文摘

通过复杂的油水两相流管道,包括不同的管道和配件在串联或并联,是石油工业中常见。然而,目前的大多数研究主要局限于单一表示半径管。在本文中,一个统一的模型复杂的油水两相流管道开发基于管串并联理论的结合,流型转换标准,双流体模型和同质模型。存在一个案例来验证CFD的统一模型,并比较结果。统一的结果表明,该模型可以获得优良的性能在预测流分布和油水两相流的压降在复杂的管道。与CFD结果相比水体积分数从0%到100%不等,最高的绝对比例模型是14.4%,平均误差为9.8%。

1。介绍

油水两相流的复杂的管道,包括不同的管道和配件在串联或并联,是石油工业中常见的1,2]。研究油水两相流法在复杂的管道,特别是转移,和压降,不仅可以解决重要问题的过程中,石油产量也提高多相流理论具有重要意义。然而,研究目前主要局限于单一表示半径管(3,4),和复杂的油水两相流管道仍然需要进一步的研究。

到目前为止,研究集中在油水两相流性能可以通过以下三种类型分类,包括理论的数学模型,数值模拟和实验室实验。由于近年来计算能力的飞速发展,数值模拟方法开发了一个令人印象深刻的速度(5,6]。几个物理双数商业数值模拟器已大量用于分析,像CFD和流利7]。然而,它仍然是具有挑战性的完全模拟油水流动行为在现实复杂的管道使用数值模拟。同时,仿真模型需要重建总当现实情况的发展,加剧其复杂性(8,9]。至于实验,相关结果可以直接检查和收集,显然是其优势。值得注意的是,实验数据的准确性或可靠性严重依赖于仪器的质量和检验方法,遭受强烈的不确定性(10- - - - - -12]。相比之下,来自经典理论数学模型不仅提供了瞬子可靠的结果,也便于识别每个影响因素的影响(13]。出于上述的角度来看,一个理论模型提出了这项工作,预计将提供一个新的可用的选项调查油水流动行为复杂的管道。数值模拟是用来阐明基于常规的可靠性提出了模型场景。

在本文中,一个统一的模型复杂的油水两相流管道开发基于管串并联理论的结合,流型转换标准,双流体模型和同质模型。存在一个案例来验证的统一模型,与CFD结果比较,分析油水混合物的转移在不同油粘度和含水量,并预测压降。

2。模型建立

摘要四种油水分层流模式包括o & w w / o & w w / o & o / w, o & o / w被认为是(14,15),两种油水分散流模式w / o, o / w等考虑。

模型的基本假设如下所示:油和水是不可压缩牛顿流体;没有热量传导或工作流体和外部世界之间的现象,等温流动状态下的流体系统;稳定流动;油水界面是假定为平面;管道和管件之间的交互是不负责任的;不同渠道的流体性质是一致的。

2.1。流态转变判据

因为油和水之间的密度差异很小,和他们的界面张力较低,油水界面易于波动和转化为其他流动模式。从分层流过渡到分散流取决于之间的平衡关系总湍流动能和总自由能的分散相。如果湍流动能较大,分散相分散在连续相的形式球形液滴相互碰撞和湍动(16,17]。同时,如果液滴大小太大,在动荡的力量的影响下,液滴将打破。因此,每个流的最大色散单元取决于连续相的湍流强度。根据Atmaca et al。18),当油和水混合速度大于某一临界值,流体将油水两相流的流型转换成油水两相分散流。

其中, 代表混合物的速度米/秒; 表示系数,无因次; 内部相体积分数,无量纲; 油与水的表面张力;N / m; 代表水的密度, ; 代表石油密度, ; 重力加速度, ; 代表壁之间的摩擦系数和混合物,无量纲; 表示液体混合物的密度; 。 在哪里 代表了角偏离水平,度; 混合物雷诺数,无量纲; 井筒直径;m; 是混合液体粘度,爸爸 年代; 代表了连续相密度, ; 代表了色散相密度, ; 代表了连续相速度, ; 弥散相速度, ; 是连续相粘度,Pa年代; 代表临界含水量,无量纲。

2.2。流体在水平管道

控制身体的油水两相流在水平直管图所示1。


图1
控制体积的油水两相流在水平管道。

两相流模型在水平直管均匀流模型的基础上,建立和动量平衡方程控制身体的显示在图1方程所示(9)。

其中, 是混合流体和井筒之间的摩擦应力墙,Pa; 代表流动面积直径、m。通过积分公式(9),一般的油和水两相流压降方程可以获得在水平管(19]。

其中, 水平直管长度,m。

然而,当分散流的流体流动分层流,会发生分离现象,因此,上述方程是不适用的。压降方程需要导出基于双流体模型。动量方程的w / o层和o / w层列所示公式(12)和(13),分别。

其中, 和 代表管横截面积的w / o层和o / w层,分别2。 平均压力在X部分,Pa; 和 壁之间的摩擦应力w / o层或o / w层和井筒,分别Pa; 和 代表的湿周w / o层或o / w层,m; 是w / o层之间的界面摩擦应力和o / w层油水两相分层流动条件下,Pa; 的弦长节w / o层和o / w层,m。

公式(12)和(13)添加和集成为了获得一般的油水两相分层流动的压降方程。

然而,一些关键参数必须确定上述模型,包括截面几何参数、摩擦应力参数,分散相抢劫参数。

部分几何参数包括湿周和上、下两层的横截面积。上下两层的湿周的油水两相流公式所示(15)和(16),横截面积公式所示(17)和(18)。

其中, 代表着湿润的周长的o / w层半圆形的对应,无量纲。

部分和弦的w / o层和o / w层可以以同样的方式获得。

的摩擦应力计算摩擦系数的概念。

其中, 和 代表了穆迪壁摩擦系数w / o层和o / w层,分别,无量纲; 和 代表的有效密度w / o层和o / w层,分别 ; 和 代表的实际流量w / o层和o / w层,分别m / s; 和 代表了分散相浓度的w / o层和o / w层,分别,无量纲。

的有效雷诺数上下两层的油水两相流公式所示(24)和(25),分别20.,21]。

其中, 和 代表了水力直径的w / o层和o / w层,分别为米; 和 代表的有效粘度w / o层和o / w层,分别 年代。

根据每一层的速度,水力直径的w / o层和o / w层是不同的。

使用Roscoe-Brinkman公式计算的有效粘度w / o, o / w层。

2.3。流体在弯管

控制身体的油水两相流图所示2。


图2
油/水两相流的控制体积的胳膊肘。

它类似于一般的水平油水两相流压力降方程油水两相分散流和分层流的弯管可以通过整合沿径向压力梯度方程。 在哪里 弯管的半径,m; 弯管的弧度,rad。

2.4。流体流经突然膨胀接头

油水两相流的控制身体的突然膨胀接头图所示3。摩擦压力和重力被忽视,它假定没有上下两层之间的质量交换。


图3
油水两相流的控制体积突然扩大配件。

基于均匀流模型,一般的油水两相流压降方程建立突然膨胀接头,如方程所示(32)。

同样,分离现象发生在分散流转移到分层流,和上面的方程不再适用。油水两相分层流动的动量方程的突然膨胀接头可以导出基于双流体模型。 在哪里 和 代表流量的w / o层和o / w层,分别。

根据切和李的研究(22),u u截面的压力等于之前的小截面的压力突然膨胀接头。考虑这个平等的关系,一般的油水两相流的压降方程突然膨胀接头。

2.5。流体流经突然萎缩的联合

控制身体的油水两相流突然萎缩联合如图4。摩擦压力和重力被忽视,它假定没有上下两层之间的质量交换。


图4
油水两相流的控制体积突然萎缩的拟合。

当u u部分流体流入和流出的碳碳部分,流体加速和压力能转化为动能,在这个过程中,摩擦损耗很小,甚至没有。流体流经收缩后碳碳部分,流动状态是相似的突然膨胀接头,伴随着摩擦耗散。基于均匀流模型,油水两相流的压降方程可以建立在突然缩小的联合,如方程所示(37)。

其中, 代表了收缩系数,无因次; 代表着速度系数,无因次; 是实际的平均流速在收缩部分,m / s; 是平均速度在收缩部分,m / s。

基于双流体模型,油水两相流的动量方程 在哪里

同样,碳碳部分的压力等于出口的截面的压力大于其他前突然缩小的关节,然后代入公式(40),识别公式得到油水两相分层流动的压降方程。

2.6。串并联管理论

有两个重要的规则与直管时各种管件系列(23- - - - - -25]:

这两个规则改变时并行连接:

因此,通过同步(44)- (47)、分流和油水两相流的压降。

3所示。案例研究

图5的原理图是复杂的管道,其中包含两个平行的通道,每一个都是由一系列的管道和配件,其中包括石油工业中常见的配件和连接。验证了模型的例子,结果与数值模拟结果进行比较。


图5
图的复杂的管道。

复杂的管道的结构参数如表所示1,生成专业CAD软件SOLIDWORKS,转移到流利的通过CAD接口策略软件,然后通过布尔运算得到内部流模型和网格划分。使用流利的软件计算时,入口设置为速度入口(velocity-inlet)条件下,退出设置为流出(流出)条件下,另一个是默认(墙)条件。层流和湍流模拟的层流模型和标准 模型,分别。混合模型和受到模型被用来模拟油水两相分散和分层流,分别。进气流量是设置为30米3/ D、油相和水相的速度简化图通过复杂的管道,如图6。

表1
目前复杂的管道结构参数。

图6
迹线的速度大小。

根据图6,可以看出,油相,水相通过复杂的管道分流后差别很大,这是由于这样的事实:两条平行线的压降成分不同,1号线主要是当地的阻力和水阻力大;2号线的主要压降是摩擦力,所以对油相的阻力更大。同时,正如伟大的属性不同的油水混合物在不同油相粘度和含水量,为了准确地描述含水的影响和油相粘度分流情况和压力下降,水分含量(%)值如下:0,10、20、30、40、50岁,60岁,70年,80年,90年和100年;油相粘度(cP)的值如下:1,10日,100年,和其他参数如表所示2。

表2
油水两相流的流体参数复杂的管道。

代替上面的参数模型和数值模拟,然后分流情况和油水两相流的压降通过复杂的管道,如图7和8。


图7
流分布通过复杂的管道不同流体性质。

图8
通过复杂的管道的压降不同流体性质。

数据显示7和8,结果表明,该模型是在良好的协议与数值模拟结果。最高的平均绝对误差为14.4%,平均误差为9.8%,当油水两相体积含水量是0%和100%,分别。这些曲线有三个主要的转折点:第一个是反向点,如果油粘度的增加,临界体积含水量减少,然后反向点的位置将前进;第二个和第三个转折点使流体流动从层流过渡到湍流过渡区和紊流过渡区紊流区。此外,如果流量大于某一临界值,流型也会改变,这将影响到流分布。此外,如果流量大于某一临界值,流型也会改变,这将影响到流分布。

因此,如果混合水含量比临界含水量大,因为水阶段占主导地位,分流和压降基本相同在不同油相粘度;在其他情况下,油相占主导地位,分流和压降有很大区别。与油相粘度的增加,转移的效果会更好。随着含水量的增加,转移效应将成为好首先然后再坏,它将达到最好的结果至关重要的水分含量。相应地,油水两相流体的压力降穿过设备与油相粘度增加;随着含水率的增加,压力下降首先成为好然后变坏,临界含水率达到最好的结果。

此外,之间的密切关系在油/水两相流管道和巨大的经济利益发展的常规或非常规的地质烃应该强调,这是一个不可缺少的经济地质学的分支。值得注意的是,固有的科学问题需要解决有关地质油气生产的内多相流管道。流量或压力的准确预测领域不仅依赖于理论多相流模型还严重依赖周围的地质条件。换句话说,研究内容为高效生产奠定了坚实的理论背景和与经济地质学紧密联系。同时,从学术的角度来看,研究内容之间的区域可以被看作是机械工程以及石油工程。同时,基于应用程序的动机,大部分的潜在读者将来自石油工程。结果,论文内容是证明经济地质学紧密相连,而不是机械工程。

4所示。结论

基于串并联理论的管道,流态转换标准,双流体模型和均匀流模型,统一的油水两相流机理模型通过建立复杂的管道,该模型验证通过一个例子,然后与数值模拟相比,和主要结论如下:(1)模型在预测性能分流情况和压降的油水两相混合物通过复杂的管道,最高的平均绝对误差为14.4%,平均误差为9.8%,当油水两相体积含水量是0%和100%,分别(2)油水两相混合的分流情况通过复杂的管道将有三个转变,由于反相现象的过渡,从层流区过渡到湍流过渡区,并从过渡区过渡到湍流区。随着含水量的增加,转移效应将成为好首先然后再坏,它将达到最好的结果至关重要的水分含量(3)对应分流情况,油水混合流体的压降通过例子设备也将有三个转变,随着含水率的增加,压降成为好首先然后变坏,临界含水率达到最好的结果

数据可用性

数据可以在请求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。