调节效果显著;弯曲中心角增大,流动调节作用增强,弯曲中心角的合理范围为90°~130°,取90°或120°便于加工建议采用;增加弯曲半径或者减小弯管内径,能够增加弯曲半径和管道内径比,增强流动调节作用,弯曲半径增加,波纹管尺寸增大,投资升高,建议采用减小弯管内径的方法;随着弯管数目的增加,波纹管的流动调节效果增强,应综合考虑安装空间、投资成本,适当选取弯管数目。     

分相式气液两相流体等干度分配方法

提出一种新的气液两相流体等干度分配方法--分相分配法.该方法的特点在于,基于单相流体较容易实现均匀分配的特征,首先通过强化两相流体在分配单元内的相分离,将气液混合物分离成单相或接近单相的气体和液体,然后以单相流的形式分别进行分配,最后将分配后的单相气、液进行两两汇合,完成两相流体的等干度分配.在空气一水实验回路上对这种分配方法进行了实验研究,结果表明,在分层流、波状分层流、弹状流和部分环状流的情况下,气液两相流体均能在分配元件内得到较好分离,保证在单相或接近单相的状态下进行分配,支路与主路间的平均干度偏差小于1.6%.     

旋流条件下的气液环空流流动规律研究

针对涡流工具排液效果的问题,开展了旋流条件下气液两相流动模型的研究。考虑到旋流中角速度的存在,研究中采用气液流动在径向和周向上的动量和角动量平衡的方法,建立了气液流动控制方程,计算了液膜厚度,气液相旋流强度等参数以及压降梯度,并进行涡流工具实验验证模型。涡流工具降低压降损失的机理结果表明,安装涡流工具后流动压降可以降低5%~20%。根据实验及模型,在低速（气相速度小于13 m/s）时,小旋流角和高旋流强度更利于降低压降,而高速（气相速度大于16 m/s）时,高旋流强度会增加额外摩擦阻力。旋流强度的衰减速度会随着液相速度增大而减小,而随气相速度增大而增大。该研究结果可对涡流工具进行优化设计,以达到最佳排液效果。     

并联管路气液两相流分流实验与数值模拟

为了研究气液两相流在并联立管中的分流状况,在实验室中建立了带有并联立管的气液两相流流动回路。建立了气液两相流分流数学模型,通过数值模拟方法对气液两相流分流进行研究。实验过程中发现了并联立管中三种不同的流动状态分别为弹状流-弹状流、搅混流-搅混流以及弹状流-搅混流。实验结果表明当并联立管中的流动状态为弹状流-弹状流时,两根立管中的压降相同,但是并联立管中的液塞排出并不具有同步性,可能产生偏流状况。在气液流速较高的搅混流-搅混流时两相流在并联立管中始终处于均匀分配状态。介于两者之间的弹状流-搅混流,并联立管中的压降产生较大的偏差,气液两相流流量更倾向于搅混流一侧流出,此时并联立管中产生严重的偏流状况。数值模拟过程中,通过对并联立管出口持液率进行监测,在较低的气液速下两相流并不能够均匀分配,但是在较高的气液速下,两相流始终处于均匀分配,可见所建立的数学模型具有良好的准确性。     

水平圆管内油气两相流分层流向段塞流转变机理的实验研究

根据气液两相流一维波模型建立分层流向段塞流转变的判别准则,对水平管内气液两相流出现段塞流时的各相临界表观速度进行了理论预测,并对流型转变进行了分析.理论计算中,主要考虑了两相流体和管壁之间的摩擦和气液相界面之间的摩擦对流型转变的影响,并结合分层流理想化模型分析了发生流型转变时的临界参数.在内径分别为40 mm和50 mm的水平管道油气两相流实验系统中进行了流型转变实验,所获实验数据处理结果与理论计算结果进行了对比.对影响流型的管径、流速等因素的分析结果表明,该模型较好地预测管内分层流向段塞流的转变.