石油天然气管道系统中的低含液气液两相流研究综述_韩楚君.pdf

第 52 卷第 2 期 辽 宁 化 工 Vol.52，No.2 2023年2月 Liaoning Chemical Industry February，2023 收稿日期收稿日期：2022-04-15 作作者简介者简介：韩楚君（1998-），女，湖北省荆州市人，硕士，研究方向：低含液气液两相流数值研究。石油天然气管道系统中的低含液 气液两相流研究综述 韩楚君1，吴楠楠1，刘朝旭2（1.西安石油大学，陕西 西安 710000；2.国家管网集团西部管道甘肃输油气分公司，甘肃 兰州 730000）摘 要：低含液气液两相流广泛存在于石油管道系统中。对低含液气液两相流的两种典型工况（天然气生产井、长输管道湿气输送）进行了介绍，对低含液气液两相流动的研究现状进行了总结，提出未来模拟实验的工况应力求接近实际，为低含液气液两相流动的实际应用提供可靠的流动保障方案。关 键 词：低含液气液两相流；天然气生产；湿气输送 中图分类号：TE83 文献标识码：A 文章编号：1004-0935（2023）02-0286-03 在石油天然气管道运输系统中，尤其是天然气生产和长输管道湿法输气中，低含液气液两相流动非常常见1。这是由于在运输碳氢化合物的管道中，管道沿线压力和温度的下降而导致的气相冷凝和水蒸气冷凝，随之在管道内部形成了少量液体，进而形成低持液率的气液两相流动，两相之间的相互作用会产生与单相流截然不同的特性2-4，对管内流动特性以及管道腐蚀等流动保障问题产生较大影响，例如使管内压力显著升高等，因此有必要对低含液气液两相流动行为特性进行更为深入的分析5-6。1 低含液气液两相流的典型工况 1.1 天然气生产井 低含液流动是指液体流量与气体流量相比非常小的流动状态，它在天然气井筒中广泛存在7。在石油工业系统中，MENG8等将两相流动中含液率低于 1 100 m3(MMsm)-3时定义为低含液量。输气管道在其固定的运行区域，温度和压力有上下限。边界条件取决于管道强度、压缩机排放条件以及下游用户需求。只要天然气管道的运行区域或压力-温度路径位于露点曲线右侧的相包络之外，管道就将始终在单相模式下运行。然而，在许多情况下，即使气体以单相模式进入管道，也可能在管道的某处形成一些液体9。为此，AYALA 等对在低含液量下可预期的所有可能的流型及其转变进行了模拟，强调了此类管流的低含液特性，建立了描述天然气管道内流体动力学稳态行为的双流体多相流模型。1.2 长输管道湿气输送 湿气体由麦凯恩定义为凝析油水平大于 56 m3(MMsm)-3的碳氢化合物气流10。与常规气田开发相比，湿法输气生产工艺产出的天然气中含有饱和水，随着管道输送距离的增加，温度和压力的下降逐渐导致冷凝水的沉淀，冷凝水的形成使管道内的流动转化为气液两相流，摩阻损失增加，流动截面积减小，输送效率降低，一旦温度低于 0，冷凝水结冰会影响管道的运行11。水分含量也会直接影响后续的生产设施，如影响分离器的处理能力。因此，HE12等通过验证实验数据，提出将清管方法与多点排水装置相结合，为湿气输送的流动保障提供了一种安全、经济的方法。2 低含液气液两相流流动特性的影响 因素 就低含液气液两相流动的典型工况湿气输送来说，管道中的低含液流动是由于输送未经处理的原料气所产生的正常现象。影响低含液气液两相流动流动特性的主要参数是管道几何形状（倾角和直径）、操作条件（流量、压力和温度）以及气体和液体的物理性质（密度、黏度和表面张力）。即使管道输送的是单相气体，气相中较重的组分与微量水的冷凝也会导致两相流动。这些液体在管道中的存在，虽然数量很少，但会影响不同的流动特性，如压力分布13。水合物的形成、管道腐蚀、清管频率以及与压力和持液率相关的下游设施也会受到影 响14。因此，了解低含液量气液两相流动的流动特性，对于湿气体的输送具有重要意义。MARTINEZ15等使用计算流体力学（CFD）模拟软件重点研究了低含液气液两相流动的持液率和DOI:10.14029/ki.issn1004-0935.2023.02.035第 52 卷第 2 期 韩楚君，等：石油天然气管道系统中的低含液气液两相流研究综述 287 压降特性，此外还用天然气-凝析油混合物模拟了哥伦比亚天然气管道的不同管段，以分析在实际工业条件下管道倾角和操作变量对持液率的影响。3 低含液气液两相流研究现状 3.1 实验研究 早期的实验研究如 HART16等提出了 ARS 模型，该模型适用于持液率范围为 00.6 的水平管道，主要用于研究低含液气液两相流动的持液率和压降梯度。CHEN17等提出了双圆环模型，用于研究低含液气液两相流管内介于 FLAT 模型与 HART 等提出的 ARS 模型这两种极端情况之间的气-液界面。BADIE2等以空气和水为两相介质，在管径为79 mm的水平管道中对低含液气液两相流流动特性进行了研究，经过比对实验数据与机理模型，提出 ARS 模型通常对实验范围内的持液率预测计算具有更好的精度。MENG18等使用由直径为 50.1 mm，倾角为 2、0、1的丙烯酸管制成的管道系统研究了管道倾角对低含液两相流动的持液率和压降梯度的影响，提出了新的界面摩擦系数关联式。GUNER19等基于内径 3 英寸、倾角为 90、75、60和 45的实验管道对低含液气液两相流管道倾斜对流型转变的临界气体速度的影响，提出低持液率是在天然气井生产和低含液气液两相流通过立管输送过程中存在的主要差异。DEENDARLIANTO20等对低含液量水平管道中气液分层两相流的湿壁分数进行了实验研究，建立了关联式来预测水平管中气液分层流动的湿壁分数。FAN21等采用丝网传感器研究了向上倾斜管中低含液气液两相流的流型及其转变、压力梯度和持液率的测量、流动特性分析等，提出了分层流和段塞流过渡区速度的简化关联式。根据过去几十年中不同研究者进行的实验测量和观察，描述了低含液气液两相管道内一系列关于流体相行为、流体性质、压降梯度、持液率和温降等典型流动现象，提出了相应预测计算关联式22。3.2 数值模拟 KARAM23等对水平管道进行了 CFD 模拟，采用 VOF 多相流模型分析了低含液气液两相管流内界面形状、气液两相的速度场、持液率及剪应力分布。肖坤24利用 Fluent 软件研究水平管中的低含液气液两相流的流动特性，得出 Taitel&Dukler 模型在判断管内流型时，计算吻合结果较好；在计算持液率和压降梯度时，ARS模型具有较高的预测精度。管孝瑞25等对低含液湿气集输管线内的液膜厚度分布特性进行了研究，利用 Fluent 软件建立了低含液率气液两相流动数学模型，对试验管段内的气相流场、液滴分布等流动特性进行了研究26，得出运用边界层网格与增强壁面函数相结合的方法，能够很好地模拟近壁处流场27。高雪琦28采用 Eulerian wall film 模型对低含液量管路内液膜分布特性进行数值模拟，分析了弯管结构对于气相分布特性的影响以及液膜沿截面轴向的变化趋势。袁颖29利用Fluent 软件对文丘里管内低含液气液两相流流动进行模拟，获得了管内流场分布、静压分布及液滴浓度分布。马鲁英30通过 Fluent 软件对倾斜天然气管道内低含液气液两相流动的流动特性进行了研究，分别观察了倾斜管内积液的运动情况、积液在倾管内平铺长度、临界状态倾斜管内速度场的分布、临界持液率等。梁钰31基于数值模拟软件 CFD 对倾斜井筒中的积液特性进行了研究。通过模拟得出正常生产中的气井压降随入口气体流速、体积含液率以及倾斜角度的增加而增加。随着近年来计算机技术飞速发展，对于低含液气液两相流动的研究可借助计算流体力学模拟软件进行。数值模拟克服了实验研究条件的局限性以及理论解析的复杂性。4 结束语 早期关于低含液气液两相流的流动机理及流动特性的实验研究受制于实验条件，大多集中在小管径、水平管内的流动32。近年来，随着计算机模拟技术的飞速发展，对低含液气液两相流的研究在实验的基础上与计算流体力学模拟软件相结合，扩大了实验范围，克服了实验条件的局限性，提高了计算精度。值得注意的是，目前低含液气液两相流所处的实际工况一般为大管径、多起伏管路33，这与实验工况相差较大，未来模拟实验的工况应力求接近实际，为低含液气液两相流动的实际应用提供可靠的流动保障方案。参考文献：1 RIBEIRO J,LIAO R,ALIYU A M,et al.Experimental study of horizontal two-and three-phase flow characteristics at low to medium liquid loading conditionsJ.Heat and Mass Transfer,2019,55(10):2809-2830.2 BADIE S,HALE C P,LAWRENCE C J,et al.Pressure gradient and holdup in horizontal two-phase gasliquid flows with low liquid loadingJ.International Journal of Multiphase Flow,2000,26(9):1525-1543.288 辽 宁 化 工 2023年2月 3 BANAFI A,TALAEI M R,GHAFOORI M J.A comprehensive comparison of the performance of several popular models to predict pressure drop in stratified gas-liquid flow with low liquid loadingJ.Journal of Natural Gas Science&Engineering,2014,21:433-441.4 沈伟伟，邓道明，刘乔平，等.天然气管道积液临界气速预测模型研究进展J.油气储运，2020，39（10）：1109-1115.5 刘建武，何利民.积液在湿气输送管道中的发展过程分析J.油气田地面工程，2019，38（z1）：76-80.6 ZHANG H Q,SARICA C.Low liquid loading gas/liquid pipe flowJ.Journal of Natural Gas Science&Engineering,2011,3(2):413-422.7 管孝瑞，金有海，王建军，等.低含液输气管线内两相流动及其 CO2腐蚀研究进展J.化工机械，2017，44（3）：245-251.8 MENG W.Low liquid loading gas-liquid two-phase flow in near-horizontal pipes J.Dissertation Abstracts International,1999,60:3543.9 蒲雪雷.水平/微倾管道中低持液率气液两相流动特性研究D.西安：西安石油大学，2020.10 MCCAIN W D JR.The properties of petroleum fluidsM.Tulsa,Okla.:Penn Well Publishing Company,1990.11 TANG H,HASAN A R,KILLOUGH J.Development and application of a fully implicitly coupled wellbore/reservoir simulator to characterize the transient liquid loading in horizontal gas wellsJ.SPE Journal,2018,23(5):1615-1629.12 HE G,TANG D,YIN B,et al.Comparison and analysis of drainage measures for draining accumulated