专利名称：一种测定管道多相流减阻效果的方法
技术领域：
本发明是一种针对水平管、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，
背景技术：
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。
发明内容
本发明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，本发明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。
本发明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，本发明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 率也不等于摩擦压降的相对变化率。 一种减阻技术可以使多相流的摩擦压降减小，却可能 因为使相间摩擦增大而引起多相流摩擦强度的增大。多相流摩擦强度与管道壁面摩擦和相 界面摩擦存在密切关系，不仅反映了壁面摩擦对摩擦能耗的贡献，也反映了相间摩擦对摩 擦能耗的贡献，因此，可以通过多相流摩擦强度及其相对变化率对多相流减阻效率进行评 价。 本发明所提出的减阻测定方法是在确定了管道形态与多相流流型的前提下进行 的。对于单相流，由于是单一相态的流动，不存在相间摩擦，摩擦强度的值等同于摩擦压降 的值，减阻率是摩擦压降的相对变化率，也是摩擦强度的相对变化率，因此，本发明所提出 的方法也适用于单相流减阻。
图1为本发明方法的流程图。 图2为采用聚合物减阻措施，倾斜管中油气水多相流的减阻率与摩擦强度的关 系。
具体实施例方式
本发明的操作流程见图1 : (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 <0°为倾斜下降管。 (2)核定多相流工况的流速、温度、压力、流体物性等具体参数，计算其均相密度。 依据与管道形态相对应的多相流流型图，判定多相流的流型。可能的多相流流型包括泡
状流、弹状流、环状流、分层流、块状流等等。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)在没有采用减阻技术的情况下，对于核定的多相流工况与流型，依据室内试验
的测量结果，或者依据现场测量数据，得到多相流在管道中的体积平均密度和摩擦压降。不
论是室内试验的测量结果还是现场测量数据，都要指出具体的多相流流型。
(4)计算没有采用减阻技术时的多相流摩擦强度1f。，计算方法为"f。= Apf。/
Lp+(PT。_Ps)gsine ;其中h。和Apf。分别为没有采用减阻技术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Apf。相对应的管道长度，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、压力等具体参数与步骤(2)中相同，对多相流
采用减阻技术，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)计算采用减阻技术时的多相流摩擦强度lf—。K，计算方法为lf—DK = Apf—DK/
Lp+(PT-DK-Ps)gsine 。其中pT—D^和Apf—^分别为采用减阻技术的情况下多相流在管道中
的体积平均密度与摩擦压降，物理量Lp、 P^g和e与步骤4中的相同。 (7)计算多相流减阻率，计算方法为DR = 100% X U fo-《f—DK)/《fo。减阻率越
大，多相流减阻的效果越好。 (8)重复步骤(2)至步骤(7)，对给定的不同流动工况逐次测定，可得到多个流动
工况下的不同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，判定多相流减阻措施的有效性、最佳
适用参数和应用的可行性，给出测定结果与结论。 —个按照上述实施方式测定多相流减阻效果的实例 以水溶性高分子聚合物为减阻剂，以空气、水和46#机械油为多相流介质，在内径 40mm的倾角为9°的倾斜上升管中，摩擦压降的测试长度为2m，依据室内试验测量结果，测 定多相流减阻的效果。实验中水和46#机械油形成"水包油"混合液体，含油率为10%，液 体表观流速为3m/s，气体表观流速在3m/s 6m/s之间，液相中减阻剂体积浓度为200卯m。 按照具体实施方式
或操作流程实施如下 (1)确定管道尺寸与管道形态管道直径为40mm，管道形态为倾斜上升管，倾角为 『。 (2)核定多相流工况的具体参数压力为0. 15MPa，温度为30°C，液相表观流速为 3m/s，含油率为10%，气相表观流速为3m/s，气体密度为1. 65kg/m3，水的密度为998kg/m3， 油的密度为872kg/m3，多相流的均相密度为493kg/m3。依据Taitel (泰特尔)流型图，流型 为弹状流。 (3)在没有采用减阻技术的情况下，对于该流动工况与弹状流流型，室内试验测量 得到多相流在该倾管道中的体积平均密度为P T。 = 601kg/m 在2m长的管道长度上摩擦压 降Apf。为4. 34kPa。 (4)计算没有采用减阻技术时的多相流摩擦强度I f。，按照计算方法I f。 = A pf。/ Lp+ ( P T0- P s) gsin e ，得到《f0 = 2. 61kPa/m。 (5)保持压力为0. 15MPa、温度为30°C 、液相表观流速为3m/s、气相表观流速为4m/ s，同时添加溶于液相的聚合物减阻剂，对于该流动工况与弹状流流型，室内试验测量得到 在减阻条件下，该倾斜管中多相流的体积平均密度为P T—DK = 615kg/m3，在2m长的管道长度上摩擦压降Apf—DK为2. 17kPa。 (6)计算采用减阻技术时的多相流摩擦强度lf,，按照计算方法lf—DK= Apf—DK/ LP+ ( P T-DR- P s) gsin e ，翻《f—DK = 1. 58kPa/m。 (7)计算多相流减阻率，按照计算方法DR = 100% X (lf。-lf—DK)/《f。，得到减阻 率DR = 39. 5%。 (8)将气体表观流速分别设定为4. 5m/和6m/s，重复步骤(2)至步骤(7)，其它流 动参数不变，通过逐次测定，可得到这几种工况下的多相流摩擦强度及其减阻率，绘制的减 阻率与摩擦强度的关系曲线见图2。 依据图2可以看出，采用聚合物减阻措施，倾斜管中油气水多相流的减阻率随摩 擦强度的增大而有所降低，最大减阻率为39.5%，最小减阻率为29.6%，其最佳适用参数 所对应的摩擦强度(无减阻措施)为2.6kPa/m，相应的流动工况为液体表观流速3m/s、 气体表观流速3m/s。在含油率为10%、液体表观流速为3m/s、气体表观流速在3m/s 6m/ s之间的工况范围内，该减阻措施用于倾斜管油气水多相流的减阻具有明显的减阻效果，能 够有效降低多相流的能耗。
权利要求
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ξf0ξf0＝Δpf0/Lp+(ρT0-ρs)g sinθ；式中ρT0和Δpf0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Δpf0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，ρs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ξf-DRξf-DR＝Δpf-DR/Lp+(ρT-DR-ρs)gsinθ；其中ρT-DR和Δpf-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％×(ξf0-ξf-DR)/ξf0；减阻率DR越大，多相流减阻的效果就越好。
2. 如权利要求l所述的测定管道多相流减阻效果的方法，其特征在于，在步骤(7)结束 后，给定多相流新工况，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，判定多相流减阻措施的有 效性、最佳适用参数和应用的可行性，给出测定结果与结论。
3. 如权利要求1所述的测定管道多相流减阻效果的方法，其特征在于，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 依据现场数据得到。
4. 如权利要求1所述的测定管道多相流减阻效果的方法，其特征在于，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，或者依据现场测量数据得到。
全文摘要
本发明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。
文档编号G01N11/00GK101699263SQ20091021850
公开日2010年4月28日 申请日期2009年10月23日 优先权日2009年10月23日
发明者刘磊 申请人:西安交通大学