工學(xué)3礦場集輸管路課件

1、油氣集輸中國石油大學(xué)儲建學(xué)院儲運工程系油氣集輸課程組李琦瑰8/4/20221第1頁，共77頁。 教學(xué)內(nèi)容緒論及油氣集輸流程油氣性質(zhì)和基礎(chǔ)理論上機(jī)：相平衡計算 礦場集輸管路實驗：混輸管路的流型和壓降 氣液分離原油處理原油穩(wěn)定油田開發(fā)和開采 8/4/20222第2頁，共77頁。一、氣液兩相管流的參數(shù)和術(shù)語 二、混輸管路的特點和處理方法三、兩相流壓降計算 四、段塞流、清管與磨蝕礦場集輸管路8/4/20223第3頁，共77頁。礦場集輸管路的定義與分類 從油氣井到礦場原油庫、長距離輸油管和輸氣管首站、礦場地域內(nèi)的所有輸送工藝流體（原油和天然氣）的管路統(tǒng)稱為礦場集輸管路。分類：按管路工作的范圍和性質(zhì)分類：

2、出油管、采氣管，集油、集氣管，輸油、輸氣管；按管路的結(jié)構(gòu)分類：簡單管和復(fù)雜管；按管路內(nèi)流動介質(zhì)的相數(shù)分類：單相、兩相和多相流管路，在我國兩相和多相流管路習(xí)慣稱為混輸管路。礦場集輸管路8/4/20224第4頁，共77頁。氣液兩相管流的參數(shù)和術(shù)語 流量 流速 氣液相對流速參數(shù) 氣液含率 兩相混合物的密度 壓降梯度折算系數(shù)礦場集輸管路8/4/20225第5頁，共77頁。流量質(zhì)量流量 （kg/s）體積流量 （m3/s） 礦場集輸管路8/4/20226第6頁，共77頁。流速1、氣、液相流速 2、氣、液相表觀流速3、氣液混合物流速 當(dāng)氣、液相流速相同時，即 ，氣液混合物的流速稱為均質(zhì)流速：礦場集輸管路8/

3、4/20227第7頁，共77頁。4、氣、液相質(zhì)量流速氣相質(zhì)量流速：液相質(zhì)量流速：混合物質(zhì)量流速： 礦場集輸管路8/4/20228第8頁，共77頁。氣液相對流速參數(shù) 滑移速度 滑動比漂移速度礦場集輸管路8/4/20229第9頁，共77頁。含氣率和含液率 質(zhì)量含氣率與質(zhì)量含液率體積含氣率和體積含液率截面含氣率和截面含液率 礦場集輸管路8/4/202210第10頁，共77頁。三種含氣率之間的關(guān)系 體積含氣率與質(zhì)量含氣率之間的關(guān)系 體積含氣率與截面含氣率之間的關(guān)系 質(zhì)量含氣率與截面含氣率之間的關(guān)系 礦場集輸管路8/4/202211第11頁，共77頁。礦場集輸管路體積含氣率與質(zhì)量含氣率之間的關(guān)系 8/4

4、/202212第12頁，共77頁。礦場集輸管路體積含氣率與截面含氣率之間的關(guān)系 8/4/202213第13頁，共77頁。 由此可見，在實際管流中，截面含氣率和體積含氣率的關(guān)系可分為三種情況：礦場集輸管路8/4/202214第14頁，共77頁。礦場集輸管路 質(zhì)量含氣率與截面含氣率之間的關(guān)系 8/4/202215第15頁，共77頁。兩相混合物的密度 1、流動密度2、真實密度3、均質(zhì)密度礦場集輸管路8/4/202216第16頁，共77頁。壓降梯度折算系數(shù) 1、全液相折算系數(shù) 2、分液相折算系數(shù) 3、分氣相折算系數(shù) 4、L-M參數(shù) 礦場集輸管路8/4/202217第17頁，共77頁。氣液混輸管路的特點

5、 流型變化多存在相間能量交換和能量損失存在相間傳質(zhì)流動不穩(wěn)定非牛頓流體和水合物問題 礦場集輸管路8/4/202218第18頁，共77頁。1、流型變化多 根據(jù)氣液在管路內(nèi)的分布和結(jié)構(gòu)特征，把氣液兩相管路的流動分成若干流型。 流型的測定方法大致分為三類：目測法：包括肉眼觀察和高速攝影測定某一參數(shù)的波動量并與流型建立某種聯(lián)系 由輻射射線的吸收量確定氣液混合物的密度和流型 礦場集輸管路8/4/202219第19頁，共77頁。Alves 流型（水平）(a)氣泡流(b)氣團(tuán)流(c)分層流(d)波浪流(e)沖擊流(f)不完全環(huán)狀流(g)環(huán)狀流(h)彌散流礦場集輸管路8/4/202220第20頁，共77頁。T

6、aitelDukler流型（水平）礦場集輸管路 分離流 間歇流 分散流8/4/202221第21頁，共77頁。垂直管流型(a) 氣泡流 (b) 段塞流 (c) 乳沫狀流 (d) 環(huán)狀流 礦場集輸管路8/4/202222第22頁，共77頁。Baker流型圖（水平）礦場集輸管路8/4/202223第23頁，共77頁。Mandhane流型圖（水平）礦場集輸管路8/4/202224第24頁，共77頁。Taitel-Dukler流型圖（各種傾角） 適合于各種管路傾角，有四個流型判別準(zhǔn)則，分為五種流型。不同傾角有不同的流型圖。水平管流型圖礦場集輸管路8/4/202225第25頁，共77頁。2、存在相間能量

7、交換和能量損失 在氣液兩相流動中，由于兩相的速度常常不同，使氣液相間產(chǎn)生能量交換和能量損失。 流速較高的氣體，常常把一部分液體拖帶到氣體中，脫離液流主體時要消耗能量；被氣流吹成液滴或顆粒更小的霧滴要消耗能量；由流速較慢的液流主體進(jìn)入流速較快的氣流中的液滴或霧滴獲得加速度要消耗能量，這些都存在能量交換。礦場集輸管路8/4/202226第26頁，共77頁。3、存在相間傳質(zhì) 油氣混輸管路中，隨著管線的延長，壓力逐漸降低，氣體不斷析出，氣體的質(zhì)量流量增加，密度增加；而液體的質(zhì)量流量減少，密度增加。 注蒸汽管路中，起點壓力約在150170大氣壓，溫度為300，質(zhì)量含氣率約70。隨著壓力的降低，散熱量增加

8、，質(zhì)量含氣率下降。礦場集輸管路8/4/202227第27頁，共77頁。4、流動不穩(wěn)定 在氣液兩相管路中，氣液兩相各占一部分管路體積，當(dāng)氣液輸量發(fā)生變化時，各相所占管路體積的比例也將發(fā)生變化，這就會引起管路的不穩(wěn)定工作。5、非牛頓流體和水合物問題 在油田的多相流管路內(nèi)，油水混合物為非牛頓流體，其表觀粘度與剪切歷史和剪切強(qiáng)度有關(guān)。 在氣田的多相流管路內(nèi)，在高壓、低溫的條件下可能形成水合物。礦場集輸管路8/4/202228第28頁，共77頁。氣液兩相管路的處理方法 均相流模型 分相流模型 流型模型 礦場集輸管路8/4/202229第29頁，共77頁。均相流模型 把氣液混合物看成一種均勻介質(zhì)，把氣液兩

9、相管路看作單相管路來處理。假設(shè)：1） ，則 ， ；2）氣液相間無熱量的傳遞，故流動介質(zhì)的密度僅是壓力的單值函數(shù)。 礦場集輸管路8/4/202230第30頁，共77頁。分相流模型 把管路內(nèi)氣液兩相的流動看作是氣液各自分別的流動，把氣相和液相都按單相管路處理，并計入相間作用。假設(shè)：1） 2）氣液相間無熱量的傳遞，故流動介質(zhì)的密度僅是壓力的單值函數(shù) 礦場集輸管路8/4/202231第31頁，共77頁。流型模型 前提是劃分流型，然后根據(jù)流型特點，分析流動特性并建立關(guān)系式。 按便于建立數(shù)學(xué)模型的原則，某些學(xué)者把兩相流流型劃分為：（1）分離流（分層流、波浪流和環(huán)狀流）（2）間歇流（氣團(tuán)流和沖擊流）（3）分

10、散流（氣泡流、分散氣泡流和彌散流） 礦場集輸管路8/4/202232第32頁，共77頁。兩相管流壓降計算方法 礦場集輸管路Dukler I 法Dukler II 法L-M法B-B法(Beggs-Brill)M-B法（Mukherjee-Brill）8/4/202233第33頁，共77頁。Dukler I 法（水平、均相流模型） 礦場集輸管路8/4/202234第34頁，共77頁。Dukler II 法（水平、分相流模型） c為系數(shù)，是體積含液率RL的函數(shù)，可以查圖，其回歸關(guān)系式為 截面含液率HL與體積含氣率和雷諾數(shù)之間的關(guān)系見圖。 礦場集輸管路8/4/202235第35頁，共77頁。礦場集輸管

11、路8/4/202236第36頁，共77頁。礦場集輸管路8/4/202237第37頁，共77頁。計算步驟計算 ，假設(shè)HL（ ） 求兩相混合物密度 求雷諾數(shù) 查圖得如果 ,用 計算Re和 ，否則以 回到第2步由RL查圖得c，然后求 和壓降梯度礦場集輸管路8/4/202238第38頁，共77頁。適用范圍 截面含液率為0.011.0，體積含液率為0.0011.0； 管徑不大于 英寸（139.7mm）；兩相雷諾數(shù)為 6002105 。礦場集輸管路8/4/202239第39頁，共77頁。L-M法（水平、分相流模型）假設(shè)： 把兩相管路看成為兩條單相管路，一條輸送液體，一條輸送氣體； 相間無相互作用。 礦場集

12、輸管路8/4/202240第40頁，共77頁。L-M公式的推導(dǎo)（1）（2）（3）假想輸液管的壓降梯度： 假想輸氣管的壓降梯度： 礦場集輸管路8/4/202241第41頁，共77頁。（4）（5）礦場集輸管路8/4/202242第42頁，共77頁。（6）（7）兩相管路中只有液體和氣體單獨流動時的壓降梯度： 礦場集輸管路8/4/202243第43頁，共77頁。由式（1）、（4）、（6）、（8）得： （8）（9）（10）（11）礦場集輸管路同理8/4/202244第44頁，共77頁。洛馬參數(shù) 礦場集輸管路8/4/202245第45頁，共77頁。將（10）、（11）式代入LM參數(shù)的定義式得：將式（12）

13、代入（10）、（11）后得： （12）（13）（14）礦場集輸管路8/4/202246第46頁，共77頁。X與 、 的關(guān)系礦場集輸管路8/4/202247第47頁，共77頁。 則混輸管路的壓降可由下面任一式求出： 礦場集輸管路8/4/202248第48頁，共77頁。奇斯霍姆建立的關(guān)系式 （15）（16）（17）（18）礦場集輸管路8/4/202249第49頁，共77頁。假設(shè)： ，根據(jù)分液相折算系數(shù)的定義,由式（6）、（18）得： （19）礦場集輸管路8/4/202250第50頁，共77頁。L-M參數(shù)在 的假定條件下可表示成： 則（19）可寫成： （20）礦場集輸管路8/4/202251第51頁

14、，共77頁。由滑動比的定義可以推出 則： （21）礦場集輸管路8/4/202252第52頁，共77頁。同理可以推導(dǎo)出（22）其中 對于c 值，奇斯霍姆根據(jù)氣、液分別在兩相管路中單獨流動時的流態(tài)給出了推薦值。礦場集輸管路8/4/202253第53頁，共77頁。L-M法求水平氣液兩相管流壓降梯度的計算步驟 1）以雷諾數(shù)1000判斷氣、液單獨在兩相管路中流動時的流態(tài)，確定c值2）計算氣、液單獨在兩相管路中流動時的壓降梯度，確定X3）根據(jù)奇斯霍姆建立的關(guān)系式計算4）根據(jù)分氣相折算系數(shù)或分液相折算系數(shù)的定義式計算兩相管流的壓降梯度礦場集輸管路8/4/202254第54頁，共77頁。B-B法(Beggs-

15、Brill) 根據(jù)均相流模型動量方程，兩相起伏管流的壓降梯度 可見，管路總壓降梯度為單位管長動能變化和位能變化以及摩阻損失之和。 礦場集輸管路8/4/202255第55頁，共77頁。B-B法壓降梯度公式 該式考慮了管路起伏對壓降的影響，把下坡段的能量回收考慮在了計算公式中。既適合水平管，又適合傾斜管，同時還適合單氣相管路和單液相管路。礦場集輸管路8/4/202256第56頁，共77頁。實驗結(jié)論 管段傾角大于3時，實驗中未發(fā)現(xiàn)分層流；下坡段觀察到的流型幾乎都是分層流；管路上傾時，有一最大的截面含液率；管路下傾時，有一最小的截面含液率。礦場集輸管路8/4/202257第57頁，共77頁。截面含液率

16、系數(shù)a，b，c 取決于流型過度流礦場集輸管路傾角修正系數(shù)8/4/202258第58頁，共77頁。兩相水力摩阻系數(shù)礦場集輸管路8/4/202259第59頁，共77頁。M-B法（Mukherjee-Brill）流型模型，流型分為氣泡流、分層流、沖擊流和環(huán)狀流液相表觀流速準(zhǔn)數(shù)： 氣相表觀流速準(zhǔn)數(shù)： 液相性質(zhì)準(zhǔn)數(shù)： 礦場集輸管路8/4/202260第60頁，共77頁。流型分界相關(guān)式 ，氣泡流沖擊流間轉(zhuǎn)型相關(guān)式 ，沖擊流環(huán)狀流間轉(zhuǎn)型相關(guān)式 ，氣泡流沖擊流轉(zhuǎn)型相關(guān)式 ，分層流邊界相關(guān)式礦場集輸管路8/4/202261第61頁，共77頁。礦場集輸管路8/4/202262第62頁，共77頁。實驗結(jié)論 時， 為

17、環(huán)狀流， 時為彌散流； ，不管傾角多小，實驗中沒有觀察到分層流現(xiàn)象，當(dāng) 時為氣泡流，否則是沖擊流；管路下傾時常遇到分層流或氣泡流； 時，液相粘度對流型的轉(zhuǎn)變都有較大的影響； 礦場集輸管路8/4/202263第63頁，共77頁。下傾管，在0-30度范圍內(nèi)下傾角越大分層流范圍越大，超過30度下傾角越大分層流范圍越?。灰后w流量為定值時， 時氣泡流轉(zhuǎn)變?yōu)闆_擊流的氣體流量比 時要大得多；液體流量為定值時，上傾角愈小，由氣泡流轉(zhuǎn)變?yōu)闆_擊流的氣體流量愈小。礦場集輸管路8/4/202264第64頁，共77頁。持液率相關(guān)式C1C6系數(shù)，根據(jù)傾角和流型可查。礦場集輸管路8/4/202265第65頁，共77頁。壓降

18、相關(guān)式 高程壓降加速壓降摩阻壓降氣泡流和沖擊流分層流環(huán)狀流 按均相流計算并修正礦場集輸管路8/4/202266第66頁，共77頁。管路起伏對兩相管流的影響 對流型的影響 上坡段舉升氣液混合物所消耗的能量在下坡段不能完全回收，有能量的損失 上坡能量消耗下坡能量回收下坡，由于重力和浮力的作用又 ，使得下坡回收的能量不能完全補(bǔ)償上坡的能量消耗，帶來能量的損失礦場集輸管路8/4/202267第67頁，共77頁。弗萊尼根的結(jié)論 管路下坡段回收的能量比上坡段舉升流體所消耗的能量小得多，可以忽略； 上坡段由高差所消耗的壓能與兩相管路的氣相表觀流速呈反比，表觀流速趨于零時，高程附加壓力損失最大； 由爬坡所引起

19、的高程附加壓力損失與線路爬坡高度之總和成正比，和管路爬坡的傾角、起終點高差無關(guān)。 礦場集輸管路8/4/202268第68頁，共77頁。弗萊尼根關(guān)系式起伏管路的總壓降=水平管路壓降+起伏附加壓降礦場集輸管路8/4/202269第69頁，共77頁。段塞流分類水動力段塞流：管內(nèi)氣、液表觀流速處于流型圖段塞流范圍內(nèi)誘發(fā)的段塞流。 地形起伏段塞流：由于液相在管路低洼處積聚、局部堵塞氣體通道而誘發(fā)的段塞流。常在較低氣、液流量下發(fā)生。 強(qiáng)烈段塞流：在出油管立管系統(tǒng)中，若出油管為下傾管，管內(nèi)氣液流量很小并呈分層流時，將發(fā)生強(qiáng)烈段塞流。礦場集輸管路8/4/202270第70頁，共77頁。水動力段塞流誘發(fā)機(jī)理 波

20、峰處，氣體流速增大，局部壓力比上、下游的壓力低。在壓差的作用下，波浪有增高的趨勢，由此誘發(fā)段塞流。礦場集輸管路8/4/202271第71頁，共77頁。地形起伏段塞流誘發(fā)機(jī)理 下坡管段為分層流。下坡段的液體流向管路低洼處，低洼處下游上坡段的液體因重力而倒流，使管道低洼處液體積聚。在局部堵塞的管道低洼處，氣體流通面積減小，氣體流速增大，氣體帶液能力增強(qiáng)，使上坡段的含液率大幅增加，由此上坡段形成段塞流。礦場集輸管路8/4/202272第72頁，共77頁。強(qiáng)烈段塞流形成機(jī)理 強(qiáng)烈段塞流具有周期性，一個周期內(nèi)有四個過程：立管底部堵塞（出油管分層流，氣體流速小，沒有足夠的能量帶液通過立管,液體在立管底部不斷積累，液位不斷增高，出