傾斜管氣液兩相流型轉(zhuǎn)化邊界

楊偉霞, 梁若渺， 方志剛, 丁 瓊, 廖銳全*

(1.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院， 武漢 430100； 2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司氣舉試驗(yàn)基地多相流研究室， 武漢 430010；3.中國(guó)石油吐哈油田公司工程技術(shù)研究院， 哈密 839009； 4.中國(guó)石油吐哈油田公司工程技術(shù)研究院， 吐魯番 838000；5.中國(guó)石油新疆油田公司工程技術(shù)研究院， 克拉瑪依 834000)

在石油行業(yè)中多相流動(dòng)是一種常見(jiàn)的流動(dòng)狀態(tài)，流型是定義多相流動(dòng)狀態(tài)及準(zhǔn)確預(yù)測(cè)壓降的重要參考依據(jù)[1]。流動(dòng)型態(tài)的不同對(duì)兩相流動(dòng)的力學(xué)研究以及傳熱性能等都存在很大的影響，從目前的應(yīng)用情況來(lái)看，氣液兩相流動(dòng)狀態(tài)應(yīng)用較多。在兩相流動(dòng)狀態(tài)下，常見(jiàn)的流型有分層流、氣泡流、段塞流、攪動(dòng)流及環(huán)狀流。

由于影響流型變化的因素多，從不同的研究角度出發(fā)，不同的學(xué)者得出的流型判別方法并不一致。經(jīng)過(guò)學(xué)者們對(duì)兩相流動(dòng)的深入研究，發(fā)現(xiàn)水平管兩相流動(dòng)機(jī)理及規(guī)律并不適用于傾斜管[2-8]，后來(lái)對(duì)水平管和傾斜管分別展開研究。相對(duì)于水平管來(lái)說(shuō)傾斜管的研究較少。20世紀(jì)80年代，Barnea等[9]研究了-90°～90°傾斜管的流型變換準(zhǔn)則，并給出了流型判別標(biāo)準(zhǔn)。后來(lái)學(xué)者們開始了對(duì)傾斜管氣液兩相流的研究，劉曉娟等[10]從物理機(jī)制集成化角度出發(fā)建立了傾斜井筒的各種流型的存在準(zhǔn)則，但并未給出各流型轉(zhuǎn)化的邊界線；馬俊等[11]研究?jī)A斜管中泡狀流、準(zhǔn)彈狀流及環(huán)狀流的流型變化特征，并擬合出相應(yīng)的流型轉(zhuǎn)化條件；洪文鵬等[12]對(duì)垂直管內(nèi)氣-水兩相進(jìn)行可視化研究發(fā)現(xiàn)5 mm管的流型轉(zhuǎn)換區(qū)域與Mishima-Ishii模型相似，3 mm管的轉(zhuǎn)換邊界與Akbar等模型具有一定的一致性；張雪[13]分析了傾斜管中管道傾角變化對(duì)流型轉(zhuǎn)變的影響，并用多物理耦合分析軟件，對(duì)上傾斜管中氣液兩相流中不同時(shí)刻的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行數(shù)值模擬研究,判別氣液兩相流的流型,分析氣相折算速度、液相折算速度和管道傾角對(duì)流型的影響；邊曉航等[14]利用ICEM(the integrated computer engineering and manufacturing code)對(duì)油水兩相進(jìn)行了數(shù)值模擬，建立了不同角度的井筒模型；常方圓等[15]對(duì)低角度的氣液兩相模型進(jìn)行了研究，使用流體體積法模型模擬了傾斜角分別為10°、20°和30°的上傾斜管,得到了不同流動(dòng)時(shí)間的相分布云圖，但是缺乏對(duì)大角度傾斜管的氣液兩相模型的研究；吳志成等[16]進(jìn)行了微傾斜管內(nèi)氣液兩相流長(zhǎng)氣泡形狀實(shí)驗(yàn)和模型研究，建立了長(zhǎng)氣泡的理論模型，但此模型僅用于對(duì)段塞流的判斷。

經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，最近幾年大多學(xué)者致力于研究低角度傾斜管以及水平管的流型轉(zhuǎn)化研究，對(duì)于大角度傾斜管的研究較少，從油田生產(chǎn)實(shí)際發(fā)展形勢(shì)來(lái)看，選用定向井的數(shù)量日益增加，所以傾斜管的兩相流動(dòng)研究意義尤為重要。目前雖然流型判別方法很多，但對(duì)氣液兩相流動(dòng)機(jī)理研究尚不完善，導(dǎo)致不同的學(xué)者得出的氣液兩相流理論模型存在一定的差異，至今為止沒(méi)有一種通用的傾斜管流型轉(zhuǎn)化準(zhǔn)則。

根據(jù)大量文獻(xiàn)調(diào)研以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)Barnea等[9]提出的流型判別準(zhǔn)則較為全面，但實(shí)驗(yàn)條件及影響因素的不同會(huì)導(dǎo)致該模型和實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在很大的差異?；诖?，針對(duì)Barnea流型判別方法對(duì)傾角分別為30°、45°、70°、90°的流型轉(zhuǎn)換準(zhǔn)則進(jìn)行研究，使用實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合方法驗(yàn)證Barnea模型，修正Barnea模型中泡狀流-段塞流及段塞流-攪動(dòng)流的流型轉(zhuǎn)換關(guān)系式，繪制出修正后的流型圖，提出傾斜管流型轉(zhuǎn)換化的通用準(zhǔn)則。以期為油田的安全生產(chǎn)以及產(chǎn)能的提高提供合理的論依據(jù)。

1 傾斜管流型識(shí)別方法理論依據(jù)

對(duì)于傾斜管流型判別機(jī)理[16]來(lái)說(shuō)，在已知流體物性、管徑、管路角以及氣、液相折算速度時(shí)，Barnea等[9]提出了流型的判別方法，判別準(zhǔn)則如下。

(1)泡狀流-段塞流轉(zhuǎn)變判關(guān)系式：

(1)

式(1)中：φ為空隙率，取值為0.25；vsl、vsg為液相、氣相表觀流速，m/s；ρl、ρg分別為液相、氣相密度，kg/m3；θ為管道的傾角；σ為表面張力，N/m；g為重力加速度，m/s2。

(2)段塞流-攪動(dòng)流的判別關(guān)系式：

(2)

(3)

式中：dc流型轉(zhuǎn)變時(shí)氣泡直徑，m；H1s間歇流的液塞持液率(Hls≥0.48)；φs為間歇流的液塞空隙；fm混合物摩阻系；σ為表面張力，N/m；vm為氣液混合后的速度，m/s;D為管徑，m。

2 實(shí)驗(yàn)研究及模型驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)是在長(zhǎng)江大學(xué)多相管流實(shí)驗(yàn)室完成的。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能進(jìn)行氣水、氣油、油水、油氣水等多種流體，在0～90°傾角、常溫～90 ℃、常壓～3 MPa、液流量0～500 m3/d、液黏度0～1 000 mPa·s、氣流量0～50 000 m3/d范圍內(nèi)的多相管流動(dòng)態(tài)研究。

為了便于觀察流型，此次實(shí)驗(yàn)采用長(zhǎng)8 m的有機(jī)玻璃管，并結(jié)合高速攝像機(jī)獲取的管內(nèi)流態(tài)的瞬時(shí)變化的照片作為流型判別的基礎(chǔ)資料。實(shí)驗(yàn)所需要的氣體流量、液體的流量、入口壓力、出口壓力、管道溫度及持液率等數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取。實(shí)驗(yàn)裝置精度如表1所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，實(shí)驗(yàn)條件及物性參數(shù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)條件及物性參數(shù)

1為在線含水儀，2為過(guò)濾器，3為穩(wěn)壓器，4為壓力傳感器，5為液體流量計(jì)，6為控制中心，7為快關(guān)閥，8為壓力傳感器，9為溫度壓力傳感器，10為氣液混合氣，11為溫度傳感器，12為離心泵，13為手動(dòng)閥，14為氣動(dòng)閥，15為測(cè)試管段

表1 裝置測(cè)量精度及范圍

本次實(shí)驗(yàn)在常溫常壓(20 ℃，0.101 MPa)的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)選用的氣相為空氣，液相為水，

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.2.1 準(zhǔn)備工作

為了保證實(shí)驗(yàn)的高效準(zhǔn)確，在實(shí)驗(yàn)開始之前進(jìn)行故障排查、設(shè)備調(diào)試、實(shí)驗(yàn)管路掃。調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)所需的管道傾角和設(shè)備參數(shù)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行試運(yùn)行，在保證整個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛘＿M(jìn)行的情況下開始實(shí)驗(yàn)。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)首先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作：檢查管道氣密性，吹掃實(shí)驗(yàn)管道，用電動(dòng)絞車調(diào)整實(shí)驗(yàn)管道傾角，開啟泵機(jī)組給管道充液，在正式實(shí)驗(yàn)之前對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行試運(yùn)行以保證實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。

(2)將管道用絞車調(diào)整到離地一定角度，調(diào)節(jié)柱塞泵的頻率來(lái)調(diào)節(jié)管內(nèi)液體流量的大小，調(diào)節(jié)氣動(dòng)閥的開度來(lái)控制管道的氣體流量大小。

(3)等管內(nèi)的氣液流量呈現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)開始記錄數(shù)據(jù)，每隔1 s記錄一次，總共記錄3 min左右。此時(shí)觀察管內(nèi)的流型變化并手動(dòng)記錄，同時(shí)，對(duì)管道流型進(jìn)行拍照記錄。

(4)不同角度的實(shí)驗(yàn)過(guò)程如同步驟(1)～步驟(3)，只改變管道的角度。

2.3 數(shù)據(jù)分析及模型修正

2.3.1 流型特征

在上傾管中，根據(jù)Barnea等[9]提出的流型判別模型，設(shè)定了氣液相流量，分別獲取了30°、45°、70°、90°的流型照片、壓力及持液率數(shù)據(jù)。從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中可以觀測(cè)到傾斜管段的泡狀流、段塞流、攪動(dòng)流、三種流型的變化(從上到下依次為泡狀流、段塞流、攪動(dòng)流，流動(dòng)方向從左向右)，如圖2～圖5所示。

(1)泡狀流：從圖2～圖5可以看出，在傾斜管中，由于氣量較小，不同形態(tài)、大小氣泡連續(xù)分散在液相中。由于重力作用氣泡浮于管道上層區(qū)域，隨著氣量的變化小氣泡呈現(xiàn)出不同的狀態(tài)。角度逐漸增加，氣泡逐漸向管道中心移動(dòng)；在垂直管中，由于氣泡的浮力和拖拽力相同，使得氣泡均勻分散在液體中液體向上運(yùn)動(dòng)。

(2)段塞流：隨著小氣泡的聚集形成大氣泡，大氣泡的直徑接近管道直徑占據(jù)了整個(gè)過(guò)流斷面，堵塞液體流動(dòng)通道，阻礙液體的向上運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致管內(nèi)呈現(xiàn)出氣液交替的現(xiàn)象。從圖2～圖5可以看出，液塞前端有很多小氣泡，這是由于液塞前端的液體受到回流的沖擊力后，使高速流動(dòng)的液體到達(dá)管道頂部，這部分液體所受的力大于氣泡所受的浮力，使得氣泡與高速流動(dòng)的液體相混合，液塞中將包含很多小氣泡。

圖2 傾角30°泡狀流-攪動(dòng)流流型變化

圖3 傾角45°泡狀流-攪動(dòng)流流型變化

圖4 傾角70°泡狀流-攪動(dòng)狀流流型變化

圖5 傾角90°泡狀流-攪動(dòng)流流流型變化

(3)攪動(dòng)流：從獲取的流型照片(圖2～圖5)上看出攪動(dòng)流的氣相流動(dòng)狀態(tài)與段塞流的十分相似，氣體向上運(yùn)動(dòng)，此時(shí)的液體沒(méi)有堵塞管界面，呈現(xiàn)出聚集下落的現(xiàn)象，后來(lái)又被氣體舉升，出現(xiàn)震蕩式向前流動(dòng)。

2.3.2 模型驗(yàn)證

通過(guò)多相流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)獲取了170組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析，找出數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布規(guī)律得出了實(shí)驗(yàn)條件下的流型轉(zhuǎn)換界限。根據(jù)氣液兩相速度基本公式(3)、式(4)計(jì)算出氣液兩相的折算速度，以氣相折算速度為橫坐標(biāo)，液相折算速度為縱坐標(biāo)，繪制出30°、45°、70°、90°氣液兩相流型圖(圖6)。

圖6 不同角度的氣液兩相流流型圖

(4)

(5)

式中：vsg、vsl分別為氣液兩相折算速度，m/s；Qg、Ql分別為氣相和液相的體積流量，m3/s；A過(guò)流斷面面積，m2。

從圖6的流型圖可以看出：在任意角度，段塞流總是占據(jù)流型圖中大部分區(qū)域，也就是說(shuō)段塞流是氣液兩相流覆蓋氣液流量范圍最廣的流型。隨著管道傾角的增加，攪動(dòng)流出現(xiàn)的區(qū)域逐漸增大。

隨著管道傾角的增加，液體出現(xiàn)回流現(xiàn)象，氣體只有通過(guò)增加動(dòng)能才能克服液體的重力向前流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了泡狀流-段塞流-攪動(dòng)流之間的流型轉(zhuǎn)換。實(shí)驗(yàn)所得的流型邊界與Barnea流型邊界對(duì)比發(fā)現(xiàn)，Barnea等[9]提出的泡狀流邊界以及段塞流邊界與實(shí)驗(yàn)條件下所得流型的轉(zhuǎn)換邊界均出現(xiàn)誤差。經(jīng)計(jì)算得出Barnea模型傾角為30°、45°、70°、90°的泡狀流向段塞流流型界限誤差分別高達(dá)27.0%、40.0%、25.0%、43.0%，段塞流向攪動(dòng)流流型轉(zhuǎn)換界限誤差分別為15%、31.3%、5.8%、37.5%。

根據(jù)以上分析，可以得出以下結(jié)論：Barnea等[9]提出的傾斜管中泡狀流向段塞流及段塞流向攪動(dòng)流轉(zhuǎn)化邊界與40 mm管徑實(shí)驗(yàn)條件下的結(jié)果相比誤差較大，流型判別的準(zhǔn)確性較低。為了得到較為精確的流型轉(zhuǎn)換邊界，將主要針對(duì)傾斜管道中泡狀流向段塞流及段塞流向攪動(dòng)流的流型轉(zhuǎn)換邊界進(jìn)行修正，提出了40管徑的流型轉(zhuǎn)化條件。

2.3.3 模型修正

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析，得出實(shí)驗(yàn)條件下40 mm管徑的傾斜管的泡狀流向段塞流和段塞轉(zhuǎn)向攪動(dòng)流轉(zhuǎn)換界限并繪制出修正后的流型圖。

(1)修正后的泡狀流-段塞流轉(zhuǎn)換界限：

(6)

式(6)中:c0為修正系數(shù)，取值0.59。

(2)修正后的段塞流-攪動(dòng)流轉(zhuǎn)換界限：

(7)

式(7)中：C1為修正后的系數(shù)，取值為0.62。

(3)修正后的不同角度的流型圖如圖7所示。

圖7 不同角度的泡狀流-段塞流-攪動(dòng)流邊界修正后的流型圖

從圖7中可以看出，修正后的不同角度泡狀流-段塞流-攪動(dòng)流的流型轉(zhuǎn)換界限誤差值均在減小。

2.3.4 新模型的驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文中提出的新模型的適用性，利用張雪[13]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及Ruhaimani等[17]的數(shù)據(jù)對(duì)新模型進(jìn)行對(duì)比分析。

從圖8中可以看出，新模型與兩位學(xué)者所得流型所在區(qū)域吻合度很高，說(shuō)明新模型在管路傾角為30°、90°通用性較好。但由于數(shù)據(jù)有限僅對(duì)30°的泡狀流-段塞流的轉(zhuǎn)化以及90°泡狀流-段塞流-攪動(dòng)流的流型轉(zhuǎn)化進(jìn)行了驗(yàn)證。45°及70°的流型轉(zhuǎn)化無(wú)法驗(yàn)證，希望學(xué)者們以后可以對(duì)本文的新模型加以驗(yàn)證。

圖8 張雪的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及Ruhaimani流型數(shù)據(jù)與新模型流型圖

表3中通過(guò)對(duì)比經(jīng)典的Barnea模型中泡狀流-段塞流轉(zhuǎn)換邊界和新模型的相對(duì)誤差發(fā)現(xiàn)，新模型的誤差明顯減小。為了證實(shí)新模型的普適性，使用張雪[13]和Ruhaimani等[17]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)新模型進(jìn)行驗(yàn)證，其精度較高，證明新模型具備較好的適用性。

表3 泡狀流-段塞流轉(zhuǎn)換邊界誤差對(duì)比

表4中將Barnea模型中段塞流-攪動(dòng)流轉(zhuǎn)換邊界和新模型對(duì)比發(fā)現(xiàn)，新模型對(duì)攪動(dòng)流界限具有較高的預(yù)測(cè)精度，通過(guò)對(duì)比其他實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，垂直管中攪動(dòng)流的預(yù)測(cè)界限誤差較大，主要是不同的實(shí)驗(yàn)條件導(dǎo)致誤差較大。

表4 段塞流-攪動(dòng)流轉(zhuǎn)換邊界誤差對(duì)比

綜上，本文實(shí)驗(yàn)所得新模型預(yù)測(cè)誤差較小，能夠?yàn)閷?shí)際工程提供指導(dǎo)，滿足工程需要。

2.3.5 不確定度分析

為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可信度，分析了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響因素。造成本次實(shí)驗(yàn)誤差的主要原因有流型識(shí)別以及壓力引起的誤差。流型識(shí)別時(shí)由于不同實(shí)驗(yàn)人員判別方法不同，可能會(huì)引起流型判斷出現(xiàn)差異。為了減小流型判別引起的誤差，每組實(shí)驗(yàn)人員安排同一人判別流型，并在管路系統(tǒng)安裝了分辨率較高的美國(guó)IDT公司的NX4-S1高速攝像機(jī)拍照記錄流型，以便與實(shí)驗(yàn)人員記錄的流型進(jìn)行對(duì)比，減小實(shí)驗(yàn)誤差。

壓力引起的誤差主要是壓力測(cè)量系統(tǒng)誤差，為了減小壓力引起的誤差，采用平均值法計(jì)算壓差。

3 結(jié)論

為了得到40 mm傾斜管流型判別方法，在多相流實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)獲取了170組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析與模型修正得出以下結(jié)論。

(1)在傾角為30°、45°、70°、90°管道中段塞流為主要的流型，角度的改變對(duì)泡狀流影響較小，對(duì)段塞流和攪動(dòng)流的影響較大。隨著管道角度的增加，流型轉(zhuǎn)化需要的氣量增加，流型轉(zhuǎn)換界限均向右移。

(2)隨著角度增加，段塞流液膜區(qū)逐漸變短，回流的液逐漸增加，段塞流轉(zhuǎn)換邊界逐漸向右偏移。

(3)在氣液流速給定的條件下，Barnea模型的泡狀流向段塞流轉(zhuǎn)化邊界誤差大，隨著管道傾角的增加，段塞流向攪動(dòng)流的轉(zhuǎn)化邊界的準(zhǔn)確度逐漸提高。

(4)通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析改進(jìn)了Barnea的泡狀流-段塞流及段塞流-攪動(dòng)流的流型轉(zhuǎn)換邊界，提出了修正后流型轉(zhuǎn)換關(guān)系式，并繪制出新的流型識(shí)別圖，大大提高了流型預(yù)測(cè)的精度。

經(jīng)過(guò)不同來(lái)源的數(shù)據(jù)驗(yàn)證，修正后的流型轉(zhuǎn)換關(guān)系式能夠準(zhǔn)確地識(shí)別流型，期望能夠?qū)⑿拚蟮牧餍蛨D應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，為精確計(jì)算壓降提供重要的理論支撐。