小管径多相流特性及流动参数测量研究

【摘要】：随着油田水平井开发技术的不断发展,油田生产的动态监控中出现了不同于以往的多相流参数测量问题。本文研制了水平和垂直两套20mm内径的多相流实验测量系统。通过高速摄像、快关阀、阻抗式含水率计、涡轮流量计、差压传感器等,实验研究了水平油水两相流和垂直上升多相流的动态特性,以及这两种多相流中不同的流型和相含率等对参数测量的影响；数值模拟了水平油水两相流和垂直油气水三相流的流型和水平油水分层流中的持水率变化规律；开展了相关参数测量新方法的摸索研究。 在水平两相流实验中,通过高速摄像机判别油水两相流流型,建立了流型图；得到了涡轮流量计和阻抗式含水率计的测量响应,分析了油水之间的速度滑脱规律,探讨了油水空间结构对阻抗式含水率计的影响。实验结果表明,5。以内的倾斜上升和下降流动对涡轮流量计影响都比较小,而含油率对涡轮流量计响应有一定的影响；在中低流量下由于流型变化的影响,含油率对涡轮流量计的影响较为复杂；随着高总流量情况下流型发展为分散流时,均匀化作用的加强,涡轮流量计响应呈现出随含油率增加而增加的规律。针对油水两相之间的速度滑脱、油水空间结构以及分层流和分散流各自不同的特点,分别采用适当的两相流流动模型和混合物电导率模型,较为有效地实现了对阻抗式含水率计测量结果的修正。此外,探索了通过数字图像处理技术测量流动特性的方法,得到了油水两相界面位置、形状以及分散流中液滴的尺寸等有用信息。 研究了粒子图像测速(PIV)在水平油水两相流中的应用。通过自行搭建的PIV实验系统,并在各种流型下的尝试实验,成功测量了水平油水两相分层流的速度场和分散流中液滴的速度场。实验结果表明油水两相流动速度分布具有与单相流明显不同的特征。 在垂直上升多相流实验中,同样利用高速摄像方法,给出不同气体流量、不同油水流量条件下的流型图；继而分别针对单相、气水、油水、油气水各种不同的上升流,考察了涡轮流量计和阻抗式传感器的响应特性。发现涡轮流量计输出的平均值随油水总流量成良好的线性关系,气量的增加则略微增加平均涡轮转速。在段塞流流型时涡轮流量计和阻抗含水率计的响应值都出现较大起伏的脉动。大尺度气泡经过时,将引起涡轮流量计响应值的短暂下降和阻抗式含水率计响应值的瞬时上升。仅改变含油率时,涡轮流量计转速随含油率的增加有小幅增加,阻抗含水率计的响应和响应的脉动强度都有所增加。 数值模拟在揭示多相复杂流动机理方面已展示出诱人的潜力。本文通过VOF模型数值计算了水平油水两相流和垂直油水气三相流的流型。对水平油水两相流,数值模拟计算得到的流型,含水率分布以及速度场与实验结果吻合较好。在此基础上,充分发挥数值计算参数设置方便的特点,分别逐一探讨了两相表观速度、含水率以及油水物性参数等对水平分层流动中持水率的影响。