摘 要

我国是一个石油与天然气资源特别丰富的国家,大范围的石油天然气开采带动了国内大范围的油气集输管网建设，在长输管道的整个输送过程中,混相输送技术是目前国内乃至世界上运用最广泛的输送手段。随着油气田开发需求的加深，多相混输工艺在其中起到了越来越重要的作用。而多相流技术大多应用在两相流动,特别是气液两相流的工艺技术的应用更为广泛。

研究气液两相输送特性有利于掌握流体流动的规律，降低运输成本，提高输送效率，极大地提高了运输经济性。本文主要通过ANSYS对实际的输油管道建立瞬态模型，对不同含气率的气液两相模型进行对比分析，同样还有影响流动的其他相关变量，通过控制变量法对每个变量进行多组实验，根据相关实验数据研究气体在输油管道内的流动过程和阻力特性。

关键词：气液两相流；瞬态模型；ANSYS；含气率；阻力特性

Abstract

China is a country of petroleum and natural gas resource rich countries, large-scale exploitation of petroleum and natural gas led to a wide range of domestic oil and gas pipeline network construction, in the course of transmission pipeline, multiphase transportation technology is the country and the world by means of transport as demand most widely. The development of oil and gas fields deepened, multiphase process to a more and more important role in the play. The multiphase flow technique is mostly used in two-phase flow, especially the application of technology of gas-liquid two-phase flow is more extensive.

The study of gas-liquid two-phase transport characteristics is conducive to grasp the law of fluid flow, reduce transportation costs, improve transport efficiency, greatly improving the transport economy. In this paper, the transient model of the oil pipeline is established by ANSYS. The gas-liquid two-phase model with different gas content is compared and analyzed. There are other related variables which affect the flow, and each variable is grouped by the control variable method Experiment, according to the relevant experimental data to study the gas flow in the pipeline and resistance characteristics of the pipeline.

Keywords: Gas-liquid two-phase flow； steady state model； ANSYS； gas content；resistance characteristics

目录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2国内外现状 1

1.3本文的主要研究工作 4

第二章 输油管道内气体的形成及CFD数值模拟 5

2.1输油管道内气体的形成 5

2.2气相的影响 5

2.2.1 H₂S的腐蚀 5

2.2.2 CO₂的腐蚀 6

2.3管道内气液两相的CFD数值模拟 6

2.3.1模拟内容 6

2.3.2 CFD数值模拟方法 6

2.3.3物理模型 7

2.3.4多相流模型 8

2.4本章小结 9

第三章 不同工艺参数下含气输油管道的输送特性 10

3.1实验设计 10

3.2建立模型及划分网格 11

3.3边界条件和参数设置 12

3.4分析结果及云图 12

3.5本章小结 21

第四章 不同管道布局下含气输油管道的输送特性 23

4.1不同的设计方案 23

4.2分析结果及云图 23

4.3结论 26

4.4本章小结 26

第五章 结论与展望 28

5.1结论 28

5.2展望 28

参考文献 29

致谢 31

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

油和气通常是从油井中产出，并以气液两相流的形式进行长距离输送，管道内的气液两相流动属于多相流的范畴。由于多相流技术在现代石油工业中的应用非常重要以及普遍，而气液两相流动在多相流中是一种非常常见的现象，因此对气液两相输送特性的研究就十分必要，主要体现在以下几个方面：

1. 在输油管道中，随着沿线输油压力的逐渐降低，油品中的轻烃组分会逐渐释放出来，形成气相和液相交替流动。同样的，输气管道也会在输送过程中析出重烃组分，形成低持液率的两相流动。由此可见，气液两相流动不管是在输油管道还是输气管道更不用说油气混输的管道都是很普遍的现象，所以为了提高输送效率有必要对气液两相流进行研究。
2. 大多数油气井的输送介质在送入分离器以前属于两相或者多相流体，分离后单独运输原油或天然气难免显得复杂，不仅仅体现在分离器操作的安全性上，从成本和输送效率上讲，利用一根管线对油气进行混合输送在经济上要显著优于利用两条管线来分别输送原油和天然气。
3. 在海上油气田的开放和开采中，采用单管混输技术将大大减少海洋平台面积和建造、操作费用，降低海底管线的敷设费用以及海上油气设备的安装经营费用。据有关资料介绍，采用该技术可节省海上工程投资总费用的百分之十到百分之四十，因而其经济效益非常显著。同时，由于所用管线减少，使得平台操作程序变得简单，从而增加了平台的安全性。因此，多相流技术在海洋石油工业中起到了至关重要的作用。
4. 多相流技术不仅可以解决油藏工程中的油藏问题，还可以提高采油工程中的采收率等等，特别是气液两相流技术在多相流中应用非常广泛，因此着眼于此有利于解决这些。

1.2国内外现状

气液两相流动具有可变形的界面和一个可压缩的气相,使其成为两相流动中最复杂的一种。气液两相流在气、液等各种流量组合下表现出了的不同的流型，每一种流型都有其特定的相分布以及相界面形状。气液两相界面及其所引发的特征与各相的流量、物性、流动参数、管道几何形状及几何位置等诸多因素密切相关，如何系统而又全面的研究具有一定的难度。气液两相流动的原理至今没有被完全理解和认识，因此流型的划分，流动状态的描述以及流型的识别一直是气液两相流研究的主题。比如刘定智^[1]、宋承毅^[2]、曹学文、冯叔初^[3]等人对多相混输技术的研究就着眼于流型的判断，对气液两相输送特性的影响，同时也有学者喻西崇着重对阻力特性进行分析研究^[4]。

水平管道内低含液率气液两相流是目前两相流研究领域重要的研究课题，不同于一般的气液两相流动，低含液率气液两相流存在的液体极少，因其流动变化独特，对天然气运输系统的运送能力和效率有非常大的影响。在气液两相流进行的理论和实验研究中，很少有关于低含液率气液两相流动的研究，但是大多数的天然气输送管线的含液量都在一定范围内。现有的大多数理论计算模型对于低含液率气液两相流动的流型、压力梯度、持液率、湿壁周长、液滴夹带等参数的预测结果和实际的情况相差较大，不能很好的预测实际的工况参数。