高慶華 （陜西延長石油 （集團）有限責任公司研究院，陜西 西安 710075）

李天太 （西安石油大學石油與天然氣工程學院，陜西 西安 710065）

趙亞杰 （陜西延長石油 （集團）有限責任公司研究院，陜西 西安 710075）

李明 （中石油塔里木油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆 克拉瑪依 841000）

孫潔 （陜西延長石油 （集團）有限責任公司碳氫高效利用技術研究中心，陜西 西安 710075）

兩相流動特性的參數(shù)一般有12個：每一相的體積流量、系統(tǒng)壓力、加熱熱流密度、每一相的密度和粘度、相界面的表面張力、流道的幾何形狀、大小和方位、流動方向、流體入口狀態(tài)和進入流道的方式等。由于流動條件變化的多樣性和研究角度的多樣性，對流型的各種定義建立在主觀觀察的結果上，并且還是根據(jù)流動的形態(tài)特點來劃分流型，因此不同的研究者對流型的定義和劃分差異很大，對流型判別只能定性判斷，還沒有公認的定量判斷方法［1－6］。為此，筆者在理論模型研究的基礎上，根據(jù)雷諾相似原理，設計進行了井筒兩相流室內模擬試驗。

1 試驗裝置

試驗的實施依托西安交通大學動力工程多相流實驗室油氣水實驗臺，試驗裝置系統(tǒng)如圖1所示。整個裝置主要是由循環(huán)水系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、試驗管路以及計算機采集系統(tǒng)4個部分組成。

試驗管段由透明的有機玻璃管制成的，便于對試驗現(xiàn)象進行可視化觀察，總長5m，測量管段長4m，管段內徑40mm。在距管入口0.5m和4.5m處設置2個測壓點，這2個測壓點間的流動可認為已進入流動穩(wěn)定段，在第一測壓點處用壓力傳感器測試驗管內系統(tǒng)壓力，在2個測點之間裝差壓傳感器測2點之間壓降。

圖1 試驗裝置系統(tǒng)流程簡圖

2 試驗方案設計

試驗依據(jù)雷諾相似原理進行設計，即外部條件幾何相似時 （幾何相似的管子，流體流過幾何相似的物體等），若雷諾數(shù)相等，則流體流動狀態(tài)也是幾何相似的 （流體動力學相似）［4－6］。

試驗方法如下：常壓條件下的氣液兩相流試驗基本上都是在指定的試驗條件下，保持氣流量不變逐步增加水流量或保持水流量不變逐步增加氣流量下進行的。在進行試驗的過程中，采用2種方法結合使用。通過計算機采集氣體流量、流速、頂?shù)讐毫Φ仍囼灁?shù)據(jù)。

流態(tài)觀察時，要先計算氣液比，即試驗裝置測量范圍內各液體流量對應的氣體流量。試驗前先取數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)零點，試驗時將液體流量調到穩(wěn)定值，然后調節(jié)氣體流量到計算值，待3～5min后管段中流態(tài)穩(wěn)定，采集所需的試驗數(shù)據(jù)。

3 垂直管的流型

根據(jù)試驗觀察結合前人對流型的定義把垂直向上兩相流型分為：泡狀流、彈狀流、攪拌流、環(huán)狀流和霧狀流。

由前面模型判別可知，出現(xiàn)的流態(tài)有彈狀流、攪拌流、環(huán)狀流和霧狀流。試驗中觀察到泡狀流向彈狀流轉換，彈狀流向攪拌流轉換，攪拌流向環(huán)狀流的轉換，環(huán)狀流轉換形成霧狀流后穩(wěn)定下來。

4 兩相流流動特性

4.1 兩相流流動穩(wěn)定性

在兩相流動系統(tǒng)中，各種流型的流動穩(wěn)定性不同，環(huán)狀流、霧狀流一般能達到很好的穩(wěn)定狀態(tài)，即使在開始階段由于流型過渡會有小段的不穩(wěn)定情況，也會很快恢復并達到穩(wěn)定流動 （見圖2～圖5）；彈狀流的流體流動是氣柱、液柱交替運動狀態(tài)，在流動慣性和其他反饋效應作用下，產(chǎn)生了流動振蕩而不能穩(wěn)定流動 （見圖6、圖7）。而攪拌流是彈狀流向環(huán)狀流的過渡流型，由流量和管底壓力變化 （見圖8、圖9）可知，流量和管底壓力具有強烈的波動性，但整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 環(huán)狀流氣流量變化情況

圖3 環(huán)狀流管底壓力變化情況

圖4 霧狀流氣流量變化情況

圖5 霧狀流管底壓力變化情況

圖6 彈狀流氣流量變化情況

圖7 彈狀流管底壓力變化情況

圖8 攪拌流氣流量變化情況

圖9 攪拌流管底壓力變化情況

4.2 流型的壓降波動特征

從試驗條件出發(fā)，根據(jù)壓降波動實時采集情況，觀察到壓降波動與流型轉變有一定的聯(lián)系，在不同液相折算流速下，根據(jù)壓降梯度和氣相表觀速度繪圖 （見圖10），根據(jù)圖中曲線的變化趨勢劃分流型，將不同曲線組分為彈狀流區(qū)、攪拌流區(qū)、環(huán)狀流區(qū)和霧狀流區(qū)。

從曲線變化可以看出：①對于彈狀流，水流量一定時，隨著氣流量的增加，壓降逐漸降低。對于同一氣流量下，壓降隨水流量增加而增加。彈狀流區(qū)壓降變化曲線斜率為負值。②曲線變化轉折點定義為流型轉換區(qū)：攪拌流－環(huán)狀流，環(huán)狀流－霧狀流。③霧狀流區(qū)壓降隨著氣流量增加而增加，曲線的斜率為正值。

圖10 壓降波動特征圖

5 垂直管流型圖

根據(jù)試驗測得數(shù)據(jù)計算兩相混合物雷諾數(shù)Re氣、液和氣液相表觀速度比Vsg／Vsl繪制成用氣、液混合物流速計算雷諾數(shù)的垂直管流型圖 （見圖11）和垂直管流型圖的彈狀流、攪拌流區(qū)的局部放大圖 （見圖12），流型圖大致分為4個區(qū)域：彈狀流區(qū)、攪拌流區(qū)、環(huán)狀流區(qū)和霧狀流區(qū)，同時又給出各主要流型間的轉換邊界：彈狀流－攪拌流、攪拌流－環(huán)狀流和環(huán)狀流－霧狀流。

圖11 垂直管流型圖 （全圖）

圖12 垂直管流型圖 （彈狀流、攪拌流區(qū)）

由井筒流態(tài)分布規(guī)律、流態(tài)試驗研究可知：井筒中無穩(wěn)定的泡狀流動區(qū)域，因此流型圖中未繪制泡狀流區(qū)。

根據(jù)氣井流壓測試資料可以計算出井筒對應深度的雷諾數(shù)Re氣、液和氣液相表觀速度比 ，應用試驗流型圖版對井筒流態(tài)進行了判識并與Zhmx、修正的Hasan－Kabir模型判別結果進行了比較，流型過渡區(qū)判識結果稍有不同，整體上基本一致。

6 結論

1）兩相流室內試驗可以觀察到的流型為泡狀流、彈狀流、攪拌流、環(huán)狀流和霧狀流?？梢杂^察到的明顯流態(tài)轉變?yōu)榕轄盍鳎瓘棤盍?、彈狀流－攪拌流、攪拌流－環(huán)狀流。

2）由對不同流動型態(tài)的穩(wěn)定性分析可知，環(huán)狀流和霧狀流具有較好的穩(wěn)定性，而彈狀流和攪拌流的穩(wěn)定性相對較差。在氣液比大于4000∶1時，管段流型為環(huán)狀流或霧狀流，流動具有較好的穩(wěn)定性。

3）由壓降波動特征曲線變化可以看出，對于彈狀流，水流量一定時，隨著氣流量的增加，壓降逐漸降低。對于同一氣流量下，壓降隨水流量增加而增加。彈狀流區(qū)壓降變化曲線斜率為負值；曲線變化轉折點定義為流型轉換區(qū)：攪拌流－環(huán)狀流，環(huán)狀流－霧狀流。霧狀流區(qū)壓降隨著氣流量增加而增加，曲線的斜率為正值。

4）由試驗流型圖對井筒流態(tài)的判別結果與修正的Hasan－Kabir和Zhmx模型對井筒流態(tài)的判別結果對比分析可知，2種模型對井筒流態(tài)的判別結果基本一致。而且2種模型對井筒壓力預測結果的誤差較小，符合工程計算要求，說明2種模型對井筒流態(tài)的判別較準確。

［1］Beggs H D，Brill J P.A Study of Two Phase Flow in Inclined Pipes ［J］.J Pet Tech，1973 （5）：607－617.

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［5］高慶華，李天太 .高氣液比垂直兩相管流流型判別研究 ［J］.石油化工應用，2009（1）：19－21.

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