海上油气集输油气混输管道课件

,海上油气,集输,2,第三章 油气集输管路,3,.1,原油管路,3.2,输气管路,3.3,油气混输管路,3,从油气井到矿场原油库、长距离输油管和输气管首站、矿场地域内的所有输送工艺流体（原油和天然气）的管路统称为,矿场集输管路,。,分类：,按管路工作的范围和性质分类：出油管、采气管，集油、集气管，输油、输气管；,按管路的结构分类：简单管和复杂管；,按管路内流动介质的相数分类：单相、两相和多相流管路，在我国,两相和多相流管路习惯称为混输管路。,第三章 油气集输管路,4,3.1,原油管路,一、等温,输油管,道,管道内原油与周围介质的温差很小，热交换可以忽略不计和沿线温降很小的输油管道，称为,等温原油输送管道,。,管路,输油过程中压力能的消耗主要包括两部分：,（,1,）用于克服,地形高差,所需的能量；对某一管路,，不,随输量变化的固定值；,（,2,）克服原油沿管路流动过程中的摩擦和撞击阻力所消耗的能量，通常称为,摩阻损失,。随,流速及原油物理性质等因素而变化。,5,3.1,原油管路,（,1,）摩阻损失的计算,原油管路的摩阻损失包括两部分，即原油通过直管段所产生的沿程摩阻损失和通过各种阀件、管件所产生的局部摩阻损失。,1,）沿程摩阻损失的计算,6,3.1,原油管路,我国长距离输油管道设计，,通常取,e=0.1mm,，,国外对大直径焊接钢管多,取,e=0.0457mm,。,7,3.1,原油管路,各,流态区水力摩阻系数,管路的沿程摩阻损失的计算综合为流量,压降计算式,8,3.1,原油管路,9,3.1,原油管路,2,）局部摩阻损失计算,由于油流经管路中的弯头、三通、阀门、过滤器、管径扩大或缩小等处所引起的能量损失,局部摩阻系数随管件类型、尺寸、油流的流态以及油品粘度等的不同而变化。实际计算时，对管路中所有的局部损失，可以用管路直线段当量长度来替代,根据求得的当量长度，加在管路直线段的计算长度内，再按沿程摩阻公式计算，即得整个管路的摩阻损失。,10,3.1,原油管路,二、热,油管,路,热油输送管道在输送过程中的能耗有,热能损失,和,压力能损失,两部分,。,两,部分,损失相互影响：管道,的摩阻与油流粘度有关，而油流的粘度又随油流本身的温度,变化（油,流温度既取决于预先加热的温度，也取决于油流在输送过程中的散热,温降）。,对,热油管道来说，,热能损失,起着主导作用。,热油管道工艺计算的实质：解决对输送油流的加热与沿线散热的平衡问题。,11,3.1,原油管路,对原油加热的目的：,（,1,）保证油流温度在输送过程中总是处于比凝固点高的温度，以防止原油在管路内,凝固；,（,2,）降低油流在输送过程中的粘度，以减少管路的摩阻损失和便于输送。,12,3.1,原油管路,（,1,）热油管路的轴向温降,热,油管路轴向温降可,按苏霍夫温降公式计算：,T,B,管路入口温度；,T,E,管路出口温度；,To,周围介质温度；,K,总传热系数；,d,管线内径；,L,管线长度；,W,油流重量流量；,C,油流重量热容,13,3.1,原油管路,（,1,）热油管路的轴向温降,热油管的温降曲线,热,油输送,管路沿线,各处的温度梯度是不同的,。,管路,起点油温高，油流与周围介质的温差大，温降就快,。,终点,前的管段上，由于油温低，温降就慢得多,。,加热,温度愈高，散热愈多，温降就快。因此，过多地提高管路起点油温，以图提高管路终点油温，往往是收效不大。,14,3.1,原油管路,不同输量下的沿线温降,在大输量下热油管路,沿线的,温度分布要比小输量时平缓得多。随着输量的减少，终点油温将急剧下降。,15,3.1,原油管路,（,1,）热油管路的轴向温降,热油管的温降曲线,作用：,确定管路中间加热站位置和加热温度；,判断管路内油流的流态；,计算热油管道的压降。,16,3.1,原油管路,温降公式在热油管道设计和管理中的应用：,当,K,、,W,、,d,、,To,以及,T,B,、,T,E,一定时，确定加热站的间距,L,C,；,在加热站间距,L,C,已定的情况下，当,K,、,W,、,d,、,To,一定时，确定为保持要求的终点温度,T,E,所必须的加热站出口温度,T,B,；,当,K,、,d,以及,To,一定时，在加热站间距,L,C,、加热站最高出口温度,T,Bmax,和允许的最低终点温度,T,Emin,（即下一站进站温度）已定的情况下，确定热油管路的允许最小输送量,W,min,。,运行时反算实际的总传热系数,K,，以判断管路的散热及结蜡情况。,17,3.1,原油管路,总传热系数可按管内、外对流传热和管壁上传导传热的过程来计算：,18,3.1,原油管路,K,值的变化规律：,管径越大则,K,值越小。,管线埋深处的土壤含水量越大，,K,值就越大；在相同条件下，管线处于地下水中与地下水以上相比较，,K,值约增加,30%50%,管线埋置深度越深，,K,值就越小；但一般埋深大于管径,34,倍时，对,K,值的影响明显减小,。,气候条件，冻土的导热系数比不冻土要大,10%50%,，故一般,K,值在冬季要比夏季大。,管内结蜡会使,K,值变小。,K,值与沿线土壤成分、相对密度、孔隙度等有关。,19,3.1,原油管路,（,2,）热油管路的摩阻计算,一般,把热油管路分为若干段，按等温输油管线摩阻计算方法来计算其摩阻,。,按温降公式求,出各段油流的起点温度和终端温度。,求出各段的平均温度。,由实测的温粘曲线查出平均温度时的油流粘度。,按照等温,输油管线的公式，计算各段的摩阻损失。,热油管路总的摩阻损失，等于各段摩阻损失之和。,20,3.2,输气管路,假设：,气体在管内作稳定流动，即气体的重量流量在管道内任一截面上为一常数；,气体在管内作等温流动，即沿线气温保持不变；,水力摩阻系数为一常数。,工程,上常用的输气管线体积流量公式：,一、气体,管线输,气量,21,3.2,输气管路,确定管径、起点和终点压力的计算公式：,一、气体,管线输,气量,22,3.2,输气管路,二、输,气管线的压力计算,输气管内的气流随着压力下降、体积和流速不断增大，促进了能量的消耗,，其,压降曲线为一抛物线 。,输气管中压力变化曲线,某点处压力：,停输时平均压力：,23,3.2,输气管路,应用：可,及时发现输气管的工况是否正常。例如管线发生局部堵塞时，如流量不变，则出站起点压力增高；在堵塞点之后，压力很快降落。,由输,气管平均,压力和平均温度,可确定,输气管的储气能力：,24,3.2,输气管路,三、输,气管线的温度计算,输气管内沿管长任一点的温度，可按苏霍夫公式计算：,当管长为,L,时，管段的平均温度按下式计算：,输气管线终点温度为：,25,3.3,油气混输管路,用一条管路输送一口或多口油井所产的原油及其伴生气的管路称为油气混输管路，或称两相流（油气）和多相流（油气水或油气水固）管路。,原油矿场集输系统中，原油及伴生气的沿管流动，主要属于气液两相流动，由于油井产物中常含有水和砂子，因此，还应包括液,液（油、水）、液,固（油、水和砂）流动和液气,液（油、气、水）等复杂的多相流动。,26,3.3,油气混输管路,“,相”通常指某一系统中具有相同物理、化学性质的均匀物质部分，各相间具有明显可分的界面。,一、相的定义及两相流动的分类,气,固两相流,气,液两相流,液,固两相流,液,液两相流,27,二、气,液两相管流的参数和术语,流量, 流速, 气液相对流速参数, 气液含率, 两相混合物的密度,压降梯度折算系数,3.3,油气混输管路,28,1,、质量流量和体积流量,质量流量 （,Kg/s,）：单位时间内流过管路横截面的流体质量,3.3,油气混输管路,式中,M,混输管路的质量流量，,kg/s,；,M,l,液相的质量流量，,kg/s,；,M,g,气相的质量流量，,kg/s,。,29,体积,流量 （,m,3,/s,）：单位时间内流过管路横截面的流体体积,3.3,油气混输管路,式中,Q,混输管路的体积流量，,m,3,/s,；,Q,l,液相的体积流量，,m,3,/s,；,Q,g,一气相的体积流量，,m,3,/s,。,30,2,、流速,1,）气,、液相,流速,若在混输管路内，气液相所占的流通面积分别为,A,g,、,A,L,，管路截面积,A=A,g,+A,L,3.3,油气混输管路,上述速度实质上是气液相在各自所占流通面积上局部速度的平均值。,31,2,、流速,2,）气,、液相,表观流速,两相混合物中任一相单独流过管道全部流通,截面,A,时的流速。,气相、液相的表观速度必小于气液相的真实速度。,3.3,油气混输管路,32,3,、气,液混合物,流速,两相混合物总体积流量与流通截面积之比。,当气、液相流速相同时，即 ，气液混合物的流速称为均质流速：,3.3,油气混输管路,33,4,、气、液相,质量流速,气液相质量流量与管路流通截面之比,气相质量流速：,液相质量流速：,混合物质量流速：,3.3,油气混输管路,34,5,、气,液相对流速参数,滑移速度：气相速度与液相速度之差,滑动,比：气相速度与液相速度之比,漂移速度：气相速度与均质流速之差,3.3,油气混输管路,35,6,、含气率,和含液率,质量,含气率：气相质量流量与混合物质量流量之比。在水,蒸汽系统内质量含气率也称为干度，或称空泡份额或空泡率,质量,含液率,3.3,油气混输管路,36,体积含气率：管路流通截面上气相体积流量与气液混合物总体积流量之比,体积,含液率,3.3,油气混输管路,37,截面含气率：气相流通面积与管路总流通面积之比，有时也指某一短管段内气体所占流道体积的份额,截面,含液率,3.3,油气混输管路,38,7,、三,种含气率之间的关系,质量,含气率与,体积含气率之间的关系,截面,含气率,与体积含气率之间的关系,截面,含气率,与,质量,含气率之间的关系,3.3,油气混输管路,39,体积含气率与质量含气率之间的关系,3.3,油气混输管路,40,质量含气率与截面含气率之间的关系,3.3,油气混输管路,41,体积含气率与截面含气率之间的关系,3.3,油气混输管路,42,由此可见，在实际管流中，截面含气率和体积含气率的关系可分为三种情况：,3.3,油气混输管路,1,）均质,流动,2,）气相流速大于液相流速，气相在管路内占的流动面积份额较气相体积含率小，液相所占流动面积增多，这种现象称为持液现象,3,）在重力影响下，下倾管路内才可能发生液体流速大于气体流速,43,8,、两相,混合物的密度,1,）流动密度：单位时间内流过管截面的两相混合物的质量与体积之比,流动密度常用于计算气液混合物沿管路流动时的摩阻损失。,3.3,油气混输管路,44,8,、两相,混合物的密度,2,）真实密度：,在管道某流通断面上取微小流段，此流段中气液两相混合物的,真实密度定义,为此微小流段中两相质量与体积之,比,3.3,油气混输管路,当,气、液相间相对速度等于零，流动密度等于真实密度。,真实密度常用来计算气液混合物沿起伏管路运动时的静压损失,（高程变化引起的附加压力损失）。,8,、两相,混合物的密度,3,）均质,密度,气液均质流动时，,，由真实密度公式求均质密度,，有,3.3,油气混输管路,+,+,均相流动时,，,流动,密度、均质密度和真实密度均相等。,46,9,、压降,梯度折算系数,1,）全,液相折算系数,3.3,油气混输管路,设,水平管路内气液两相沿管共流，其质量流量为,M,，压降梯度为,d,p,/d,l,。另设在相同的管路,中,只有液相流动，其质量流量也是,M,，压降梯度为,(d,p,/d,l),10,。定义这两种情况下压降梯度的比值为全液相折算系数。,47,9,、压降,梯度折算系数,2,）分,液相折算系数,3.3,油气混输管路,设在气液混输管路内只有液相流动，其质量流量为 ，压降梯度为 ，则把混输管路压降梯度,d,P,/d,l,与 之比定义为分液相折算系数，以 表示，即,48,9,、压降,梯度折算系数,3),分,气相折算系数,3.3,油气混输管路,设在气液混输管路内只有气相流动，其质量流量为 ，压降梯度为 ，则把混输管路压降梯度,d,P,/d,l,与 之比定义为分气相折算系数，以 表示，即,引入,折算系数的目的是把求两相混输管路摩擦压降梯度的问题转化为求折算系数的问题。若能用实验方法求得上述任意一种折算系数，则两相管路的压降梯度可由该折算系数与相应单相管路压降梯度之乘积求得。,49,三、气,液混输管路的特点,1,、流型变化多,根据气液在管路内的分布和结构特征，把气液两相管路的流动分成若干流型。,流型的测定方法大致分为三类：,目测法：包括肉眼观察和,高速,摄影,测定某一参数的波动量并与流型建立某种联系,由辐射射线的吸收量确定气液混合物的密度和流型,3.3,油气混输管路,3.3,油气混输管路,根据气液两相的分布情况和结构特征，把两相管路分成若干流型。,根据油气性质、油气比、管径及其他条件的不同，埃尔乌斯,(Alves),根据他本人和其他学者所观察到的气液两相在管内的运动情况，把两相管路的流型分为分为,气泡流、气团流、分层流、波浪流、冲击流（段塞流）、不完全环状流、环状流、弥散流,等八种流态。,3.3,油气混输管路,（,a,）气泡,流,；,（,b,）气团流；,（,c,）分层流；,（,d,）波浪流；,（,e,）冲击流；,（,f,）不完全环状流；,（,g,）环状流；,（,h,）弥散流,3.3,油气混输管路,在单相液体流动的水平透明管地加入并逐渐增加气体量，所观察到的流型变化为：,1,）,气泡流（,Bubble,）,：当气液混合物内的含气量不多时，气体以气泡形式浓集于管子上部。气液间的界面张力力图使气泡呈球形。气泡以与液体相等的速度或略低于液体的速度沿管运动。,两相管路以气,泡,流型稳定运行时，一般无明显的压力波动。,53,3.3,油气混输管路,2,）,气,团流（,Pulg,）,：随着气量的增加，,形成较大的气团，在管路上部同液体交替地流动。,3,）,分层流（,Stratified,）,：再增多气体量，气团连成一片成为连续气相。,气液间具有较光滑的界面，相速度有较大的差别,。,以分层流型稳定运行时，管路也无明显的压力波动。,54,3.3,油气混输管路,4,）,波浪流（,Wavy,）,：气体量进一步增加，气体流速提高，在气液界面上吹起与行进方向相反的波浪。,以波浪流型运行的管路有轻微的压力波动，其波动频率较高。,55,3.3,油气混输管路,5,）段塞流（,Slug,）,：又称,冲击流,。气体流速更大时，波浪加剧，其波峰不时高达管顶，形成液塞，阻碍高速气流的,通过,进而油被气体吹开带走一部分液体。被带走的液体或吹散成雾滴或与气体一起形成泡沫。,以冲击流型工作时，其振动和水击现象最为明显，管路压力有很大波动，但振动频率较小,。,56,3.3,油气混输管路,6,）不完全环状流（,Semi-Annular,）,：气量继续提高，要求管路有更大的面积供气体通过。,气流将液体的断面压缩成新月形，管路顶部的液层很薄而底部的液层较厚，形成不同心的环状流,。,57,3.3,油气混输管路,7,）环状流（,Annular,）,：随着气流速度的进一步提高，不同心环状液层变薄，形成,环,状,流,。,气体携带着液滴以较高的速度在紧挨管壁的环状液层的中心通过,。,58,3.3,油气混输管路,8,） 弥散流（,Spray,）,：当气体的流速更大时，环状液层被气体吹散，以液雾的形式随高速气流向前流动,。,59,Taitel,和,Dukler,流型,1976,年提出，分为三种基本流型。,3.3,油气混输管路,垂直管流型,(a)-,气泡流,(b)-,段塞流,(c)-,乳沫状流,(d)-,环状流,3.3,油气混输管路,Baker,流型图,1954,年提出，第一个适用于各种介质的水平管路流型图，分为七种流型。,3.3,油气混输管路,Mandhane,流型图,1974,年提出，分为六种流型。,3.3,油气混输管路,Taitel-Dukler,流型,1976,年提出，适合于各种管路倾角，有四个流型判别准则，分为五种流型。,Taitel-Dukler,水平管流型图,3.3,油气混输管路,3.3,油气混输管路,天然气,凝析液混输管路中常遇到,分层流型、不完全环状流、环状流和弥散流,；,原油,天然气混输管路常遇到,气泡流、气团流、分层流、波浪流和冲击流等五种,。,油气混输管路中的流型,2,、存在相间能量交换和能量损失,在气液两相流动中，由于,两相的速度常常不同,，使气液相间产生能量交换和能量损失。,流速,较高的气体，常常把一部分液体拖带到气体中，脱离液流主体时要消耗能量,；,被,气流吹成液滴或颗粒更小的雾滴要消耗能量,；,由,流速较慢的液流主体进入流速较快的气流中的液滴或雾滴获得加速度要消耗,能量,3.3,油气混输管路,3,、存在相间传质,在两相或多相管路,内，随压力温度的变化，以及气液相流速常不相同，,气液相间常处于不平衡状态,。因而相间不断有质量交换，使气液在新条件下达到新的平衡状态。管路气液两相的质量流量、组成、密度、粘度等参数沿程不断变化。,气液两相质量流量的变化影响流型和能耗的变化。,3.3,油气混输管路,4,、流动不稳定,在气液两相管路中，气液两相各占一部分管路体积，,当气液输量发生变化时，各相所占管路体积的比例也将发生变化,，需要较长时间才能重新达到新的稳定状态,。在某些流型下，如冲击流型，即使管路起点气液输量保持不变，,管路各截面上的压力和气液输量也有激烈波动,。因此，两相管路常处于不稳定流动状态。,3.3,油气混输管路,68,5,、非牛顿流体和水合物,在油田的多相流管路内，油水混合物为非牛顿流体，其表观粘度与剪切历史和剪切强度有关。,在气田的多相流管路内，在高压、低温的条件下可能形成水合物,。,两相或多相管路应分段进行水力、热力、相平衡等耦合计算。,3.3,油气混输管路,69,3.3,油气混输管路,四、混输管路热力计算,石油工业的两相或多相流动，要准确计算管路内气液相的流动参数，必须与热力学模型结合，确定原油与天然气的热力物性参数和热力学特性。目前用于石油多相流动气液相物性参数计算的热力学模型有,黑油模型和组分模型。,3.3,油气混输管路,四、混输管路热力计算,1,）黑油模型的优、缺点,将由多组分烃类组成的复杂油气两相混合物系统简化为由非挥发性组分（黑油）和挥发性组分（伴生气）所组成的两组分油气系统的简化物理模型称为黑油模型。,黑油模型是按油气相对密度、压力和温度，采用经验关系式来确定油气的体积系数、溶解气油比、油气比热容和密度等物性参数的一种方法。,模型优点：,计算过程简单，不涉及繁琐的状态方程参数和相态平衡计算。,计算速度快、计算过程收敛。,3.3,油气混输管路,四、混输管路热力计算,模型缺点：,黑油模型假设流体只有油和气两种组分，因而,不能计算油、气组成沿管长的变化,。,模型对流体,PVT,的特性处理比较简单，认为所有的,油气物性参数仅与油气相对密度、管道压力有关,，只有少数的模型内包含有温度的影响，其相分离计算是通过气油比和溶解度系数得到的，气液相平衡和相间传质的处理方法十分粗糙，,没有考虑到气体的反凝析现象,。,3.3,油气混输管路,四、混输管路热力计算,黑油模型适用于,管内流体组分不能确切地用摩尔分数表示的场合,，,如原油和伴生气多相流管道的工艺计算。,3.3,油气混输管路,四、混输管路热力计算,2,）组分模型的优、缺点,利用纯物质的性质通过状态方程进行混合物物性计算的模型称为组分模型。,组分模型是按,流体的组成、压力、温度通过状态方程确定平衡气液相组成和,PVT,物性参数的处理方法,。,组分模型可以通过色谱分析得到井流物的组分（如,C,1,、,C,2,C,7,+,、,H,2,S,、,CO,2,和,N,2,等），然后利用,状态方程、热力学相态平衡方程,进行泡点、露点和闪蒸计算，计算出气液相组成、密度、比热容及逸度等热物性参数。,3.3,油气混输管路,四、混输管路热力计算,组分模型优点,能够准确地计算出气液相的摩尔组成、质量流量、各种物性参数和管道集液量。,在流体输送过程中，由于沿线温度、压力的变化及滑脱现象的存在，各相的组成会相应发生改变，,利用组分模型则可以准确地反映这种变化过程，处理与组成有关的复杂问题，如相间质量传递、凝析与反凝析现象等。,3.3,油气混输管路,四、混输管路热力计算,组分模型的缺点,只有,确切知道流动介质各组分的摩尔组成,，才能够采用状态方程进行气液闪蒸分离、气液相各种物性参数的计算。,计算结果的精度受所选择的,状态方程和相平衡计算模型,的影响较大。,在相平衡计算过程中，,涉及到非线性方程或非线性方程组的求解,，在求解时可能出现不收敛情况。,由于反复迭代，运算速度较慢。,3.3,油气混输管路,四、混输管路热力计算,组分模型是近十多年来在两相流管道热力计算中常常采用的一种模型，,主要用于凝析天然气和挥发油系统,。,黑油模型和组分模型两种方法各有优缺点，至于采用何种方法，要视具体情况而定。,推荐采用黑油模型来计算原油和伴生气的热物性参数，然后再选用经验或半经验关系式计算集输管路的压力、温度,。,3.3,油气混输管路,四、混输管路热力计算,混输管线内流体温度分布的计算，与单相流体输送管线相比有明显的不同，,气液混合物不仅要通过管壁向外界散热，存在,Joule-Thomson,效应引起的温降和液体的摩擦生热,，还要考虑它们之间,质量与能量的交换,。,以两相流动的能量守恒原理为依据，推导出一个适合于组分、黑油模型，考虑多种因素影响的温降计算公式。,3.3,油气混输管路,1.,温降计算公式的理论推导,假设：（,1,）流体在管内作一维稳定运动，管道横截面积不变。（,2,）计算微元段内，气液相具有相同的温度，不考虑相变热，气液相物性参数视为定值。,对于气液混合物，根据能量守恒定律，在微元段内混合流体存在着以下热力学关系,：,3.3,油气混输管路,描述气液两相的稳态能量方程式：,1.,温降计算公式的理论推导,3.3,油气混输管路,对于气液混合物质量流量可用下式表示：,1.,温降计算公式的理论推导,3.3,油气混输管路,对于气体,，由热力学基本方程可推导出：,所以有：,1.,温降计算公式的理论推导,hg,为气体焓值,Cpg,为气体的比定压热容，,J/(kg.),Di,为气体的焦耳,-,汤姆逊系数，,/Pa,3.3,油气混输管路,对于液体,，同理可得 ：,1.,温降计算公式的理论推导,假设液体是不可压缩流体，可由下式进行计算 摩擦生热系数：,3.3,油气混输管路,定义气液相混合流体定压比热,：,令：,3.3,油气混输管路,上式为一阶齐次线性微分方程，其通解为：,可进一步简化为,（,1,）,3.3,油气混输管路,式（,1,）是确定两相管流温度分布的基本方程，可通过数值积分求解。从该式可以看出：在已知流体入口温度和土壤环境温度的情况下，混输管道中流体的温度分布，取决于下列因素：,热交换，主要与传热系数有关；,由摩阻引起的焦耳,汤姆逊效应（,C,1,系数）、速度的变化（,C,3,系数）、高程的变化（,C,2,系数）；,流动能量损失，即液体摩擦热的产生（,C,4,系数）。,1.,温降计算公式的理论推导,3.3,油气混输管路,2.,一组实用计算公式的推导,利用式（,1,）计算长距离两相流管道温降时，一般应将管路分成若干管段，算出各个管段的温降后相加得到全管路的总温降。,为便于式（,1,）积分求解，对于任何一个长为,l,的混输管段，作如下假设,：,3.3,油气混输管路,（,1,）如果不考虑管道沿线地形起伏，那么,（,2,）假设该管段内流体压力呈线性分布，近似令：,（,3,）忽略气、液相加速影响，即,在以上三个条件下，将式（,1,）积分得到计算距离管段起点,l,处流体温度分布公式,：,3.3,油气混输管路,则长度为,L,的混输管段终点温度计算式：,如果已知终点温度，同理可以推导出管段起点温度的计算公式如下：,3.3,油气混输管路,混输管段内流体平均温度可表示为：,基于不考虑管线起伏和气液相加速影响条件，上述四个导出式，经油田现场实例验算，均能满足工程计算精度要求。,90,五、气,液两相管路,的水力计算,均相流模型,分相流模型,流型模型,3.3,油气混输管路,91,（,1,）均,相流模型,把气液混合物看成一种均匀介质，把气液两相管路看作单相管路来处理。,假设：,1,）,气相和液相的速度,相等,，,则,，,2,）气液相间无热量的传递，故流动介质的密度仅是压力的单值函数,3.3,油气混输管路,92,（,2,）分,相流模型,把管路内气液两相的流动看作是气液各自分别的流动,。,首先,确定气液相在管路内各自所占的流通面积，,再把,气相和液相都按单相管路处理并计入,相间作用,，,最后,将气液相的方程加以合并。,假设,：,1,）,气液两相有各自的按所占流通面积计算平均速度,。,2,）气液相间无热量的传递，故流动介质的密度仅是压力的,单值函数，,但气液两相介质处于热力学平衡状态，相间无热量的传递,。,3.3,油气混输管路,93,（,3,）流型,模型,前提是,划分流型,，然后根据流型特点，分析流动特性并建立,关系式。,流型,模型法能深入地揭示两相流各种流型的流体力学特性，近年来受到理论界的重视，取得一定的理论研究成果。但是由于流型分界尚未统一，研究成果还不能普遍地用于实践。,目前，在工程上使用的大多是在实验数据上，确立的经验关系式,。,3.3,油气混输管路,94,（,3,）流型,模型,按,便于建立数学模型的原则，某些学者把两相流流型划分为三种：,（,1,）分离流（分层流、波浪流和环状流）,（,2,）间歇流（气团流和冲击流）,（,3,）分散流（气泡流、分散气泡流和弥散流）,3.3,油气混输管路,95,一,个完整的两相管流水力学模型应包括,流型判断、持液率和压降计算,三部分。,流型,判别是进行两相管流水力计算的第一步，,一般采用流型图或根据流型转换准则，利用流体流动参数来确定流型，,应用较多的是,Taitel-Dukler,（,1976,）、,Barnea,（,1987,）和,Xiao-Brill,（,1990,）流型判断方法。,截面,持液率是气、液两相管流最重要的特征参数之一，常常采用经验或半经验关系式进行计算，因受实验数据源的影响，误差较大。,3.3,油气混输管路,96,气,液两相流流型判断,在,气液两相流动中，两相的分布状况可以是密集的，也可能是分散的，这种不同的分布状态，称为两相流的流动形态，简称为流型。,气,液两相同管共流时，流动形态不同，不仅影响两相流动的力学关系，而且影响其传热和传质性能。实际应用表明，根据不同流型建立不同的物理模型而得到的工艺计算方法，比不考虑流型的纯经验方法，结果更为准确和实用。,3.3,油气混输管路,目前,所采用的各种流型测定方法，如：,肉眼观察、高速摄影、射线测量和压差波动特征分析,等都不能精确地区别各种流型，而且在分析上述各种方法所获得的各种资料时，还或多或少带有一定的主观臆断性。,对,流型的测定至今尚是两相流研究中的薄弱环节，,不同流型的流动机理和各种流型的转换准则的研究,，仍然是两相流研究领域中尚需解决和完善的问题。,3.3,油气混输管路,一、水平气液两相管路流型,贝克（,Baker,）流型图,曼德汉（,Mandhane,）流型图,贝格斯,布里尔（,Beggs-Brill,）流型判别法,3.3,油气混输管路,99,1,贝克（,Baker,）流型图,贝克,于,50,年代中期，综合了许多混输管路的实验和生产数据后，提出如图,3-2,所示的一幅通用于各种介质的,水平管流型,分界图，曾在一段时间内获得广泛应用。该图采用了埃尔乌斯流型分类法，只是把不完全环状流和环状流合为一个流型。,3.3,油气混输管路,100,无量纲,101,1,贝克（,Baker,）流型图,3.3,油气混输管路,102,2,曼德汉（,Mandhane,）流型图,曼,德汉通过大量实验获得,1000,多组数据，并依此作出,水平管路流型,分界图，见图,3-3,。该图以气、液相折算速度为横、纵坐标，共分六种流型,。,3.3,油气混输管路,103,2,曼德汉（,Mandhane,）流型图,曼,德汉流型图适用范围广、简单直观，用者颇多，但该流型图以水,空气的试验数据为基础，,没有考虑流体物性对流型的影响,。表,3-1,给出了,Mandhane,流型图的实验数据范围。,3.3,油气混输管路,表,3-1 Mandhane,流型图的实验数据范围,104,3,贝格斯,布里尔（,Beggs-Brill,）流型判别法,Beggs&Brill,通过观察大量实验的流型，在体积含液率,R,L,和富劳德准数,F,r,为纵横坐标的双对数平面图上，标出各次实验观察到的流型位置，显示出各种流型在图上所占的区块，从而根据,R,L,和,F,r,判断两相管路的流型。,3.3,油气混输管路,105,为,归纳实验数据和计算的方便，,1977,年经布朗修正，,Beggs&Brill,把两相管路的流型分成四种，即：,分离流、过渡流、间歇流、分散流。,由实验得出的两相管路流型判别准则见表,3-2,，表中富劳德准数,F,r,定义为：,式中,u,气,液混合速度，,m/s,；,d,混输管道内径，,m,。,3,贝格斯,布里尔（,Beggs-Brill,）流型判别法,3.3,油气混输管路,106,3,贝格斯,布里尔（,Beggs-Brill,）流型判别法,3.3,油气混输管路,107,二、垂直气液两相管路流型,1,流型分类,垂直,管与水平管内流型的最大差别是：,垂直管内不出现分层流和波浪流。,在,垂直管中气液两相混合物向上流动时，一般为大家所公认的典型流型有,（,1,）,泡状流,（,2,）,段塞流,（,3,）,过渡流（搅动流）,（,4,）,环雾流,。,3.3,油气混输管路,108,（,1,）,泡状流,当,气液两相混合物中的含气率较低时，气相以分散的小气泡分布于液相中，在管子中央的气泡较多，靠近管壁的气泡较少，小的气泡都近似球形。气泡的上升速度大于液体流速，而混合物的平均流速较低。,泡状流,的特点是：,气体为分散相，液体是连续相；气体主要影响混合物密度，对摩阻的影响不大，而滑脱现象比较严重。,1,流型分类,3.3,油气混输管路,（,2,）,段塞流,(,两相流中举升效率最高的流型,),当,混合物继续向上流动，压力逐渐降低，气体不断膨胀，含气率增加，小的气泡相互碰撞聚合而形成大的气泡，其直径接近于管径。气泡占据了大部分管子截面，形成一段液一段气的结构。,气体,段塞形状像炮弹，其中也携带有液体微粒。在两个气段之间，是夹杂小气泡向上流动的液体段塞。这种弹状气泡举升液体的作用很像一个破漏的活塞向上推进。在段塞向上运动的同时，弹状气泡与管壁之间的液体层也存在相对流动，称,液体回落。,1,流型分类,3.3,油气混输管路,（,3,）,过渡流（搅动流）,液,相从连续相过渡到分散相，气相从分散相过渡到连续相，气体连续向上流动并举升液体到一定高度，然后液体下落、聚集，而后又被气体举升。这种混杂的、振荡式的液体运动是过渡流的特征，故也称之为搅动流。,（,4,）,环雾流,当,含气率更大时，气弹汇合成气柱在管中流动，液体则沿着管壁成为一个流动的液环，这时管壁上有一层液膜。通常总有一些液体，以小液滴形式分布在气柱核心中。,1,流型分类,3.3,油气混输管路,111,2.,阿济兹,戈威尔,福格拉锡（,Aziz-Govier-Fogarasi,）流型图,阿,济兹,戈威尔,福格拉锡流型图于,1972,年发表，常用于垂直气液两相流流型,判断。,3.3,油气混输管路,112,2.,阿济兹,戈威尔,福格拉锡（,Aziz-Govier-Fogarasi,）,流型图,3.3,油气混输管路,113,三、倾斜气液两相管路流型,在,油田集输系统中，严格水平的管路是少有的，研究管路倾角对流型的影响具有重要的实用意义。与水平和垂直管相比，倾斜管道流型具有以下特征,:,（,1,）分层流与间歇流的转换对倾角特别敏感。管路向下倾斜时很容易产生分层流，上倾时则易产生间歇流。,（,2,）管路倾角对分散气泡流与间歇流、间歇流与环雾流之间的转换的影响不大。,3.3,油气混输管路,114,进入,70,年代后，有些研究者就试图从理论和半理论方法着手对流型进行描述，以克服经验方法的不足。其中以,1976,年泰特尔和杜克勒提出的半理论方法对流型过渡的处理最全面，因而得到广泛的应用。,泰特尔和杜克勒（,Taitel-Dukler,）流型判别法,Xiao-Brill,流型判别法,Mukherjee-Brill,流型判别法,3.3,油气混输管路,115,1,泰特尔和杜克勒（,Taitel-Dukler,）流型判别法,Taitel&Dukler,从,流型转变的机理,入手导出了流型转变的数学模型，根据管路各种参数用数学模型可直接求得两相管路的流型。,把,两相管路分为五种流型，即：,分层光滑流、分层波浪流、间歇流,(,包括气团流和冲击流,),、环状液雾流和分散气泡流。,Taitel&Dukler,从分层光滑流入手，研究流型的转换机理和转换准则，并建立了气液两相流动的复合动量方程，,研究中假设：管内流体为一维稳定流动、流入流出微元长度上流体的动量相等。,3.3,油气混输管路,116,（,1,）无因次气液两相复合动量方程的建立,如,图,3-6,所示，若管路处于分层光滑流型，根据假设条件和单位时间内微元管段上,流体动量变化等于作用于该管段上外力的总和,1,泰特尔和杜克勒（,Taitel-Dukler,）流型判别法,3.3,油气混输管路,117,（,2,）泰特尔和杜克勒流型无因次转换准则, 分层流转变为间歇流或环雾流的准则,无数,实验表明，当管内液面较高，气流吹起的液波高达管顶，阻塞整个管路的流道面积形成液塞，,流型由分层流转变为间歇流,。相反，液面较低时，液体流量较小，管内液量不足以阻塞管路，高速气流会吹散液体，在,气流中夹带液雾形成环雾流。,3.3,油气混输管路,118,3.3,油气混输管路,119,3.3,油气混输管路,120,（,2,）泰特尔和杜克勒流型无因次转换准则,3.3,油气混输管路,121,（,2,）泰特尔和杜克勒流型无因次转换准则,3.3,油气混输管路,122,（,2,）泰特尔和杜克勒流型无因次转换准则,3.3,油气混输管路,123,图,3-8,泰特尔,杜克勒流型判别流程图,124,(3),泰特尔和杜克勒流型判别法的不足,Weisman,认为泰特尔和杜克勒流型判别法中,转换曲线对低中粘度液体较适用，但对高粘度液体的偏差较大，在参数计算式中，考虑了液体粘度的影响，但实验数据表明，过低估计了液体粘度对分界线的影响。,在间歇流与分散气泡流的转换准则中，没有考虑表面张力的影响。,把作为间歇流与环雾流的分界线，偏高，与实验结果不符。,此外,，也有学者认为，由其它流型过渡到环状流的分界线与实验数据不能很好的吻合。,3.3,油气混输管路,125,2,Xiao-Brill,流型判别法,3.3,油气混输管路,126,3,Mukherjee-Brill,流型,判别法,1981,年，,Mukherjee&Brill,针对,Beggs-Brill,公式存在的问题开展实验研究，提出了自己的相关式，,Mukherjee&Brill,认为有些学者力求把流型分得过细，而某些流型事实上仅存在于很狭小的区域内，它们与其它流型的差别并不显著，亦难于客观地进行辨别。因此，他们主张把流型只分为,气泡、分层、冲击、环状流,四种。,3.3,油气混输管路,127,通过,试验，他得出一组以无因次准数表示的、适用于各种倾角的流型分界相关式，其形式为,3,Mukherjee-Brill,流型,判别法,3.3,油气混输管路,128,3.3,油气混输管路,129,3.3,油气混输管路,130,3,Mukherjee-Brill,流型,判别法,3.3,油气混输管路,131,3,Mukherjee-Brill,流型,判别法,3.3,油气混输管路,132,3.3,油气混输管路,133,压降计算,两相,管流的,压降计算,是管道设计、施工和运行的基础，是工程上最关心的问题,现已发表的压降计算方法大体上可分为以下四种,:,基于均相流模型压降计算公式。,基于分相流模型压降计算公式。,基于流型模型压降计算法。,组合压降计算法。,3.3,油气混输管路,134,（,1,）基于均相流模型压降计算公式。,把气液混合物看作一种均匀连续介质，相间没有相对速度，水力摩阻系数由试验或实测数据确定，压降按单相管路计算，该模型,适用于分散气泡流和弥散流,。,目前国内常用的计算公式大多数属于均相流模型。,（,2,）基于分相流模型压降计算公式。,把气液两相作为完全分离的两种流体，存在着不同的特性和速度，用不同的计算公式计算压降，但不考虑气液相界面间的相互作用，该模型,适用于分层流和环状流。,较著名的有,Lockhart-Martinelli,和,Dukler,压降计算法。,3.3,油气混输管路,135,（,3,）基于流型模型压降计算法。,这种方法首先确定流型，然后根据不同的流型选择不同的计算公式，由于不同流型的能量损失机理不同，压降计算公式也不一样。典型的计算公式有,Mukherjee-Brill,、,Beggs-Brill,、,Oliemans,等。,（,4,）组合压降计算法。,实际应用中，较流行的做法是针对不同的计算对象，选择不同的公式分别计算摩阻、高程和加速产生的压降，继而求出总压降。例如用,Dukler,公式计算摩阻压降损失，高程变化引起的压降由,Flanigan,公式进行修正，加速压降损失则由,Eaton,公式计算。,3.3,油气混输管路,136,3.3,油气混输管路,137,表,3-5,归纳了部分国内外两相管流稳态计算软件中常采用的组合模型，表中,*,表示在倾斜管线中的持液率用,Beggs-Brill,方法修正。,我国,常用的两相管路压降计算方法来源于,50,年代苏联教材，主要根据均相流模型由能量守恒方程推导而得，由于混输管路存在气液两相滑差，各油田在进行两相混输管路计算时，按各自的经验选取不同的水力摩阻系数，因而该计算方法通用性和适用性较差。,本,部分,分别,以水平、垂直和倾斜三种类型管道，来介绍表,3-5,中常用的两相流水力计算公式的基本形式、适用范围和计算方法。,3.3,油气混输管路,138,（一）水平,气液两相管路的压降计算,杜克勒（,Dukler I,、,II,）压降计算法,贝克（,Baker,）压降计算公式,伊顿（,Eaton,）压降计算公式,3.3,油气混输管路,139,1,杜克勒（,Dukler I,、,II,）压降计算法,在,美国石油学会和美国煤气协会赞助下，休斯顿大学的杜克勒等人于,1960,年开始进行较大规模的气液两相管流研究工作。杜克勒在利用相似理论建立计算水平气液两相管路压降的新方法时，根据气液两相的速度是否相同、相间是否存在滑脱损失，把两相管路压降计算法分为两种情况，,即杜克勒,和,压降计算法。,3.3,油气混输管路,140,1,杜克勒（,Dukler I,、,II,）压降计算法,3.3,油气混输管路,141,(1),杜克勒,I,法,3.3,油气混输管路,142,(1),杜克勒,I,法,3.3,油气混输管路,143,（,2,）杜克勒,法,杜克勒,法属于分相流模型法，杜克勒认为，在实际管路中气液两相的流速常不相同，相间存在滑脱，只有在流速极高的情况下才可近似认为两相间无滑脱存在,。,因而,，他,利用相似理论并假定沿管长气液相间的滑动比不变,，建立了相间有滑脱时管路压降梯度的计算方法，该方法中的压降梯度仍按式（,3-94,）计算，流速、粘度和雷诺数的计算方法同杜克勒,法，而气液两相混合物的密度按式（,3-98,）计算：,3.3,油气混输管路,144,（,2,）杜克勒,法,3.3,油气混输管路,145,图,3-14,R,L,Re,H,L,关系曲线,（,2,）杜克勒,法,3.3,油气混输管路,146,图,中体积含液率,R,L,可由管路气液体积流量求得，而截面含液率,H,L,与雷诺数之间呈隐函数关系，需要猜算,。,一般,先假设截面含液率,H,L,，按式（,3-98,）计算出两相混合物密度,m,，进而求得雷诺数,R,e,后，由图,3-14,查出,H,L,。,若,假设的,H,L,值与由图,3-14,查得的,H,L,值相差超过,5,，需重新假设,H,L,值，重复上述计算步骤，直至两者之误差小于,5,为止。,（,2,）杜克勒,法,3.3,油气混输管路,147,（,2,）杜克勒,法,3.3,油气混输管路,148,图,3-15,C,R,L,关系曲线,由图,3-15,可以看出，,R,L,=1,时，即管路内只有单相液体流动时，,C,=1,。,所以系数,C,可理解为管路内存在两相时其水力摩阻系数比单相液体管路增加的倍数。,（,2,）杜克勒,法,3.3,油气混输管路,149,由于,数据库内实测数据的局限性，杜克勒建议,法的适用范围,：,1,）截面含液率为,0.01,1.0,，体积含液率为,0.001,1.0,；,2,）管径不大于,5,英寸,；,3,）两相雷诺数为,600,200000,。,杜克勒,在建立了两种两相管路压降计算方法后，用数据库中的实测数据进行了检验。,他认为：杜克勒,法优于,法。,（,2,）杜克勒,法,3.3,油气混输管路,150,2,贝克（,Baker,）压降计算公式,贝克,压降计算式是一种基于流型模型压降计算方法。在计算两相管路压降时，采用了两相管路压降梯度为分气相压降折算系数与管路内只有气体单独流动时压降梯度的乘积，即,（,3-101,）,3.3,油气混输管路,151,图,3-2,贝克流型图,无因次,贝克根据自己作出的流型分界图,3-2,，对许多研究者的实验数据和两相管路的生产实测数据进行了分析研究，,3.3,油气混输管路,152,归纳出各流型区分气相折算系数的经验相关式，见表,3-6,。,2,贝克（,Baker,）压降计算公式,3.3,油气混输管路,153,贝克,所收集的实验数据大多来自,6,10,英寸原油和天然气的混输管路，故上述公式较,适用于,6,英寸以上的油气混输管路，其中以冲击流型的计算精度最好，误差可望在,10,左右，环状流次之,。,2,贝克（,Baker,）压降计算公式,3.3,油气混输管路,154,3,伊顿（,Eaton,）压降计算公式,（,1,）,Eaton,水平管持液率计算式,（,2,）,Eaton,压降梯度计算相关式,（,3,）两相水力摩阻系数的计算,3.3,油气混输管路,155,（,1,）,Eaton,水平管持液率计算式,Eaton,等人用了三种直径的管线（,2,英寸、,4,英寸和,17,英寸）进行试验，为了避免入口效应对两相流动的影响，其中还采用了一条长于,10,英里、管径,17,英寸的海底管线作实验。一般说来，,Eaton,计算式不适用于直径小于,50.8mm,的管道，不能应用于持液率很高或很低的场合，,当,时持液率计算值偏低，,在,范围内比较准确。有学者计算表明，,Eaton,公式用于高气液比的混输管道计算持液率时具有较好的准确性,，例如海底凝析天然气与凝液的混输管道,。,3.3,油气混输管路,156,（,1,）,Eaton,水平管持液率计算式,3.3,油气混输管路,157,（,2,）,Eaton,压降梯度计算相关式,Eaton,认为，影响压降和流型的参数相同，故其压降相关式可用于各种流型。,Eaton,由能量平衡方程式最后推出的压降相关式：,（,3-105,）,从式（,3-105,）中可以看出，,Eaton,压降相关式没有考虑高程损失，,只考虑了摩阻损失和加速损失。,3.3,油气混输管路,158,（,2,）,Eaton,压降梯度计算相关式,3.3,油气混输管路,159,（,3,）两相水力摩阻系数 的,计算,3.3,油气混输管路,160,（二）垂直,气液两相管流的压降计算,Hagedorn-Brown,垂直管两相流压降关系式,Hagedorn-Brown,压降关系式中,的计算,Hagedorn-Brown,压降关系式中的计算,3.3,油气混输管路,161,1,Hagedorn-Brown,垂直管两相流压降关系式,1965,年，,Hagedorn,和,Brown,基于所假设的压力梯度模型，根据大量的现场试验数据反算持液率，提出了用于各种流型下的两相垂直上升管流压降关系式，此,压降关系式不需要判别流型，被认为是竖直向上流动的最好压降计算法，在倾角大于,70,时最准确。,其压降梯度方程为：,（,3-109,）,3.3,油气混输管路,162,2,Hagedorn-Brown,压降关系式中,的计算,为了,确定，,Hagedorn&Brown,首先定义两相混合雷诺数：,（,3-112,）,3.3,油气混输管路,163,2,Hagedorn-Brown,压降关系式中,的计算,3.3,油气混输管路,164,3.3,油气混输管路,165,166,（三）倾斜,气液两相管流的压降计算,1,、管路起伏对管流的影响,管路,沿线存在起伏时，不仅激烈地影响着两相管路的流型，而且,原油大量聚积在低洼和上坡管段,内，使气体的流通面积减小、流速增大，造成较大的,摩擦损失和滑脱损失,。,3.3,油气混输管路,167,上坡引起的压降为 ：,上坡：,由于重力的影响使液相流速变慢，液体所占的流通面积增大，平均截面含液率增大；浮力的作用使气相流速增加，流通面积减小，平均截面含气率减小。,下坡：,由于重力和浮力的作用使截面含液率减小，截面含气率增大。,使下坡侧所回收的压能不能完全补偿上坡侧举升流体所消耗的能量,。,1,、管路起伏对管流的影响,3.3,油气混输管路,168,管路,沿线地形起伏时，管路的压降除克服沿程摩阻外，还包括上坡段举升流体所消耗的、而在下坡段不能完全回收的静压损失。,两相,管路沿线地形起伏所引起的附加压降十分惊人。据文献介绍，美国有一条,16,英寸的两管路，通过,36,个不大的小丘，按水平管估算的压降为,0.710,6,Pa,，投产,10,天后压降稳定在,20.410,5,Pa,，约为按水平管估算压降的,12,倍。,1,、管路起伏对管流的影响,3.3,油气混输管路,169,在,选线工作中有时会出现线路长、地势平坦的方案优于线路短而沿线有较大起伏的方案。,考克韦尔,用杜克勒公式作出加拿大东海岸拟建的赛布尔岛输送天然气,凝析液海底管路终点压力,输量关系曲线，如图,3-10,所示。该管路全长,257,公里，其中,202,公里敷设于海底，沿线地形起伏。,1,、管路起伏对管流的影响,3.3,油气混输管路,170,图,3-10,赛布尔管路终点压力,输量曲线,1,起点压力,9.928MPa,，,D=0.61m,；,2,起点压力,9.928MPa,，,D=0.762m,；,3,起点压力,13.79MPa,，,D=0.61m,3.3,油气