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倾斜及水平油水两相管流流动特性测量

作　者: 宗艳波
导　师: 金宁德
学　校: 天津大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 油水两相流电导传感器电导探针传感器流型图流量测量物理模型数值模拟
分类号: O359
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

倾斜及水平油水两相流动现象广泛存在于石油工业中,流动参数测量对生产过程及工艺优化具有重要意义。由于油水两相流流动结构呈现高度随机性、不稳定性及多态性,流动过程参数难于测量。本文针对倾斜及水平油水两相流复杂流动现象,设计了环形电导传感器及阵列探针传感器。在天津大学多相流实验装置上测取倾斜及水平油水两相流宏观电导信号及局部探针信号的基础上,实验得到了两相流流型图、两相流相关速度及含水率等流动参数。采用非线性分析方法研究了倾斜油水两相流非线性动力学特性。应用双流体物理模型及数值模拟技术研究了水平油水两相流流型转化问题。采用电导与电容传感器组合测量方法研究了水平油水两相流分相流量测量问题。论文研究工作取得了如下创新性成果:1.采用环形电导传感器与5路纵向微探针阵列传感器组合测量方法提取了倾斜油水两相流动结构信息,在此基础上测量得到了不同角度的大管径倾斜油水两相流流型图,得到管径对流型转化边界有较大影响的结论。在实验测量流型基础上,提出一种新的倾斜油水两相流混沌吸引子形态分析方法-混沌吸引子周界测度方法。考察了吸引子周界特征量随相空间嵌入参数时间延迟的变化规律,分析结果表明:吸引子面积增长率是描述吸引子形态的不变特征量,该特征量对水为连续相的拟段塞水包油(D O/W PS)和局部逆流水包油(D O/W CT)流型变化敏感,具有较好的识别效果,为从吸引子形态周界测度关系探寻流型演化的非线性动力学机制提供了一条新途径。2.采用环形电导传感器与8路径向微探针阵列传感器组合测量方法提取了20mm水平及近水平油水两相流流动结构信息,在此基础上测得水平及近水平油水两相流全部六种流型的流型图。采用双流体模型、分散流模型以及相态逆转等物理模型计算了流型边界,研究结果表明:ST&MI与半分散流型(D O/W&W、D W/O&D O/W)的转化边界、半分散与全分散流型(D O/W、D W/O)的转化边界的物理模型与实验测量流型结果较为吻合;ST与ST&MI流型边界的物理模型与实验测量流型有较大差异,角度倾斜则会加剧物理模型与实验结果的差异。所开展的水平油水两相流数值模拟工作为从理论上认识流型演化规律提供了可行办法。3.采用目前大庆油田使用的水平井生产测井电导与电容组合仪对水平油水两相流分相流量测量方法进行了研究。由于电导与电容传感器对水为连续相和油为连续相具有不同的敏感特性,根据其实际测量响应特性,提出了总流量在20~50方/天(低流量)及100~200方/天流量(高流量)范围内,分别采用电容及电导传感器测量分相流量的方案。对油水相间存在较大滑脱效应的低流量范围,建立了具有较高含水率预测精度的变系数漂移模型,并结合高流量分相流量统计模型可得到较好的含水率预测精度(3%以内)。最终,提供了较为可靠的基于物理模型的水平井产出剖面测井解释方法。

全文目录

中文摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-31
  1.1 课题研究背景及意义  10-11
  1.2 两相流流动参数  11-13
  1.3 油水两相流流型  13-20
    1.3.1 垂直上升管内油水两相流流型  13-14
    1.3.2 倾斜上升管内油水两相流流型  14-17
    1.3.3 水平油水两相流流型  17-20
  1.4 油水两相流测量技术发展现状  20-27
    1.4.1 流型测量方法  20-23
    1.4.2 相含率测量方法  23-27
  1.5 倾斜及水平油水两相流研究综合评述  27-28
  1.6 本文主要工作与创新点  28-29
  1.7 本文组织结构  29-31
第二章倾斜油水两相流流型非线性特性  31-61
  2.1 倾斜油水两相流动态实验  32-46
    2.1.1 实验装置与数据采集  32-34
    2.1.2 基于微探针阵列信号的流型实验测量  34-43
    2.1.3 电导阵列传感器测量信号统计分析  43-45
    2.1.4 倾斜油水两相流流型图  45-46
  2.2 倾斜油水两相流流型非线性特征  46-60
    2.2.1 递归图和递归定量分析  46-52
    2.2.2 混沌吸引子周界测度特征  52-54
    2.2.3 不同类型信号吸引子周界测度仿真分析  54-57
    2.2.4 混沌吸引子周界测度特征量提取  57-60
  2.3 小结  60-61
第三章水平油水两相流流型测量与物理模型  61-91
  3.1 水平油水两相流动态实验  61-77
    3.1.1 实验装置与数据采集  62-68
    3.1.2 基于径向多头探针阵列及高速视频图像的流型测量  68-73
    3.1.3 电导阵列传感器测量信号统计分析  73-76
    3.1.4 水平及近水平油水两相流实验流型图  76-77
  3.2 水平油水两相流流型转化物理模型  77-88
    3.2.1 分层-非分层流型转化模型  78-82
    3.2.2 液-液分散流中的最大泡径  82-84
    3.2.3 半分散流型转化模型  84-85
    3.2.4 全分散流型转化模型  85
    3.2.5 相态逆转模型  85-87
    3.2.6 水平油水两相流流型转化物理模型边界  87-88
  3.3 流型实验测量结果与物理模型预测结果对比  88-90
  3.4 小结  90-91
第四章水平油水两相流数值模拟  91-97
  4.1 两相流瞬态数值模拟基础  91-93
    4.1.1 湍流模型  91-92
    4.1.2 多相流模型及数值模拟流程  92-93
  4.2 分层流流型瞬态数值模拟  93-95
  4.3 分散流瞬态数值模拟  95-96
  4.4 小结  96-97
第五章水平油水两相流流量测量模型  97-117
  5.1 电导传感器总流量测量  97-103
    5.1.1 相关测量基本原理  97-99
    5.1.2 相关流量模型  99-103
  5.2 含水率模型  103-116
    5.2.1 多项式模型  105-108
    5.2.2 漂移模型  108-113
    5.2.3 滑脱模型及统计模型  113-116
  5.3 小结  116-117
第六章总结与展望  117-119
参考文献  119-132
发表论文和科研情况说明  132-134
致谢  134

倾斜及水平油水两相管流流动特性测量

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