一种测定管道多相流减阻效果的方法技术

本发明专利技术公开了一种测定管道多相流减阻效果的方法，利用多相流摩擦强度及其相对变化率作为基本测定参数，用于评价减阻技术对多相流的减阻效果，适用于水平管、倾斜管、垂直管等多种管路形态在泡状流、弹状流、环状流、分层流等各种流型下减阻效果的测定。测定流程是在确定了管道形态的前提下进行的，而后核定多相流工况的流速，温度、压力等具体参数，依据与管道形态相对应的多相流流型图，判定多相流的流型；确定没有减阻时的摩擦强度。而后保持该多相流工况的流动参数不变并采用减阻技术，确定减阻时的摩擦强度。按摩擦强度的相对变化率计算减阻率，判断多相流减阻的效果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种针对水平管、倾斜管和垂直管等不同管道形态，用于测定多相流减阻效果的方法，
技术介绍
多相流减阻技术具有广泛的内涵，包括聚合物减阻剂减阻、表面活性剂减阻、气泡减阻、水环减阻、纤维减阻等多种方式。有关减阻技术的研究可追溯到20世纪30年代，对于单相流体流动过程的减阻，国内外不仅有了相当的研究，也形成了一些专利技术，但是，对多相流减阻的研究还相对较少，缺少相应的专利技术。随着海洋油气资源与陆地边际油气资源的开采，多相流生产管线越来越多，高流阻是多相流的主要特征，在一些几十千米甚至上百千米的油气水多相流管线中，由于多相流的高流阻效应。可以产生几兆帕(MPa)的压力降，这么大的压力降不利于油气资源的高效开发。多相流减阻是一种节能降耗新技术，近十余年来，国内外对多相流减阻技术的研究与应用也明显增多，在多相流减阻中，一个重要步骤就是测定或评判各种减阻技术对多相流的减阻效果。 多相流管线是既包含水平管、倾斜管、垂直管等多种管路形态，又包含泡状流、弹状流、环状流、分层流等多种流型的复杂系统。目前，对于多相流减阻，现有的测定方法主要是延用单相流减阻的方法，即通过计算管道摩擦压降的相对变化率来确定减阻率，计算方法为减阻率DR二 (Apf。-Apf—。R)/Apf。，其中Apf是管道的摩擦压降，Apf。是没有采用减阻技术时的摩擦压降，APf—DK是采用减阻技术时的摩擦压降。具体实施过程为首先在没有采用任何减阻技术的情况下，使多相流以一定的体积流速在管道中流动，对于一定长度的管道测量其摩擦阻力并记录；而后在采用了减阻技术的情况下，使多相流保持与前一步骤相同的体积流速在管道中流动，对于相同长度的管道测量其摩擦压降并记录；再后按照前面的公式计算减阻率。对单相流，这一减阻效果测定方法既适用于水平管，也适用于倾斜管与垂直管。对多相流，这一评价方法存在局限性，只适用于水平管多相流，以及倾斜管与垂直管中的均质多相流，而不适用于倾斜管与垂直管中的非均质多相流。石油生产管线中最常见的弹状流，天然气生产管线中常见的分层流与环状流等流型，都属于非均质多相流。 非均质是多相流的基本特征，表现为相间存在相对速度，这一相对速度又称为相间滑移速度，即多相流某一相的运动速度比另一相要快。相间滑移速度是多相流相间摩擦的根源，通常引起多相流的摩擦能耗显著增大。对于水平管均质与非均质多相流、倾斜管均质多相流和垂直管均质多相流，壁面摩擦和相间摩擦所引起的能耗都体现在了摩擦压降中，这些情况下采用现有的流动减阻测定方法来评价多相流减阻效果是可行的。但是，对于倾斜管和垂直管中的非均质多相流，包括倾斜管分层流、弹状流、环状流，以及垂直管弹状流、块状流和环状流等流型，流体与壁面的摩擦和各相之间的摩擦所引起的能耗并不都体现在管道的摩擦压降中，这些情况下采用现有的测定方法来评价多相流减阻效果是不准确的。
技术实现思路
本专利技术针对现有减阻效果测定方法的局限性，提出一种多相流减阻效果的测定方法，可用于评价减阻技术对多相流的减阻效率，适用于水平管、倾斜管、垂直管等多种管道形态在泡状流、弹状流、环状流、分层流等各种流型下的减阻措施。 为达到以上目的，本专利技术是采取如下技术方案予以实现的 —种测定管道多相流减阻效果的方法，其特征在于，包括下述步骤 (i)首先确定管道尺寸与管道形态。管道形态通过管道倾角e值的大小确定e=90°为垂直上升管，e =-90°为垂直下降管，e =0°为水平管，o。 < e <=90°为倾斜上升管，-90° < e <o°为倾斜下降管； (2)核定多相流工况的流速、温度、压力、流体物性参数，计算其均相密度；依据与管道形态相对应的多相流流型图，对于水平管，可由Mandhan (曼德汉)流型图或Baker (贝克)流型图判定；对于垂直上升管，可由Aziz(阿齐兹)流型图判定；对于步骤(1)中的其它管道形态，可由Taitel (泰特尔)流型图判定； (3)在没有采用减阻措施的情况下，对于核定的多相流工况与流型，获取多相流体积平均密度及摩擦压降； (4)计算没有采用减阻措施时的多相流摩擦强度I f。 ;f0= Apf0/Lp+(P T0-P s)gsin 9 ; 式中p t。和Apf。分别为没有采用减阻措施的情况下多相流在管道中的体积平均密度与摩擦压降，Lp为管道长度，g为重力加速度，e为管道相对于水平面的倾角，Ps是多相流的均相密度； (5)保持多相流工况的流速、温度、压力参数与步骤(2)中相同，对多相流采用减阻措施，得到减阻条件下多相流在管道中的体积平均密度和摩擦压降； (6)计算采用减阻措施时的多相流摩擦强度I f—DK : 《f—ra = A pf—DK/Lp+ ( P T—DK- P s) gsin e ; 其中pT—^和Apf—^分别为采用减阻措施的情况下多相流在管道中的体积平均密度与摩擦压降； (7)计算多相流减阻率，计算方法为 DR = 100% X (《f0-《f—DK) /《f0 ; 减阻率DR越大，多相流减阻的效果就越好。 上述方案中，重复步骤(2)至步骤(7)，对给定的多相流新工况再次测定，得到多个多相流不同工况下的多相流摩擦强度及其减阻率，绘制减阻率与摩擦强度的关系曲线；依据摩擦强度的大小、减阻率的大小和减阻率曲线的变化趋势，评价多相流减阻措施的有效性、最佳适用参数和应用的可行性，提出评价意见。 所述步骤(3)中获取的多相流在管道中的体积平均密度和摩擦压降是通过依据室内试验的测量结果，或者依据现场数据，或者依据多相流模拟计算软件的计算结果得到。所述步骤(5)中获取的减阻条件下多相流在管道中的体积平均密度和摩擦压降是依据室内试验的测量结果，或者依据现场数据，或者依据多相流模拟计算软件的计算结果得到。 本专利技术多相流减阻效果测定方法是利用多相流摩擦强度及其相对变化率作为基本测定参数，对多相流减阻效率进行评价。其原理是管道多相流的摩擦能耗是既包括了各种相态的流体与管道壁面因摩擦而引起的机械能耗散，也包括了各相之间在相界面上的 摩擦而引起的机械能耗散。多相流减阻既要降低壁面摩擦，也要降低相间摩擦，这样才能从 整体上降低因摩擦而引起的机械能耗散，实现减阻与节能降耗的效果。摩擦压降与体积流 量的乘积，并不能完全反映水平管、倾斜管、垂直管等多种管道形态在泡状流、弹状流、环状 流、分层流等各种流型下的机械能耗散，因此，本专利技术提出将多相流摩擦强度的相对变化率 作为多相流减阻率。 多相流摩擦强度是多相流的特有参数，该参数既包括了对多相流壁面摩擦压降的度量，又包括了对多相流相间摩擦的度量。多相流摩擦强度《f—DK采用如下方法计算I f = A pf/Lp+( P T_ P s) gsin 9 ，多相流摩擦强度与摩擦压降梯度具有相同的量纲，却不同于摩擦压降梯度。摩擦强度与体积流量的乘积，能够准确反映水平管、倾斜管、垂直管等多种管道形态在泡状流、弹状流、环状流、分层流等各种流型下的机械能耗散。将多相流摩擦强度的相对变化率作为减阻率，能够对多相流减阻效率进行准确评价。 对于倾斜管与垂直管中的弹状流、环状流等流型，这些流型也是油气多相混输管 道最常见的流型，其中摩擦强度不等于摩擦压降，可能大于摩擦压降。摩擦强度的相对变化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测定管道多相流减阻效果的方法，其特征在于，包括下述步骤：　　　　（１）首先确定管道尺寸与管道形态，管道形态通过管道倾角θ值的大小确定：θ＝９０°为垂直上升管，θ＝－９０°为垂直下降管，θ＝０°为水平管，０°＜θ＜＝９０°为倾斜上升管，－９０°＜θ＜０°为倾斜下降管；　　　　（２）核定多相流工况的流速、温度、压力、流体物性参数，计算多相流的均相密度，依据与管道形态相对应的多相流流型图判定流型：对于水平管，由Ｍａｎｄｈａｎ流型图或Ｂａｋｅｒ流型图判定；对于垂直上升管，由Ａｚｉｚ流型图判定；对于步骤（１）中的其它管道形态，由Ｔａｉｔｅｌ流型图判定；　　　　（３）在没有采用减阻措施的情况下，对于核定的多相流工况与流型，获取多相流在管道中的体积平均密度及摩擦压降；　　　　（４）计算没有采用减阻措施时的多相流摩擦强度ξ↓［ｆ０］：　　　　ξ↓［ｆ０］＝Δｐ↓［ｆ０］／Ｌ↓［ｐ］＋（ρ↓［Ｔ０］－ρ↓［ｓ］）ｇｓｉｎθ；　　　　式中：ρ↓［Ｔ０］和Δｐ↓［ｆ０］分别为没有采用减阻措施的情况下多相流在管道中的体积平均密度与摩擦压降，Ｌｐ为与Δｐ↓［ｆ０］相对应的管道长度，ｇ为重力加速度，θ为管道相对于水平面的倾角，ρ↓［ｓ］是多相流的均相密度；　　　　（５）保持多相流工况的流速、温度、压力参数与步骤（２）中相同，对多相流采用减阻措施，得到减阻条件下多相流在管道中的体积平均密度和摩擦压降；（６）计算采用减阻措施时的多相流摩擦强度ξ↓［ｆ－ＤＲ］：　　　　ξ↓［ｆ－ＤＲ］＝Δｐ↓［ｆ－ＤＲ］／Ｌ↓［ｐ］＋（ρ↓［Ｔ－ＤＲ］－ρ↓［ｓ］）ｇｓｉｎθ；　　　　其中ρ↓［Ｔ－ＤＲ］和Δｐ↓［ｆ－ＤＲ］分别为采用减阻措施的情况下多相流在管道中的体积平均密度与摩擦压降；　　　　（７）计算多相流减阻率，计算方法为：　　　　ＤＲ＝１００％×（ξ↓［ｆ０］－ξ↓［ｆ－ＤＲ］）／ξ↓［ｆ０］；　　　　减阻率ＤＲ越大，多相流减阻的效果就越好。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘磊，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]