1、1第三章第三章 油气混输管路油气混输管路 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。其伴生气的管路称为油气混输管路。2第一节第一节 两相管流基础术语与处理方法两相管流基础术语与处理方法 “相相”通常指某一系统中具有相同物理、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，各相间具有明化学性质的均匀物质部分，各相间具有明显可分的界面。显可分的界面。一、相的定义及两相流动的分类一、相的定义及两相流动的分类 气气固两相流固两相流 气气液两相流液两相流 液液固两相流固两相流 液液液两相流液两相流 3式中式中 M混输管路的质量流
2、量，混输管路的质量流量，kg/s；Ml液相的质量流量，液相的质量流量，kg/s；Mg气相的质量流量，气相的质量流量，kg/s。二、气液混输管路的流动参数二、气液混输管路的流动参数1、质量流量质量流量和体积流量和体积流量质量流量质量流量 M=M g+Ml4式中式中 Q混输管路的体积流量，混输管路的体积流量，m3/s；Ql液相的体积流量，液相的体积流量，m3/s；Qg一气相的体积流量，一气相的体积流量，m3/s。glQQQ体积流量体积流量52、流速、流速 在混输管路内，气液相所占的流通面积在混输管路内，气液相所占的流通面积分别为分别为Ag和和Al，则，则气相速度气相速度(m/s)液相速度液相速度(
3、m/s)gggAQulllAQu 6式中式中 A管路流通面积，管路流通面积，A=Al+AgAQulslAQugsg气相气相折算折算速度速度(m/s)液相液相折算折算速度速度(m/s)7 气液两相混合物速度气液两相混合物速度是是两相混合物总两相混合物总体积流量与流通截面积之比。即体积流量与流通截面积之比。即sgslgluuAQQu83、滑差滑差、滑动比和漂移速度滑动比和漂移速度 滑差或滑脱速度滑差或滑脱速度滑动比滑动比lguus lgsuuu漂移速度漂移速度uuugd9 4、含气率和含液率、含气率和含液率质量含气率质量含气率质量含液率质量含液率glggMMMMMxglllMMMMMx1 1）质量
4、含气率与质量含液率）质量含气率与质量含液率 10glggQQQQQglllLQQQQQR1体积体积含气率含气率体积体积含液率含液率 2）体积含气率和体积含液率）体积含气率和体积含液率11glggAAAAAglllLAAAAAH1截面截面含气率含气率截面截面含液率含液率 3）截面含气率和截面含液率）截面含气率和截面含液率12质量含气率与体积含气率间的关系：质量含气率与体积含气率间的关系：)1(1/lglgx截面含气率与体积含气率的关系：截面含气率与体积含气率的关系：)11(11s4）三种含气率间的关系）三种含气率间的关系 掌握推导过程掌握推导过程13 5、两相混合物的密度、两相混合物的密度 流动
5、密度流动密度表示单位时间内流过截面的两相表示单位时间内流过截面的两相混合物的质量与体积之比，即混合物的质量与体积之比，即常用来计算气液混合物沿管路流动时的摩阻损失。常用来计算气液混合物沿管路流动时的摩阻损失。(1)lgllggfglMMQQMQQQ 14 在管道某流通断面上取微小流段，此流段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中气液两相混合物的真实密度定义真实密度定义为此微小流为此微小流段中两相质量与体积之比，即段中两相质量与体积之比，即 当气、液相间相对速度等于零，流动密当气、液相间相对速度等于零，流动密度等于真实密度。度等于真实密度。真实密度常用来计算气液真实密度常用来计
6、算气液混合物沿起伏管路运动时的静压损失混合物沿起伏管路运动时的静压损失（高程（高程变化引起的附加压力损失）。变化引起的附加压力损失）。lLgLlLgLHHlAlAHlAH)1()1(156、摩擦压降的折算系数、摩擦压降的折算系数1）全液相折算系数）全液相折算系数 10210)dd(ddlplp 设水平管路内气液两相沿管共流，其质量流量设水平管路内气液两相沿管共流，其质量流量为为M，压降梯度为，压降梯度为dp/dl。另设在相同的管路。另设在相同的管路中中只有只有液相流动，其质量流量也是液相流动，其质量流量也是M，压降梯度为，压降梯度为(dp/dl)10。162）分液相折算系数）分液相折算系数 设
7、在气液混输管路内只有液相流动，其质量流设在气液混输管路内只有液相流动，其质量流量为量为 ，压降梯度为，压降梯度为 ，则把混输管路，则把混输管路压降梯度压降梯度dP/dl与与 之比定义为分液相折算系数，之比定义为分液相折算系数，以以 表示，即表示，即 lllplp)dd(dd2(1)lMMxddlPlddlPl2l17 设在气液混输管路内只有气相流动，其质量设在气液混输管路内只有气相流动，其质量流量为流量为 ，压降梯度为，压降梯度为 ，则把混，则把混输管路压降梯度输管路压降梯度dP/dl与与 之比定义为分气相之比定义为分气相折算系数，以折算系数，以 表示，即表示，即gglplp)dd(dd23）
8、分气相折算系数）分气相折算系数 gMM xddgPlddgPl2g18 在两相混输管路计算中引入折算系数的在两相混输管路计算中引入折算系数的目的，目的，是把求两相管路摩擦压降梯度的问题是把求两相管路摩擦压降梯度的问题转化为求折算系数的问题。转化为求折算系数的问题。若能用实验方法若能用实验方法求得上述任一种折算系数，则两相管路的压求得上述任一种折算系数，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。梯度之乘积求得。19三、气液两相管路的特点和研究方法三、气液两相管路的特点和研究方法与单相管路相比，油气管路有如下流动特点：与单相管路相比，
9、油气管路有如下流动特点：流型变化多，流动不稳定；流型变化多，流动不稳定；存在相间能量损失，管线中有液相的积聚；存在相间能量损失，管线中有液相的积聚；流动规律复杂，流动阻力大。流动规律复杂，流动阻力大。20（1）流型变化多，流动不稳定）流型变化多，流动不稳定两相管路的流型分为分为两相管路的流型分为分为气泡流、气团流、气泡流、气团流、分层流、波浪流、冲击流（段塞流）、不完分层流、波浪流、冲击流（段塞流）、不完全环状流、环状流、弥散流全环状流、环状流、弥散流等八种流态。等八种流态。21(d)(c)(h)(g)(b)(a)(f)(e)图图3-1 气液两相流动的流型气液两相流动的流型（a）气泡）气泡流流
10、；（b）气团流；）气团流；（c）分层流；）分层流；（d）波浪流；）波浪流；（e）冲击流；）冲击流；（f）不完全环状流；）不完全环状流；（g）环状流；）环状流；（h）弥散流）弥散流22 据研究，天然气据研究，天然气凝析液混输管路中常遇凝析液混输管路中常遇到到分层流型、不完全环状流、环状流和弥散流分层流型、不完全环状流、环状流和弥散流；而原油而原油天然气混输管路常遇到天然气混输管路常遇到气泡流、气泡流、气团流、分层流、波浪流和冲击流等五种气团流、分层流、波浪流和冲击流等五种。23（2）存在相间能量损失，存在相间能量损失，管中有液相的积聚管中有液相的积聚气液相间传质，要消耗能量；气液相间传质，要消耗
11、能量；气液两相的速度不同，要损失能量；气液两相的速度不同，要损失能量；液面的起伏使流道变化，气体流动方向随液液面的起伏使流道变化，气体流动方向随液面起伏而变化，相间能量损失增加；面起伏而变化，相间能量损失增加；当流速较低时，积液现象较为突出。当流速较低时，积液现象较为突出。24（3）流动规律复杂，流动阻力大）流动规律复杂，流动阻力大 混输混输流态变化大，流动不稳定，使其流态变化大，流动不稳定，使其流动流动规律规律极为复杂，难于掌握其水力计算规律，极为复杂，难于掌握其水力计算规律，目前尚无成目前尚无成熟的通用的理论计算公式来计算混输压降。熟的通用的理论计算公式来计算混输压降。252、气液两相管流
12、的处理方法、气液两相管流的处理方法 各国研究工作者在处理气液混输时，常各国研究工作者在处理气液混输时，常作某些假设使问题简化。采用的方法大致可作某些假设使问题简化。采用的方法大致可归纳为三类，即归纳为三类，即 均相流模型均相流模型 分相流模型分相流模型 流型模型流型模型26（1）均相流模型均相流模型 把气液混合物看成为一种均匀介质，因此把气液混合物看成为一种均匀介质，因此可以把气液两相管路可以把气液两相管路当作单相管路来处理当作单相管路来处理。在。在均相流模型中作出了两个假设：均相流模型中作出了两个假设：气相和液相的速度相等；气相和液相的速度相等；气液两相介质已达到热力学平衡状态，气液两相介质
13、已达到热力学平衡状态，气液相间无热量的传递。气液相间无热量的传递。27（2）分相流模型）分相流模型 把管路内气液两相的流动看作是气液各把管路内气液两相的流动看作是气液各自分别的流动。自分别的流动。首先首先确定气液相在管路内各自所占的流确定气液相在管路内各自所占的流通面积，通面积，再把再把气相和液相都按单相管路处理气相和液相都按单相管路处理并计入并计入相间作用相间作用，最后最后将气液相的方程加以将气液相的方程加以合并。合并。目前，截面目前，截面含含液率和相间相互作用等数液率和相间相互作用等数据主要依靠实验求得。据主要依靠实验求得。28 流体力学基本方程应用于分相流模型时作流体力学基本方程应用于分
14、相流模型时作出两条假设，即出两条假设，即气液两相有各自的按所占流通面积计算平均速气液两相有各自的按所占流通面积计算平均速度。度。气液两相间可能有质量的交换，但气液两相介气液两相间可能有质量的交换，但气液两相介质处于热力学平衡状态，相间无热量的传递。质处于热力学平衡状态，相间无热量的传递。29（3）流型模型流型模型 分清两相流流型，根据分清两相流流型，根据两相两相流型的特点，流型的特点，分析其流动特性，建立分析其流动特性，建立压降压降关系式。关系式。目前，在工程上使用的大多是在实验数据目前，在工程上使用的大多是在实验数据上，确立的经验关系式。上，确立的经验关系式。303 3油、气、水三相混输管路
15、处理方法油、气、水三相混输管路处理方法 油井产物大多含水，随着油田开采时间的增油井产物大多含水，随着油田开采时间的增长，油井产物的含水率逐渐升高，在集输管路中长，油井产物的含水率逐渐升高，在集输管路中形成油气水三相混输。形成油气水三相混输。工程上常把油、水当作单一的液相。当水以工程上常把油、水当作单一的液相。当水以游离水形式存在时，常以油水的质量平均性质作游离水形式存在时，常以油水的质量平均性质作为液相的物性。为液相的物性。事实上，油气水沿管路共流的过程中，特别事实上，油气水沿管路共流的过程中，特别是经油嘴、阀门、管件时，受到剧烈扰动，混输是经油嘴、阀门、管件时，受到剧烈扰动，混输管路的液相大都是原油乳状液。管路的液相大都是原油乳状液。此时，常以乳状液的物性作为混输管路液相此时，常以乳状液的物性作为混输管路液相的物性。的物性。
