專利名稱：一種測定管道多相流減阻效果的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種針對水平管、傾斜管和垂直管等不同管道形態(tài)，用于測定多相流減
阻效果的方法，
背景技術(shù)：
多相流減阻技術(shù)具有廣泛的內(nèi)涵，包括聚合物減阻劑減阻、表面活性劑減阻、氣泡減阻、水環(huán)減阻、纖維減阻等多種方式。有關(guān)減阻技術(shù)的研究可追溯到20世紀30年代，對于單相流體流動過程的減阻，國內(nèi)外不僅有了相當?shù)难芯浚残纬闪艘恍＠夹g(shù)，但是，對多相流減阻的研究還相對較少，缺少相應(yīng)的專利技術(shù)。隨著海洋油氣資源與陸地邊際油氣資源的開采，多相流生產(chǎn)管線越來越多，高流阻是多相流的主要特征，在一些幾十千米甚至上百千米的油氣水多相流管線中，由于多相流的高流阻效應(yīng)?？梢援a(chǎn)生幾兆帕(MPa)的壓力降，這么大的壓力降不利于油氣資源的高效開發(fā)。多相流減阻是一種節(jié)能降耗新技術(shù)，近十余年來，國內(nèi)外對多相流減阻技術(shù)的研究與應(yīng)用也明顯增多，在多相流減阻中，一個重要步驟就是測定或評判各種減阻技術(shù)對多相流的減阻效果。 多相流管線是既包含水平管、傾斜管、垂直管等多種管路形態(tài)，又包含泡狀流、彈狀流、環(huán)狀流、分層流等多種流型的復(fù)雜系統(tǒng)。目前，對于多相流減阻，現(xiàn)有的測定方法主要是延用單相流減阻的方法，即通過計算管道摩擦壓降的相對變化率來確定減阻率，計算方法為減阻率DR二 (Apf。-Apf—。R)/Apf。，其中Apf是管道的摩擦壓降，Apf。是沒有采用減
阻技術(shù)時的摩擦壓降，APf—DK是采用減阻技術(shù)時的摩擦壓降。具體實施過程為首先在沒有
采用任何減阻技術(shù)的情況下，使多相流以一定的體積流速在管道中流動，對于一定長度的
管道測量其摩擦阻力并記錄；而后在采用了減阻技術(shù)的情況下，使多相流保持與前一步驟
相同的體積流速在管道中流動，對于相同長度的管道測量其摩擦壓降并記錄；再后按照前
面的公式計算減阻率。對單相流，這一減阻效果測定方法既適用于水平管，也適用于傾斜管
與垂直管。對多相流，這一評價方法存在局限性，只適用于水平管多相流，以及傾斜管與垂
直管中的均質(zhì)多相流，而不適用于傾斜管與垂直管中的非均質(zhì)多相流。石油生產(chǎn)管線中最
常見的彈狀流，天然氣生產(chǎn)管線中常見的分層流與環(huán)狀流等流型，都屬于非均質(zhì)多相流。 非均質(zhì)是多相流的基本特征，表現(xiàn)為相間存在相對速度，這一相對速度又稱為相
間滑移速度，即多相流某一相的運動速度比另一相要快。相間滑移速度是多相流相間摩擦
的根源，通常引起多相流的摩擦能耗顯著增大。對于水平管均質(zhì)與非均質(zhì)多相流、傾斜管
均質(zhì)多相流和垂直管均質(zhì)多相流，壁面摩擦和相間摩擦所引起的能耗都體現(xiàn)在了摩擦壓降
中，這些情況下采用現(xiàn)有的流動減阻測定方法來評價多相流減阻效果是可行的。但是，對于
傾斜管和垂直管中的非均質(zhì)多相流，包括傾斜管分層流、彈狀流、環(huán)狀流，以及垂直管彈狀
流、塊狀流和環(huán)狀流等流型，流體與壁面的摩擦和各相之間的摩擦所引起的能耗并不都體
現(xiàn)在管道的摩擦壓降中，這些情況下采用現(xiàn)有的測定方法來評價多相流減阻效果是不準確的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有減阻效果測定方法的局限性，提出一種多相流減阻效果的測定方
法，可用于評價減阻技術(shù)對多相流的減阻效率，適用于水平管、傾斜管、垂直管等多種管道
形態(tài)在泡狀流、彈狀流、環(huán)狀流、分層流等各種流型下的減阻措施。 為達到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的 —種測定管道多相流減阻效果的方法，其特征在于，包括下述步驟 (i)首先確定管道尺寸與管道形態(tài)。管道形態(tài)通過管道傾角e值的大小確定e=90°為垂直上升管，e =-90°為垂直下降管，e =0°為水平管，o。 < e <=90°為傾斜上升管，-90° < e <o°為傾斜下降管； (2)核定多相流工況的流速、溫度、壓力、流體物性參數(shù)，計算其均相密度；依據(jù)與管道形態(tài)相對應(yīng)的多相流流型圖，對于水平管，可由Mandhan (曼德漢)流型圖或Baker (貝克)流型圖判定；對于垂直上升管，可由Aziz(阿齊茲)流型圖判定；對于步驟(1)中的其它管道形態(tài)，可由Taitel (泰特爾)流型圖判定； (3)在沒有采用減阻措施的情況下，對于核定的多相流工況與流型，獲取多相流體積平均密度及摩擦壓降； (4)計算沒有采用減阻措施時的多相流摩擦強度I f。
;f0= Apf0/Lp+(P T0-P s)gsin 9 ; 式中p t。和Apf。分別為沒有采用減阻措施的情況下多相流在管道中的體積平均密度與摩擦壓降，Lp為管道長度，g為重力加速度，e為管道相對于水平面的傾角，Ps是多相流的均相密度； (5)保持多相流工況的流速、溫度、壓力參數(shù)與步驟(2)中相同，對多相流采用減阻措施，得到減阻條件下多相流在管道中的體積平均密度和摩擦壓降；
(6)計算采用減阻措施時的多相流摩擦強度I f—DK :
《f—ra = A pf—DK/Lp+ ( P T—DK- P s) gsin e ; 其中pT—^和Apf—^分別為采用減阻措施的情況下多相流在管道中的體積平均密度與摩擦壓降； (7)計算多相流減阻率，計算方法為 DR = 100% X (《f0-《f—DK) /《f0 ; 減阻率DR越大，多相流減阻的效果就越好。 上述方案中，重復(fù)步驟(2)至步驟(7)，對給定的多相流新工況再次測定，得到多個多相流不同工況下的多相流摩擦強度及其減阻率，繪制減阻率與摩擦強度的關(guān)系曲線；依據(jù)摩擦強度的大小、減阻率的大小和減阻率曲線的變化趨勢，評價多相流減阻措施的有效性、最佳適用參數(shù)和應(yīng)用的可行性，提出評價意見。 所述步驟(3)中獲取的多相流在管道中的體積平均密度和摩擦壓降是通過依據(jù)室內(nèi)試驗的測量結(jié)果，或者依據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，或者依據(jù)多相流模擬計算軟件的計算結(jié)果得到。所述步驟(5)中獲取的減阻條件下多相流在管道中的體積平均密度和摩擦壓降是依據(jù)室內(nèi)試驗的測量結(jié)果，或者依據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，或者依據(jù)多相流模擬計算軟件的計算結(jié)果得到。
本發(fā)明多相流減阻效果測定方法是利用多相流摩擦強度及其相對變化率作為基本測定參數(shù)，對多相流減阻效率進行評價。其原理是管道多相流的摩擦能耗是既包括了各種相態(tài)的流體與管道壁面因摩擦而引起的機械能耗散，也包括了各相之間在相界面上的 摩擦而引起的機械能耗散。多相流減阻既要降低壁面摩擦，也要降低相間摩擦，這樣才能從 整體上降低因摩擦而引起的機械能耗散，實現(xiàn)減阻與節(jié)能降耗的效果。摩擦壓降與體積流 量的乘積，并不能完全反映水平管、傾斜管、垂直管等多種管道形態(tài)在泡狀流、彈狀流、環(huán)狀 流、分層流等各種流型下的機械能耗散，因此，本發(fā)明提出將多相流摩擦強度的相對變化率 作為多相流減阻率。 多相流摩擦強度是多相流的特有參數(shù)，該參數(shù)既包括了對多相流壁面摩擦壓降的
度量，又包括了對多相流相間摩擦的度量。多相流摩擦強度《f—DK采用如下方法計算I f = A pf/Lp+( P T_ P s) gsin 9 ，多相流摩擦強度與摩擦壓降梯度具有相同的量綱，卻不同于摩擦
壓降梯度。摩擦強度與體積流量的乘積，能夠準確反映水平管、傾斜管、垂直管等多種管道
形態(tài)在泡狀流、彈狀流、環(huán)狀流、分層流等各種流型下的機械能耗散。將多相流摩擦強度的
相對變化率作為減阻率，能夠?qū)Χ嘞嗔鳒p阻效率進行準確評價。 對于傾斜管與垂直管中的彈狀流、環(huán)狀流等流型，這些流型也是油氣多相混輸管 道最常見的流型，其中摩擦強度不等于摩擦壓降，可能大于摩擦壓降。摩擦強度的相對變化 率也不等于摩擦壓降的相對變化率。 一種減阻技術(shù)可以使多相流的摩擦壓降減小，卻可能 因為使相間摩擦增大而引起多相流摩擦強度的增大。多相流摩擦強度與管道壁面摩擦和相 界面摩擦存在密切關(guān)系，不僅反映了壁面摩擦對摩擦能耗的貢獻，也反映了相間摩擦對摩 擦能耗的貢獻，因此，可以通過多相流摩擦強度及其相對變化率對多相流減阻效率進行評 價。 本發(fā)明所提出的減阻測定方法是在確定了管道形態(tài)與多相流流型的前提下進行 的。對于單相流，由于是單一相態(tài)的流動，不存在相間摩擦，摩擦強度的值等同于摩擦壓降 的值，減阻率是摩擦壓降的相對變化率，也是摩擦強度的相對變化率，因此，本發(fā)明所提出 的方法也適用于單相流減阻。


圖1為本發(fā)明方法的流程圖。 圖2為采用聚合物減阻措施，傾斜管中油氣水多相流的減阻率與摩擦強度的關(guān) 系。
具體實施例方式
本發(fā)明的操作流程見圖1 : (i)首先確定管道尺寸與管道形態(tài)。管道形態(tài)通過管道傾角e值的大小確定e =90°為垂直上升管，e =-90°為垂直下降管，e =0°為水平管，o。 < e <=90°為 傾斜上升管，-90° < e <0°為傾斜下降管。 (2)核定多相流工況的流速、溫度、壓力、流體物性等具體參數(shù)，計算其均相密度。 依據(jù)與管道形態(tài)相對應(yīng)的多相流流型圖，判定多相流的流型?？赡艿亩嘞嗔髁餍桶ㄅ?br> 狀流、彈狀流、環(huán)狀流、分層流、塊狀流等等。對于水平管，可由Mandhan曼德漢流型圖或 Baker(貝克)流型圖判定；對于垂直上升管，可由Aziz (阿齊茲)流型圖判定；對于其它管 道形態(tài)，可由Taitel(泰特爾)流型圖判定。
(3)在沒有采用減阻技術(shù)的情況下，對于核定的多相流工況與流型，依據(jù)室內(nèi)試驗
的測量結(jié)果，或者依據(jù)現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，得到多相流在管道中的體積平均密度和摩擦壓降。不
論是室內(nèi)試驗的測量結(jié)果還是現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，都要指出具體的多相流流型。
(4)計算沒有采用減阻技術(shù)時的多相流摩擦強度1f。，計算方法為"f。= Apf。/
Lp+(PT。_Ps)gsine ;其中h。和Apf。分別為沒有采用減阻技術(shù)的情況下多相流在管道中
的體積平均密度與摩擦壓降，Lp為與Apf。相對應(yīng)的管道長度，g為重力加速度，e為管道
相對于水平面的傾角，Ps是多相流的均相密度。
(5)保持多相流工況的流速、溫度、壓力等具體參數(shù)與步驟(2)中相同，對多相流
采用減阻技術(shù)，依據(jù)室內(nèi)試驗的測量結(jié)果，或者依據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，或者依據(jù)多相流模擬計算軟
件的計算結(jié)果，得到減阻條件下多相流在管道中的體積平均密度和摩擦壓降。
(6)計算采用減阻技術(shù)時的多相流摩擦強度lf—。K，計算方法為lf—DK = Apf—DK/
Lp+(PT-DK-Ps)gsine 。其中pT—D^和Apf—^分別為采用減阻技術(shù)的情況下多相流在管道中
的體積平均密度與摩擦壓降，物理量Lp、 P^g和e與步驟4中的相同。 (7)計算多相流減阻率，計算方法為DR = 100% X U fo-《f—DK)/《fo。減阻率越
大，多相流減阻的效果越好。 (8)重復(fù)步驟(2)至步驟(7)，對給定的不同流動工況逐次測定，可得到多個流動
工況下的不同多相流摩擦強度及其減阻率，繪制減阻率與摩擦強度的關(guān)系曲線。依據(jù)摩擦
強度的大小、減阻率的大小和減阻率曲線的變化趨勢，判定多相流減阻措施的有效性、最佳
適用參數(shù)和應(yīng)用的可行性，給出測定結(jié)果與結(jié)論。 —個按照上述實施方式測定多相流減阻效果的實例 以水溶性高分子聚合物為減阻劑，以空氣、水和46#機械油為多相流介質(zhì)，在內(nèi)徑 40mm的傾角為9°的傾斜上升管中，摩擦壓降的測試長度為2m，依據(jù)室內(nèi)試驗測量結(jié)果，測 定多相流減阻的效果。實驗中水和46#機械油形成"水包油"混合液體，含油率為10%，液 體表觀流速為3m/s，氣體表觀流速在3m/s 6m/s之間，液相中減阻劑體積濃度為200卯m。 按照具體實施方式
或操作流程實施如下 (1)確定管道尺寸與管道形態(tài)管道直徑為40mm，管道形態(tài)為傾斜上升管，傾角為 『。 (2)核定多相流工況的具體參數(shù)壓力為0. 15MPa，溫度為30°C，液相表觀流速為 3m/s，含油率為10%，氣相表觀流速為3m/s，氣體密度為1. 65kg/m3，水的密度為998kg/m3， 油的密度為872kg/m3，多相流的均相密度為493kg/m3。依據(jù)Taitel (泰特爾)流型圖，流型 為彈狀流。 (3)在沒有采用減阻技術(shù)的情況下，對于該流動工況與彈狀流流型，室內(nèi)試驗測量 得到多相流在該傾管道中的體積平均密度為P T。 = 601kg/m 在2m長的管道長度上摩擦壓 降A(chǔ)pf。為4. 34kPa。 (4)計算沒有采用減阻技術(shù)時的多相流摩擦強度I f。，按照計算方法I f。 = A pf。/ Lp+ ( P T0- P s) gsin e ，得到《f0 = 2. 61kPa/m。 (5)保持壓力為0. 15MPa、溫度為30°C 、液相表觀流速為3m/s、氣相表觀流速為4m/ s，同時添加溶于液相的聚合物減阻劑，對于該流動工況與彈狀流流型，室內(nèi)試驗測量得到 在減阻條件下，該傾斜管中多相流的體積平均密度為P T—DK = 615kg/m3，在2m長的管道長度上摩擦壓降A(chǔ)pf—DK為2. 17kPa。 (6)計算采用減阻技術(shù)時的多相流摩擦強度lf,，按照計算方法lf—DK= Apf—DK/ LP+ ( P T-DR- P s) gsin e ，翻《f—DK = 1. 58kPa/m。 (7)計算多相流減阻率，按照計算方法DR = 100% X (lf。-lf—DK)/《f。，得到減阻 率DR = 39. 5%。 (8)將氣體表觀流速分別設(shè)定為4. 5m/和6m/s，重復(fù)步驟(2)至步驟(7)，其它流 動參數(shù)不變，通過逐次測定，可得到這幾種工況下的多相流摩擦強度及其減阻率，繪制的減 阻率與摩擦強度的關(guān)系曲線見圖2。 依據(jù)圖2可以看出，采用聚合物減阻措施，傾斜管中油氣水多相流的減阻率隨摩 擦強度的增大而有所降低，最大減阻率為39.5%，最小減阻率為29.6%，其最佳適用參數(shù) 所對應(yīng)的摩擦強度(無減阻措施)為2.6kPa/m，相應(yīng)的流動工況為液體表觀流速3m/s、 氣體表觀流速3m/s。在含油率為10%、液體表觀流速為3m/s、氣體表觀流速在3m/s 6m/ s之間的工況范圍內(nèi)，該減阻措施用于傾斜管油氣水多相流的減阻具有明顯的減阻效果，能 夠有效降低多相流的能耗。
權(quán)利要求
一種測定管道多相流減阻效果的方法，其特征在于，包括下述步驟(1)首先確定管道尺寸與管道形態(tài)，管道形態(tài)通過管道傾角θ值的大小確定θ＝90°為垂直上升管，θ＝-90°為垂直下降管，θ＝0°為水平管，0°＜θ＜＝90°為傾斜上升管，-90°＜θ＜0°為傾斜下降管；(2)核定多相流工況的流速、溫度、壓力、流體物性參數(shù)，計算多相流的均相密度，依據(jù)與管道形態(tài)相對應(yīng)的多相流流型圖判定流型對于水平管，由Mandhan流型圖或Baker流型圖判定；對于垂直上升管，由Aziz流型圖判定；對于步驟(1)中的其它管道形態(tài)，由Taitel流型圖判定；(3)在沒有采用減阻措施的情況下，對于核定的多相流工況與流型，獲取多相流在管道中的體積平均密度及摩擦壓降；(4)計算沒有采用減阻措施時的多相流摩擦強度ξf0ξf0＝Δpf0/Lp+(ρT0-ρs)g sinθ；式中ρT0和Δpf0分別為沒有采用減阻措施的情況下多相流在管道中的體積平均密度與摩擦壓降，Lp為與Δpf0相對應(yīng)的管道長度，g為重力加速度，θ為管道相對于水平面的傾角，ρs是多相流的均相密度；(5)保持多相流工況的流速、溫度、壓力參數(shù)與步驟(2)中相同，對多相流采用減阻措施，得到減阻條件下多相流在管道中的體積平均密度和摩擦壓降；(6)計算采用減阻措施時的多相流摩擦強度ξf-DRξf-DR＝Δpf-DR/Lp+(ρT-DR-ρs)gsinθ；其中ρT-DR和Δpf-DR分別為采用減阻措施的情況下多相流在管道中的體積平均密度與摩擦壓降；(7)計算多相流減阻率，計算方法為DR＝100％×(ξf0-ξf-DR)/ξf0；減阻率DR越大，多相流減阻的效果就越好。
2. 如權(quán)利要求l所述的測定管道多相流減阻效果的方法，其特征在于，在步驟(7)結(jié)束 后，給定多相流新工況，重復(fù)步驟(2)至步驟(7)，對給定的多相流新工況再次測定，得到多 個多相流不同工況下的多相流摩擦強度及其減阻率，繪制減阻率與摩擦強度的關(guān)系曲線； 依據(jù)摩擦強度的大小、減阻率的大小和減阻率曲線的變化趨勢，判定多相流減阻措施的有 效性、最佳適用參數(shù)和應(yīng)用的可行性，給出測定結(jié)果與結(jié)論。
3. 如權(quán)利要求1所述的測定管道多相流減阻效果的方法，其特征在于，所述步驟(3)中 獲取的多相流在管道中的體積平均密度和摩擦壓降是通過依據(jù)室內(nèi)試驗的測量結(jié)果，或者 依據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)得到。
4. 如權(quán)利要求1所述的測定管道多相流減阻效果的方法，其特征在于，所述步驟(5)中 獲取的減阻條件下多相流在管道中的體積平均密度和摩擦壓降是依據(jù)室內(nèi)試驗的測量結(jié) 果，或者依據(jù)現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)得到。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種測定管道多相流減阻效果的方法，利用多相流摩擦強度及其相對變化率作為基本測定參數(shù)，用于評價減阻技術(shù)對多相流的減阻效果，適用于水平管、傾斜管、垂直管等多種管路形態(tài)在泡狀流、彈狀流、環(huán)狀流、分層流等各種流型下減阻效果的測定。測定流程是在確定了管道形態(tài)的前提下進行的，而后核定多相流工況的流速，溫度、壓力等具體參數(shù)，依據(jù)與管道形態(tài)相對應(yīng)的多相流流型圖，判定多相流的流型；確定沒有減阻時的摩擦強度。而后保持該多相流工況的流動參數(shù)不變并采用減阻技術(shù)，確定減阻時的摩擦強度。按摩擦強度的相對變化率計算減阻率，判斷多相流減阻的效果。
文檔編號G01N11/00GK101699263SQ20091021850
公開日2010年4月28日 申請日期2009年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月23日
發(fā)明者劉磊 申請人:西安交通大學(xué)