多相流量计测单元阻力模型实验研究

　　0　引　言

　　近30年来,油气田的开发主体从陆上转向自然条件相对恶劣的海洋和沙漠,从大型集中分布的油气田转向小型边际以及卫星油气田。油井中开采出来的原油、天然气和水的多相混合物的长距离可靠输送和分离、计量等一系列多相流问题逐渐成为研究的热点[1]。

　　多相计量技术的实现,可以使油井产出液的分离过程完全汇集到远离油井的集中处理站进行,而不必在油井附近设置由测试分离器、监控设备及仪表等组成的巨大而笨重的传统测量系统。这对于海洋油田、沙漠油田以及边际油田的开发尤其具有重要意义,因此多相流计量技术近年来被列为影响石油工业未来发展的关键技术之一[2,3]。

　　近10年来,石油大学流体测试实验室在多相流体力学和多相流测量方面做了大量的基础理论研究和实验研究,在此基础上提出了全新的基于有限单元阻力模型的分层流和段塞流两种不同流型下的气液两相计测模型,并利用自建的多相流测试环道和自主开发的多相流量计测系统样机及其配套软件对模型的效果进行实验研究。

　　1　计测样机

　　多相流量计测系统原理样机如图1所示。计测装置的主体由一水平测试管段和分别连接其两端的上下游稳压集气器组成。上游和下游两个稳压集气器具有两个主要功能:(1)在两个稳压集气器和水平测试管段内形成净气空间,为稳定的分层和段塞流型创造生成条件;(2)净气空间为气流阻力微差压传感器提供了稳定可靠的测试环境,同时也为液位差压传感器提供了稳定可靠的压力基准。

　　水平测试段为水平安装的直管段,内衬矩形截面直管,由于两端稳压集气器的集气稳压作用,在计测实验段上可以得到具有较为明确气液界面的分层流型和段塞流型,这就为流量计测过程中的流型识别提供了较为可靠的信息来源,同时也为液位传感器的液位监测提供了可靠的测试环境。

　　2　计测模型

　　由于两端稳压集气器的集气稳压作用,在水平测试段上的流型可控制为分层流型(Layered flow)和段塞流型(Plug flow)。作者针对不同流型分别提出了基于单元阻力模型的液相和气相计测模型。

　　2.1　分层流型液相计测模型

　　如图2所示的矩形通道二维流动中,ox表示水平渠底,考虑相距dx的两流通截面间的单元液流上的力平衡,得到单元阻力模型基本关系式:

应用(5)式两个方程对ω和C求解,再利用(3)式便可直接计算出液相流量q来。为了避免求解超越方程(5),可以假定:作用在单元液体上的阻力压降及位势压降具有线性叠加性而分别求解。根据线性叠加性假设可得: