油氣集輸-第四章-礦場(chǎng)集輸管路課件

1、油氣集輸中國(guó)石油大學(xué)儲(chǔ)建學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)工程系油氣集輸課程組7/24/20221 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(jì)算 礦場(chǎng)集輸管路實(shí)驗(yàn)：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 7/24/20222一、氣液兩相管流的參數(shù)和術(shù)語(yǔ) 二、混輸管路的特點(diǎn)和處理方法三、兩相流基本方程四、兩相流壓降計(jì)算 五、段塞流、清管與磨蝕礦場(chǎng)集輸管路7/24/20223礦場(chǎng)集輸管路的定義與分類 從油氣井到礦場(chǎng)原油庫(kù)、長(zhǎng)距離輸油管和輸氣管首站、礦場(chǎng)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(chǎng)集輸管路。分類：按管路工作的范圍和性質(zhì)分類：出油管、采氣管，集油、集氣管，輸油、

2、輸氣管；按管路的結(jié)構(gòu)分類：簡(jiǎn)單管和復(fù)雜管；按管路內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)的相數(shù)分類：?jiǎn)蜗唷上嗪投嘞嗔鞴苈?，在我?guó)兩相和多相流管路習(xí)慣稱為混輸管路。礦場(chǎng)集輸管路7/24/20224氣液兩相管流的參數(shù)和術(shù)語(yǔ) 流量 流速 氣液相對(duì)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(chǎng)集輸管路7/24/20225流量質(zhì)量流量 （Kg/s） 體積流量 （m3/s） 礦場(chǎng)集輸管路7/24/20226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(shí)，即 ，氣液混合物的流速稱為均質(zhì)流速：礦場(chǎng)集輸管路7/24/202274、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：

3、礦場(chǎng)集輸管路7/24/20228氣液相對(duì)流速參數(shù) 滑移速度 滑動(dòng)比漂移速度礦場(chǎng)集輸管路7/24/20229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(chǎng)集輸管路7/24/202210三種含氣率之間的關(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 比容礦場(chǎng)集輸管路7/24/202211礦場(chǎng)集輸管路體積含氣率與質(zhì)量含氣率之間的關(guān)系 7/24/202212礦場(chǎng)集輸管路體積含氣率與截面含氣率之間的關(guān)系 7/24/202213 由此可見，在實(shí)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(chǎng)集

4、輸管路7/24/202214礦場(chǎng)集輸管路 質(zhì)量含氣率與截面含氣率之間的關(guān)系 7/24/202215兩相混合物的密度 1、流動(dòng)密度2、真實(shí)密度3、均質(zhì)密度均質(zhì)比體積礦場(chǎng)集輸管路7/24/202216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(chǎng)集輸管路7/24/202217氣液混輸管路的特點(diǎn) 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(dòng)分成若干流型。 流型的測(cè)定方法大致分為三類：目測(cè)法：包括肉眼觀察和高速攝影測(cè)定某一參數(shù)的波動(dòng)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(chǎng)集輸管路7/24/2

5、02218埃爾烏斯流型(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(chǎng)集輸管路7/24/202219Taitel和Dukler流型1976年提出，分為三種基本流型。礦場(chǎng)集輸管路7/24/202220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(chǎng)集輸管路7/24/202221Baker流型圖 1954年提出，第一個(gè)適用于各種介質(zhì)的水平管路流型圖，分為七種流型。礦場(chǎng)集輸管路7/24/202222Mandhane流型圖 1974年提出，分為六種流型。礦場(chǎng)集輸管路7/24/202223Taitel-Dukler

6、流型 1976年提出，適合于各種管路傾角，有四個(gè)流型判別準(zhǔn)則，分為五種流型。Taitel-Dukler水平管流型圖礦場(chǎng)集輸管路7/24/2022242、存在相間能量交換和能量損失 在氣液兩相流動(dòng)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(shí)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(chǎng)集輸管路7/24/2022253、存在相間傳質(zhì) 油氣混輸管路中，隨著管線的延長(zhǎng)，壓力逐漸降低，氣體不斷析出，氣體的質(zhì)量流量增加，密

7、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(diǎn)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，質(zhì)量含氣率下降。礦場(chǎng)集輸管路7/24/2022264、流動(dòng)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(shí)，各相所占管路體積的比例也將發(fā)生變化，這就會(huì)引起管路的不穩(wěn)定工作。5、非牛頓流體和水合物 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(chǎng)集輸管路7/24/202227氣液兩相管路的處理方法 均相流模型 分相流模型 流型模

8、型 礦場(chǎng)集輸管路7/24/202228均相流模型 把氣液混合物看成一種均勻介質(zhì)，把氣液兩相管路看作單相管路來處理。假設(shè)：1） ，則 ，2）氣液相間無(wú)熱量的傳遞，故流動(dòng)介質(zhì)的密度僅是壓力的單值函數(shù) 礦場(chǎng)集輸管路7/24/202229分相流模型 把管路內(nèi)氣液兩相的流動(dòng)看作是氣液各自分別的流動(dòng)。假設(shè)：1） 2）氣液相間無(wú)熱量的傳遞，故流動(dòng)介質(zhì)的密度僅是壓力的單值函數(shù) 礦場(chǎng)集輸管路7/24/202230流型模型 前提是劃分流型，然后根據(jù)流型特點(diǎn)，分析流動(dòng)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三種：（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

9、）分散流（氣泡流、分散氣泡流和彌散流） 礦場(chǎng)集輸管路7/24/202231兩相流基本方程 將氣液兩相在管路中的三維不穩(wěn)定流動(dòng)簡(jiǎn)化為一維流動(dòng)。作如下假設(shè)：在管路橫截面上各流動(dòng)參數(shù)相等，只沿流動(dòng)方向而改變； 在很短的微元管段上， 、 不變，但 一般不等于 。 礦場(chǎng)集輸管路7/24/202232均相流模型連續(xù)性方程 根據(jù)質(zhì)量守恒定律： 質(zhì)量流出率質(zhì)量流入率+控制體內(nèi)質(zhì)量變化率0 穩(wěn)定流動(dòng)常數(shù)礦場(chǎng)集輸管路7/24/202233均相流模型動(dòng)量方程 根據(jù)動(dòng)量守恒定律： 動(dòng)量流出率動(dòng)量流入率控制體內(nèi)動(dòng)量變化率作用于控制體的合力 穩(wěn)定流動(dòng)，可簡(jiǎn)化為 可寫為礦場(chǎng)集輸管路7/24/202234均相流模型能量方程根

10、據(jù)熱力學(xué)第一定律：控制體吸收的熱能控制體內(nèi)能量的增加率流體對(duì)外界做的機(jī)械功對(duì)管道，流體不對(duì)外作功。根據(jù)能量守恒定律：控制體內(nèi)能量的增加率能量流出率能量流入率控制體內(nèi)能量的變化率 單位質(zhì)量流體所具有的能量：礦場(chǎng)集輸管路7/24/202235穩(wěn)定流動(dòng)，單位工質(zhì)的吸熱量：礦場(chǎng)集輸管路7/24/202236均相流模型能量與動(dòng)量方程的比較與動(dòng)量方程相比較： 流體與管壁摩擦產(chǎn)生的熱量使流體所具有的能量增加了 、溫度上升。所以，對(duì)單相和均相流體，用動(dòng)量方程或能量方程確定管路壓降梯度的計(jì)算式，各項(xiàng)相對(duì)應(yīng)。 由熱力學(xué)第一定律管流 則代入穩(wěn)定流動(dòng)能量方程礦場(chǎng)集輸管路7/24/202237分相流模型連續(xù)性方程 根據(jù)

11、質(zhì)量守恒定律：質(zhì)量流出率質(zhì)量流入率+控制體內(nèi)質(zhì)量變化率控制體內(nèi)單位長(zhǎng)度上氣液相間的質(zhì)量交換率 氣相連續(xù)性方程液相連續(xù)性方程礦場(chǎng)集輸管路7/24/202238將以上兩式相加，得混合物連續(xù)性方程穩(wěn)定流動(dòng)=常數(shù)礦場(chǎng)集輸管路7/24/202239分相流模型動(dòng)量方程氣相液相礦場(chǎng)集輸管路7/24/202240礦場(chǎng)集輸管路7/24/202241分相流模型能量方程氣相液相礦場(chǎng)集輸管路7/24/202242礦場(chǎng)集輸管路7/24/202243分相流模型動(dòng)量與能量方程的比較 對(duì)比由動(dòng)量和能量方程推導(dǎo)的壓降梯度公式，雖然都由摩阻、重力和加速度壓降梯度三部分組成，但各對(duì)應(yīng)項(xiàng)并不相同。礦場(chǎng)集輸管路7/24/202244均

12、相和分相流模型分析礦場(chǎng)集輸管路7/24/202245 均相流的壓降梯度 單位質(zhì)量均質(zhì)流體因摩擦使機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿牟糠?，J/kg 重力和加速度壓降梯度可直接計(jì)算求得。由流體力學(xué)可知，摩阻壓降梯度礦場(chǎng)集輸管路7/24/202246分相流的壓降梯度 動(dòng)量方程只考慮流體與管壁摩擦所引起的機(jī)械能損失；而能量方程的 內(nèi)既包括流體與管壁，也包括氣液界面間摩擦所引起的機(jī)械能損失。因而 動(dòng)量方程能量方程1、摩阻壓降加速壓降與摩阻、重力壓降相比很小，常?？梢院雎浴５V場(chǎng)集輸管路7/24/202247動(dòng)量方程能量方程由于在氣液兩相管流中，通常 ， ，所以 2、重力壓降礦場(chǎng)集輸管路7/24/202248壓降計(jì)算 Du

13、kler I 法 礦場(chǎng)集輸管路7/24/202249壓降計(jì)算 Dukler II 法 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(chǎng)集輸管路7/24/202250礦場(chǎng)集輸管路7/24/202251礦場(chǎng)集輸管路7/24/202252計(jì)算步驟計(jì)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(jì)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(chǎng)集輸管路7/24/202253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 600

14、2105 。礦場(chǎng)集輸管路7/24/202254壓降計(jì)算 L-M法假設(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(wú)相互作用。 礦場(chǎng)集輸管路7/24/202255L-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(chǎng)集輸管路7/24/202256（4）（5）礦場(chǎng)集輸管路7/24/202257（6）（7）兩相管路中只有液體和氣體單獨(dú)流動(dòng)時(shí)的壓降梯度： 礦場(chǎng)集輸管路7/24/202258由式（1）、（4）、（6）、（8）得： （8）（9）（10）（11）礦場(chǎng)集輸管路7/24/202259洛馬參數(shù) 礦場(chǎng)集輸管路7/24/202260將（10）、（

15、11）式代入LM參數(shù)的定義式得：將式（12）代入（10）、（11）后得： （12）（13）（14）礦場(chǎng)集輸管路7/24/202261X與 、 的關(guān)系礦場(chǎng)集輸管路7/24/202262 混輸管路的壓降由下面任一式求出： 礦場(chǎng)集輸管路7/24/202263L-M公式的推導(dǎo)思路求取混輸管路的壓降，可利用公式：或由于單相管路的壓降好求，因此只需要求分液相折算系數(shù)或分氣相折算系數(shù)分液相折算系數(shù)或分氣相折算系數(shù)與L-M參數(shù)有關(guān)，只需求L-M參數(shù)L-M參數(shù)可由右式求得礦場(chǎng)集輸管路7/24/202264奇斯霍姆建立的關(guān)系式 （15）（16）（17）（18）礦場(chǎng)集輸管路7/24/202265假設(shè)： ，根據(jù)分液相

16、折算系數(shù)的定義,由式、（6）、（18）得： （19）礦場(chǎng)集輸管路7/24/202266L-M參數(shù)在 的假定條件下可表示成： 則（19）可寫成： （20）礦場(chǎng)集輸管路7/24/202267由滑動(dòng)比的定義可以推出 則： （21）礦場(chǎng)集輸管路7/24/202268同理可以推導(dǎo)出（22）其中 對(duì)于C 值,奇斯霍姆根據(jù)氣、液分別在兩相管路中單獨(dú)流動(dòng)時(shí)的流態(tài)給出了推薦值。礦場(chǎng)集輸管路7/24/202269L-M法求水平氣液兩相管流壓降梯度的計(jì)算步驟 1）判斷氣、液?jiǎn)为?dú)在兩相管路中流動(dòng)時(shí)的流態(tài)，確定C 值2）計(jì)算單相管路的壓降梯度，確定X3）根據(jù)奇斯霍姆建立的關(guān)系式計(jì)算4）根據(jù)分氣相折算系數(shù)或分液相折算系數(shù)

17、的定義式計(jì)算兩相管流的壓降梯度礦場(chǎng)集輸管路7/24/202270壓降計(jì)算B-B法 根據(jù)均相流模型能量方程，起伏兩相管流的壓降梯度 可見，管路總壓降梯度為單位管長(zhǎng)動(dòng)能變化和位能變化以及摩阻損失之和。 礦場(chǎng)集輸管路7/24/202271B-B法壓降梯度公式-動(dòng)能變化項(xiàng)其中礦場(chǎng)集輸管路7/24/202272礦場(chǎng)集輸管路7/24/202273分析上式括號(hào)內(nèi)各項(xiàng)的大小可知 則動(dòng)量變化項(xiàng)：礦場(chǎng)集輸管路7/24/202274真實(shí)密度：以截面含液率取代截面含氣率，則動(dòng)能變化項(xiàng)為：礦場(chǎng)集輸管路7/24/202275B-B法壓降梯度公式-位能變化項(xiàng) 對(duì)于傾角為 、長(zhǎng) 為的管段，其爬坡的垂直高度為： 故位能變化項(xiàng)為

18、： 礦場(chǎng)集輸管路7/24/202276B-B法壓降梯度公式-摩阻損失項(xiàng) 在計(jì)算摩阻損失時(shí)，貝-布采用了氣液混合物的流動(dòng)密度 礦場(chǎng)集輸管路7/24/202277B-B法壓降梯度公式 該式考慮了管路起伏對(duì)壓降的影響，把下坡段的能量回收考慮在了計(jì)算公式中。既適合水平管，又適合傾斜管，同時(shí)還適合單氣相管路和單液相管路。礦場(chǎng)集輸管路7/24/202278截面含液率實(shí)驗(yàn)結(jié)論 管段傾角大于3時(shí)，實(shí)驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)分層流型；下坡段觀察到的流型幾乎都是分層流；管路上傾時(shí)，有一最大的截面含液率；管路下傾時(shí)，有一最小的截面含液率。礦場(chǎng)集輸管路7/24/202279截面含液率的求解方法系數(shù)a,b,c取決于流型過度流礦場(chǎng)集輸

19、管路7/24/202280兩相水力摩阻系數(shù)的求解方法礦場(chǎng)集輸管路7/24/202281壓降計(jì)算 M-B法 流型只分為氣泡流、分層流、沖擊流和環(huán)狀流四種 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(chǎng)集輸管路7/24/202282M-B流型分界 ，氣泡流段塞流間轉(zhuǎn)型相關(guān)式 ，段塞流環(huán)狀流間轉(zhuǎn)型相關(guān)式 ，氣泡流段塞流轉(zhuǎn)型相關(guān)式 ，分層流邊界相關(guān)式礦場(chǎng)集輸管路7/24/202283礦場(chǎng)集輸管路7/24/202284M-B實(shí)驗(yàn)結(jié)論 時(shí)， 為環(huán)狀流， 時(shí)為彌散流 ，不管傾角是多少，實(shí)驗(yàn)中沒有觀察到分層流現(xiàn)象。當(dāng) 時(shí)為氣泡流，否則是沖擊流管路下傾時(shí)常遇到分層流或氣泡流 不管管路傾角如何，液相

20、粘度對(duì)流型的轉(zhuǎn)變都有較大的影響 下傾管，在030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小礦場(chǎng)集輸管路7/24/202285持液率相關(guān)式C1C6系數(shù)，根據(jù)傾角和流型可查。礦場(chǎng)集輸管路7/24/202286M-B相關(guān)式 高程壓降加速壓降摩阻壓降氣泡流和段塞流分層流環(huán)狀流 按均相流計(jì)算并修正礦場(chǎng)集輸管路7/24/202287管路起伏對(duì)兩相管流的影響 對(duì)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(chǎng)集輸管路7/24/202

21、288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(shí)，高程附加壓力損失最大 由爬坡所引起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(diǎn)高差無(wú)關(guān) 礦場(chǎng)集輸管路7/24/202289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(chǎng)集輸管路7/24/202290段塞流分類水動(dòng)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(shí)，將發(fā)生強(qiáng)烈段塞流。礦場(chǎng)集輸管路7/24/202291水動(dòng)力段塞流誘發(fā)機(jī)理 波峰處，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(shì)，而誘發(fā)段塞流。礦場(chǎng)集輸管路7/24/202292地形起伏段塞流誘發(fā)機(jī)理 在下坡管段為分層流。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，在上坡段就形成了段塞流。礦場(chǎng)集輸管路7/24