第四章 矿场集输管路概述：本章主要讲述混输管路的分类和优点、混输管路的流动参数和技术术语、混输管路的特点和处理方法、两相流压降计算等方面的内容，并且探讨了与多相流有关的几个问题。
其目的是使学员通过本章的学习，充分了解混输管路在油田建设和油田生产的重要作用，并且对混输管路与单相管路的不同之处（特点、压降计算等）有一个全面的认识。
本章的重点为混输管路的参数和术语、混输管路的特点以及压降计算等部分的知识。
建议学员要与单相管路（输油管、输气管等）对比进行本章学习，这样可以加深对混输管路的特殊性的理解。
本节知识点：本节主要介绍混输管路的分类和优点、混输管路的流动参数和技术术语、混输管路的特点和处理方法、两相流压降计算等方面的内容。
其中混输管路的特点和处理方法、两相流压降计算是本节重点掌握内容也是本节的一个难点。
1．气液两相管流的参数和术语（一）流量1、质量流量：单位时间内流过管路横截面的流体质量。
（Kg/s ）2、体积流量：单位时间内流过管路横截面的流体体积。
（m3/s ）（二）流速1、气、液相流速如图所示，若在混输管路内，气、液相所占的流通面积分别为A g 和A L ，则： 气相流速：（m/s ）液相流速：（m/s ）上述速度实质上是气、液相在各自所占流通面积上的局部速度的平均值，常称为气、液相的实际速度。
当气、液相流速相同，即：时，气液混合物的流速称均质流速。
均质流速2、气、液相表观流速 所谓表观流速就是指两相混合物中任一相单独流过管道全部流通截面A 时的流速，即：气相表观速度：（m/s）液相表观速度：（m/s）很显然，气相和液相的表观流速必小于相应的气、液相实际速度。
3、气液混合物流速气液混合物流速表示两相混合物总体积流量与流通截面积之比，即（m/s）4、气液相质量流速气液相质量流量与管路流通截面之比。
气相质量流速：液相质量流速：混合物质量流速：（三）气液相对流速参数滑移速度：气相速度与液相速度之差，即：Ws=Wg-W L滑动比：气相速度与液相速度之比：漂移速度：气相速度与均质流速之差：（四）气液含率1、气液质量含率质量含气率：气相质量流量与混合物总质量流量之比。
即：质量含液率：2、气液体积含率体积含气率：管路流通截面上的气相体积流量与气液混合物总体积流量之比，即：体积含液率：3、气液截面含率截面含气率：气相流通面积与管路总流通面积之比，有时也指某一管段内气体所占流道体积的份额。
即：截面含液率：4、三种含率之间的关系（1）体积含气率与质量含气率之间的关系由以上两式可以看出：一般情况下β> x（由于）。
通过公式变形得：上式即为质量含气率与体积含气率之间的关系，已知气液相的密度以及体积含气率就可以求得质量含气率，反之亦然。
（2）质量含气率与截面含气率之间的关系式中：上式即为质量含气率与截面含气率间的关系。
由于滑动比s较难求得，由x准确求解φ有一定难度。
（3）体积含气率与截面含气率之间的关系上式即为截含气率与体积含气率之间的关系。
由于这两者的关系式中包含了滑动比，而影响滑动比的因素很多，因此已知或x的值求取截面含气率是很困难的。
从和的关系式中可以得到：当，＝；当时，>；当时，<。
（五）两相混合物的密度1、流动密度单位时间内流过管截面的两相混合物的质量与体积之比，即2、真实密度表示一段长度管段内气液混合物质量与其体积之比，即当气液相间无相对运动即气液流速相等，此时，，＝，流动密度和真实密度相等，即。
流动密度和真实密度定义不同，二者的应用场合亦不同。
流动密度常用来计算气液混合物沿管路流动时的摩阻损失；真实密度常用于计算气液混合物沿地形起伏管路流动时的静压损失，即计算由于管路高程变化引起的附加压力损失。
2．混输管路的特点和处理方法（一）混输管路的特点1、流型变化多在单相管路中，为研究流体流动的特征，把流体的流动分成层流和湍流两种。
不同流态下，流动参数和压降间有着不同的关系。
类似地，对气液两相管流也根据气液在管路内的分布和结构特征，把两相管路的流动分成若干流型。
压降计算时，考虑不同流型有不同的能量损失机理，采用不同的计算式。
测定流型方法大致分为三类：①目测法，包括肉眼观察、高速摄影等；②测定某一参数的波动量并与流型建立某种联系，例如测量压力的波动、探针与管壁间导电率的波动、X射线被管内流体吸收量的波动等；③由辐射射线的吸收量确定气液混合物的密度和流型，如X射线照相和多束γ射线密度计等。
（1）水平管流型埃尔乌斯流型划分法较好地说明了气液两相流动的流型变化特点。
埃尔乌斯把水平两相管路的流型分为气泡流、气团流、分层流、波浪流、冲击流、不完全环状流、环状流和弥散流等八种。
a．气泡流，当气液混合物内的含气量不多时，气体以气泡形式浓集于管子的上部。
气液间的表面张力力图使气泡呈球形。
气泡以与液体相等的速度或略低于液体的速度沿管运动。
两相管路以气泡流型稳定运行时，一般无明显的压力波动。
b．气团流，随着气量的增加，形成较大的气团，在管路上部同液体交替地流动。
c．分层流，再增多气量，气团连成一片成为连续气相。
气液间具有较光滑的界面，相速度有较大的差别。
以分层流型稳定运行时,管路也无明显的压力波动。
d．波浪流，气体量进一步增加，气体流速提高，在气液界面上吹起与行进方向相反的波浪。
以波浪流运行的管路有轻微的压力波动，其波动频率较高。
e．冲击流，又称段塞流。
气体流速更大时，波浪加剧，其波峰不时达到管顶，形成液塞，阻碍高速气流的通过，进而又被气体吹开并带走一部分液体。
被带走的液体或吹散成雾滴或与气体一起形成泡沫。
显然，以冲击流工作的混输管路其振动和水击现象最为明显，管路压力有很大波动，但振动频率较小。
f．不完全环状流，气量继续提高，要求管路有更大面积供气体通过。
气流将液体的断面压缩成新月型，管路顶部的液层很薄而底部的液层较厚，形成不同心的环状流。
g．环状流，随着气流速度的进一步提高，不同心环状液层变薄，形成环状流。
气体携带着液滴以较高的速度在紧挨管壁的环状液层的中心通过。
h．弥散流，当气体的流速更大时，环状液层被气体吹散，以液雾的形式随高速气流向前流动。
（2）1976年，Taitel和Dukler根据气液界面的结构特征和管壁压力波动的功率频谱密度记录图的特征，将气液两相流动分成三种基本流型。
分离流：包括分层流、波浪流和环状流。
气液均为连续相，管路压力较平稳。
间歇流：包括气团流和段塞流。
气体为分散相，液体为连续相，压力有较大波动。
分散流：包括气泡流、分散气泡流和弥散流。
一种流体以细小颗粒分散于另一种流体内，压力较平稳。
气液两相管路内，流型必然和气液两相的流动参数之间存在某种联系，据此才能判断管路内处于何种流型。
以实验和观察为主得到的流型图，称为经验流型图。
1954年Baker提出了首幅适用于各种介质的水平管路流型图，之后，研究者又不断提出各种流型图,其中1974年Mandhane提出的流型图获得较广泛的认同。
图 Mandlhane流型图Mandhane流型图以液气相表观流速为纵横坐标，将气液两相流动分为六种流型。
流型图的适用范围比Baker流型图广泛，近年来使用者颇多，但在流型图上不能体现气液物性对流型的影响。
以上介绍的经验流型图存在一定缺陷：它们大多根据小管径、低压条件下的实验数据绘制，并带有一定主观臆断性，当应用于大口径、较高压力系统时存在着偏差；没有全面考虑气液物性、管径、管路倾角等对流型的影响；不便于上机计算；纵横坐标不一致不便于比较；流型的分界也无理论依据。
进入20世纪70年代后，某些研究者试图从理论和半理论方法对流型进行描述，以克服经验方法的不足。
其中，1976年Taitel－Dukler提出的用半理论方法对流型分界的处理较全面，因而得到广泛的认同。
Taitel－Dukler把两相管路的流型分为五种，即：分层光滑流、分层波浪流、间歇流(包括气团流和段塞流)、环状雾状流和分散气泡流。
Taitel假设管内气液为一维稳定流动，以分层流入手，研究流型的转换机理和分界准则，从而提出了Taitel－Dukler流型图。
图 Taitel水平管流型图垂直管流型在陆上油气田地面管网中,较高的垂直管路很少。
但在海洋采油时遇到的立管较多,立管内油气两相流动产生的问题常制约海洋采油的正常生产。
与水平和倾斜管相似，各学者对垂直管路内两相流流型的划分也有多种不同的方法。
比较公认的是将流型分为气泡流、段柱流(弹状流)、环雾流（乳沫状流）和雾流环状流四种，见下图。
2、存在相间能量消耗在气液两相流动中，由于两相的速度常常不同，使气液相间产生能量交换和能量损失。
例如，在两相管路内液体的剧烈起伏造成相间界面粗糙，增加了相间滑脱损失；液面的起伏使气体的流通面积忽大忽小，气体忽而膨胀忽而压缩，气体流动方向亦随着液面起伏而变化，这些都使两相流动时的相间能量损失增加。
流速较高的气体，常常把一部分液体拖带到气体中去，脱离液流主体时要消耗能量；被气流吹成液滴或颗粒更小的雾滴要消耗能量；由流速较慢的液流主体进入流速较快的气流中的液滴或雾滴获得加速度要消耗能量，这些都存在能量交换。
3、存在相间传质在两相或多相管路内，随压力温度的变化，以及气液相流速常不相同，气液相间常处于不平衡状态。
因而，相间不断有质量交换，使气液在新条件下达到新的平衡状态。
故管路的气液质量流量、组成、密度、粘度等参数沿线不断地变化。
气液质量流量的变化还影响流型和能耗的变化。
4、流动不稳定管路稳定工作时，各种流动参数，如压力、流量等，不随时间变化。
在气液两相管路中，气液两相各占一部分流通面积，当气、液流量发生变化时，各相所占流通面积的比例也将发生变化，这就会引起管路的不稳定工作，并且需要较长的时间才能重新达到稳定状态。
5、存在非牛顿流体和水合物在油田的多相流管路内，油水混合物为非牛顿流体，其表观粘度随剪切历史和剪切强度而变。
在气田的多相流管路内，在高压、低温条件下管路内可能形成固态水合物，这使多相流管路的计算更趋复杂。
（二）气液两相管路的处理方法流体力学的基本方程式，即体现质量守恒的连续性方程和体现运动守恒的动量方程与能量方程，也都适于两相流动。
对于两相流动，在考虑运动守恒时，还应考虑相间的相互作用，故描述两相流动的方程组要比单相流复杂得多。
各国学者在处理具体的气、液复杂共流时，常作某些假设使问题简化，根据假设和处理方法不同，可分为均相流模型、分相流模型和流型模型三种。
1、均相流模型均相流模型是把气液混合物看成为一种介质，因此可以把气液两相管路当成单相管路来处理。
在均相流模型中作出了两个假设：（1）气、液两相速度相等。
由于气、液两相的速度相等，因此管路还具有截面含气率和体积含气率相等，气液混合物的流动密度和真实密度相等等特点；（2）气液两相介质已达到热力学平衡状态，气、液相间无热量的传递，故流动介质的密度仅是压力的函数。
