有入流分支管路的多相流动压降规律实验研究.pdf

试验研究彭壮等：有入流分支管路的多相流动压降规律实验研究 油气田地面工程 http:/ 有入流分支管路的多相流动压降规律实验研究 彭壮 1 汪国琴 1 徐磊 1 何显荣 1 张鑫 1 摘要：对于采液指数较高的油井，水平管路压降预测准确与否，将会显著地影响油井 产量的预测结果。结合生产实际，在多相管流实验平台的基础上，设计并建造了水平 管路变质量流动实验系统，针对水平管路变质量流动规律进行了气液两相变质量流动 实验研究，并拟合得到符合实际流动特征的阻力系数计算新方法。实验结果表明：通 过拟合无滑脱气液两相流阻力系数与两相流动雷诺数得到的拟合公式，能够用于水平 有入流管路多相管流的压降预测；气液比较大时，侧流对压降没有明显的影响；气液 比较小时，侧流存在会增大压降。 关键词：水平管路；变质量流动；压降；拟合；实验 Doi:10.3969/j.issn.1006-6896.2016.5.008 Experimental Study for Pressure Drop of Multiphase Flow in Inflow Branch Pipes Peng Zhuang，Wang Guoqin，Xu Lei，He Xianrong，Zhang Xin Abstract：For oil wells with high liquid production index，the prediction of pressure drop in horizontal pipeline is accurate or not，which will significantly affect the prediction results of oil well production. Combined with the actual production in multiphase pipe flow experi- ment platform based on，the design and construction of the horizontal pipeline flow experi- mental system of variable mass，for horizontal pipeline flow pattern of the experimental study on quality of gas liquid two phase flow，and fitting with the drag coefficient of the actual flow characteristics，a new method for the calculationThe results show that by fitting the no slip gas-liquid two-phase flow formula of resistance coefficient and flow Reynolds number，can be used for horizontal inflow pipeline multiphase pipe flow pressure drop prediction；the liq- uid is relatively large，lateral flow effects on the pressure drop is not visible；liquid is relative- ly small，side stream will increase the pressure drop. Key words：horizontal pipeline；variable mass flow；pressure drop；fitting；experiment 水平井内的流动与常规管流不同的是，沿水平 井筒不断有流体流入，导致井筒内的流动是从水平 井指端到跟端流量不断增加的变质量流动 1-2。同时 流体的流动将会引起动量和层流边界层流态的变 化，这都会改变沿井筒的压力分布，常规管流摩阻 压降公式不再适用于射孔管壁面存在注入的情况下 的压降计算 3。因此，在多相管流实验平台上，利 用变质量流实验系统对气液两相变质量流动规律进 行了研究，得到了多相水平井筒变质量流动压降随 气液比等参数变化的规律。 1水平井筒变质量流实验系统 根据实验要求对实验装置进行了设计，井筒部 分采用透明塑料管。实验系统包括水平井模拟井筒 段、实验流体供给和测控系统、压力采集系统、实 验流体后处理系统 4。 压力测试段长 4 m，射孔段长 2 m，射孔位置 为错位分布，如图 1所示。多相变质量流采用空气 和水作为气液两相介质，主流流量范围为：液量 06 m 3/h，气量 010 m3/h；侧管流量范围为：单 管液量 01.2 m 3/h，单管气量 02 m3/h。压力计测 量精度：普通压力信号0.1%。 实验流程： （1） 调节水平井筒实验段端部入口处轴向主流 控制阀门使主流流量达到预定值，开启数据采集系 统，记录并保存供分析整理所需的流量、压力、压 1长江大学石油工程学院 28 第 35卷第 5期 （2016.05）试验研究 油气田地面工程 http:/ 图 1变质量流实验段示意图 差等实验数据。 （2） 开启并调整壁面入流控制阀门使壁面入流 流量达到不同的预定值。 （3） 当水平井筒实验段中流动状态达到稳定之 后，开启数据采集系统，对当前按一定比例注入时 的壁面入流流量与轴向主流流量、压差数据进行记 录，并保存以备整理分析。 （4） 改变步骤 （1） 中水平井筒实验段端部入 口处轴向主流的流量值，重复步骤 （2） 、 （3） 的实 验内容。 2变质量流动压降实验 气液两相变质量流动以空气和水为流动介质， 模拟气井开发后期产水的两相变质量流动压降 规律 5-6。 2.1考虑滑脱的沿程阻力系数计算方法 目前在水平井筒多相流压降预测方面已有许多 方 法 ， 为 了 更 精 细 化 地 处 理 实 验 数 据 ， 引 入 BEGGS & BRILL 7压降计算方法中的气液两相阻力 系数与滑脱持液率相关关系的处理方法。BEGGS & BRILL方法是以室内实验为依据提出的一种倾斜 管多相流压力预测方法。 BEGGS & BRILL 提出的考虑滑脱的气液两相 流阻力系数的计算方法为 = e S = e S （1） 式中：e为自然对数的底；为无滑脱气液两相 阻力系数；S为与无滑脱持液率El和水平滑脱持 液率Hl(0)有关的系数。 S = ln y -0.052 3 + 3.18 ln y - 0.872 5(ln y) 2 + 0.018 53(ln y) 4 （2） y = El Hl(0) 2 （3） El= Ql Ql+ Qg （4） 为了从实验结果中得出更为切合实际的两相流 阻力系数计算方法，通过拟合无滑脱气液两相流阻 力系数与两相流动的雷诺数得出新的沿程阻力系数 的计算公式如下 当NRe11 000时 = -0.004 + 0.184 (NRe) 0.278 （5） 当NRe11 000时 = -0.008 + 20.489 (NRe) 0.598 （6） 2.2实验结果对比 （1） 仅有轴向主流流动。仅有水平管轴向主流 流动时，根据拟合得到的气液两相阻力系数计算方 法对拟合时使用的实验数据进行验算，对比根据实 验测得数据计算出的两相阻力系数和根据新拟合的 方法计算出的两相阻力系数，如图 2 （a） 、 （b） 所 示。从图 2可以看出，拟合公式预测压降、气液两 相阻力系数与实验测得数据能较好地吻合，可作为 带孔管水平多相管流的压力计算方法。 图 2主流实验压降和阻力系数与拟合公式计算结果对比 （2） 仅双孔侧向流动。无轴向主流流动，仅有 两个侧孔流动时，对比根据实验测得数据计算两相 阻力系数和根据拟合得到的新方法计算两相阻力系 数，如图 3 （a） 、 （b） 所示。 （3） 轴向主流+单孔侧向流动。有轴向主流流 动和有 1个侧孔流动时，对比根据实验测得数据计 算两相阻力系数和根据拟合得到新方法计算的两相 阻力系数，如图 4 （a） 、 （b） 所示。 根据拟合得到的气液两相阻力系数计算方法对 拟合时使用的实验数据进行验算，对比根据实验测 得数据计算出的两相阻力系数和根据新拟合的方法 计算出的两相阻力系数。从图 2图 4可知，新的拟 29 试验研究彭壮等：有入流分支管路的多相流动压降规律实验研究 油气田地面工程 http:/ 图 3双侧流动实验压降和阻力系数与拟合计算结果对比 图 4主流+单侧流动实验压降和阻力系数 与拟合计算结果对比 合公式预测压降、气液两相阻力系数与实验测得数 据能较好地吻合，可以作为带孔水平井筒多相流的 压降计算方法。并且，存在孔眼入流时的气液两相 变质量流动比无孔眼入流时的气液两相流动的压降 梯度要大。这是因为有孔眼入流时的气液两相流动 除了存在管壁摩擦压降外，孔眼入流与主流混合， 在水平井筒中也会产生混合压降，导致气液两相流 动过程中的压降增大。另外，通过对不同气液比下 压降的变化进行分析，可以发现在气液比比较大的 情况下，侧流对水平井筒的压降影响不大；而在气 液比比较小时，侧流会显著增大水平井筒的压降。 除此以外，在多相变质量流动中存在一个临界气液 比，当气液比超过这一临界值时，压降会急剧 增大。 3结论 （1） 以水平管多相变质量流实验数据为基础， 借鉴 BEGGS & BRILL 考虑滑脱的两相阻力系数计 算方法，拟合得到更切合实际流动情况的考虑滑脱 的两相沿程阻力系数计算新方法。 （2） 通过在多相流实验平台上进行不同条件下 的水平管变质量流实验研究，将实验数据与拟合方 法计算结果进行对比分析表明，新的阻力系数公式 计算结果与实验结果吻合较好；在气液比较大的情 况下，侧流对井筒压降影响不大；而在气液比较小 时，侧流会显著增大井筒压降。 参考文献 1 李明，宫敬，李清平气液两相流管道流固耦合问题J 油气储运，2010，29 （4） ：245-250 2 寇杰，宫敬，李英存水平管路变质量流流动特性研究 进展J油气田地面工程，2008，27 （1） ：17-20 3 汪志明，肖京男，王小秋，等水平井变质量流动压降 规律实验研究J实验流体力学，2011，25 （5） ：26- 29 4 周生田，张琪，李明忠，等水平井筒变质量流体流动 实验研究J石油大学学报：自然科学版，1998，22 （5） ：53-55 5 周生田，张琪，李明忠，等水平井变质量流研究进展J 力学进展，2002，32 （1） ：119-126 6 李笑萍，赵天奉考虑变质量湍流影响的水平井流入动 态分析J石油学报，2002，23 （6） ：63-67 7 BEGGS M，BRILL J PA study of two-phase flow inclined pipeJJPT， 1967，10 （4） ：249-256 作者简介 彭壮：硕士研究生，2014 年毕业于长江大学油气储运工程 专 业 ， 主 要 从 事 多 相 管 流 的 研 究 工 作 ， 13098849943， ，湖北省武汉市蔡甸区大学路特 1 号长 江大学武汉校区，430100。 收稿日期2015-06-22 （栏目编辑杨军） 30