楊矞琦，郭繼香，王 翔，王詩(shī)棋，劉小雨，吳 楊，朱博圓，楊小輝，王育杉

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室克拉瑪依分室，新疆克拉瑪依 834000；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院，北京 102249；3.中國(guó)石油化工股份有限公司西北油田分公司，新疆巴音郭楞蒙古自治州 841600)

重油冷采主要采用降黏劑，使用水溶性好的表面活性劑配制成一定濃度的水溶液，添加到重油中，形成O/W型乳狀液?；瘜W(xué)降黏劑室內(nèi)降黏效果與實(shí)際井筒降黏效果差距較大，根本原因是對(duì)加入表面活性劑后復(fù)雜流體井筒舉升流動(dòng)規(guī)律認(rèn)識(shí)不清[1-3]。在垂直上升的液-液流動(dòng)中，觀察到的流動(dòng)型態(tài)一般可分為6種主要類(lèi)型，即分散流、泡沫流、段塞流、彈狀流、中心環(huán)狀流和擾動(dòng)流[4-8]。一般認(rèn)為，影響油水兩相流型的因素很多，包括流體性質(zhì)(如密度、黏度、表面或界面張力、相互溶解度等)、管道性質(zhì)(如幾何形狀、尺寸和管道方向)以及工況(如溫度、壓力、流向、流量、流量比等)。目前對(duì)于油水兩相流動(dòng)型態(tài)的影響規(guī)律研究普遍采用油水界面張力在20～34 mN/m，形成的油-水多相流的分類(lèi)、流型圖、流型轉(zhuǎn)變機(jī)制等建立在物性簡(jiǎn)單、密度較低的油相基礎(chǔ)上[9-13]。筆者采用自主研發(fā)的垂直管流裝置，實(shí)驗(yàn)研究加入表面活性劑對(duì)重油水兩相垂直管流流動(dòng)型態(tài)的影響機(jī)制，油水界面張力小于1 mN/m，建立加入表面活性劑條件下重油水流動(dòng)型態(tài)圖版，分析油水乳狀液在垂直管流過(guò)程中的形成規(guī)律，推導(dǎo)流型轉(zhuǎn)變界限方程。

1 材料及儀器

材料:油相為透明環(huán)烷油(30 ℃時(shí)黏度為581 mPa·s，密度為1.889 g/cm3)，一種主要由環(huán)烷烴組成的石油組分，包括環(huán)戊烷、環(huán)己烷及其同系物，以及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.894%的氯，濟(jì)南丹龍化工有限公司；原油樣品，塔河油田；水相為自來(lái)水(密度為1.03 g/cm3)；亞甲基藍(lán)，北京博恩試劑有限公司；曲拉通-100表面活性劑，北京博恩試劑有限公司；SDG-2水溶性復(fù)合降黏劑，實(shí)驗(yàn)室自制[14]。

儀器:E5637-C型界面張力計(jì)，法國(guó)桑切斯技術(shù)；垂直管流裝置(實(shí)驗(yàn)室自制)，海安石油科研儀器有限公司[15]。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 界面張力(IFT)的測(cè)定

采用懸滴法，將裝有油樣的樣品池放置在油浴內(nèi)，油浴鍋內(nèi)硅油的界面低于樣品池中油樣的界面，以便能夠通過(guò)攝像技術(shù)觀察到水滴的界面形變，通過(guò)界面張力計(jì)測(cè)定油/水界面張力。油/水界面張力測(cè)定的溫度為30 ℃，每次測(cè)量時(shí)間為3 h，直到界面張力穩(wěn)定，測(cè)量至少重復(fù)3次。

2.2 流型觀測(cè)實(shí)驗(yàn)條件與步驟

在長(zhǎng)2.00 m、內(nèi)徑0.01 m的不銹鋼管內(nèi)進(jìn)行油水兩相垂直向上流動(dòng)測(cè)量，管長(zhǎng)、直徑比(L/D)為100，垂直管流裝置流程圖如圖1所示。Bergman等[16]提出完全發(fā)展的流動(dòng)是指由于流體顆粒和管壁之間的剪切應(yīng)力引起的黏性效應(yīng)，當(dāng)流體穿過(guò)一定長(zhǎng)度(定義為進(jìn)水特征長(zhǎng)度)的直管時(shí)，流體產(chǎn)生完全發(fā)展的速度分布。因?yàn)楸疚闹性谡麄€(gè)實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi)油和水都處于層流狀態(tài)。在層流的情況下，進(jìn)水特征長(zhǎng)度[17]計(jì)算公式為

Lh/D=0.05Re.

(1)

式中,Lh為進(jìn)水特征長(zhǎng)度,m；Re為雷諾數(shù);D為管道的直徑，m。

計(jì)算得到的對(duì)應(yīng)于水和油雷諾數(shù)最大值的Lh/D分別為0.143和75，均低于實(shí)驗(yàn)的L/D值200，說(shuō)明在本文中操作條件下，可以達(dá)到完全發(fā)展流動(dòng)。

圖1 垂直管流裝置流程Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

實(shí)驗(yàn)步驟：將油通過(guò)注入泵A泵入循環(huán)泵中，將循環(huán)泵中的油通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)活塞移動(dòng)以一定的流速注入垂直管道，同時(shí)利用注入泵B將容器B中的表面活性劑水溶液通過(guò)注入點(diǎn)泵入垂直管道中的上升油流中，注水管段直徑0.003 m，位于垂直上升管的底部，注入點(diǎn)的幾何形狀見(jiàn)圖2。

當(dāng)循環(huán)泵中的活塞從一側(cè)移動(dòng)到另一側(cè)時(shí)，一組實(shí)驗(yàn)過(guò)程結(jié)束。入口持水率Yw由0至90%可計(jì)算如下:

Yw=Qw/(Qw+Qo).

(2)

式中,Qw和Qo分別為水和油的流量，m3/s。

圖2 將水注入主要測(cè)試管段的注入點(diǎn)Fig.2 Injection point for water into oil in the main test loop

油、水流量測(cè)定及實(shí)驗(yàn)條件：在固定的入口持水率、溫度和壓力條件下，當(dāng)流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，通過(guò)高速攝像和電導(dǎo)探針技術(shù)對(duì)流動(dòng)型態(tài)進(jìn)行觀察和記錄，每個(gè)流動(dòng)條件持續(xù)10 min。

3 結(jié)果分析

3.1 持水率對(duì)流動(dòng)型態(tài)的影響

根據(jù)實(shí)際井筒乳化降黏開(kāi)采過(guò)程中，向原油中加入乳化降黏劑后，油水界面張力一般小于1 mN/m，這樣有利于水包油乳狀液的形成，達(dá)到降黏減阻的目的。為考察油水界面張力小于1 mN/m時(shí)的重油油水兩相流動(dòng)規(guī)律，配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的曲拉通-100表面活性劑水溶液，使油水界面張力為0.752 mN/m，固定流速0.03 m/s，控制持水率為10%～80%，常溫常壓下，觀察加入表面活性劑對(duì)不同持水率油水兩相在垂直管道中流動(dòng)型態(tài)的影響，并與不加表面活性劑的油水兩相流動(dòng)特征進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖3、4。

圖3 加表面活性劑流速為0.03 m/s不同持水率下油水兩相流動(dòng)型態(tài)Fig.3 Flow pattern of oil-water two-phase flow at a flow rate of 0.03 m/s with surfactant

圖4 不加表面活性劑速度為0.03 m/s時(shí)油水兩相流動(dòng)型態(tài)Fig.4 Oil-water two-phase flow patterns at a velocity of 0.03 m/s without surfactant

從圖3、4看出，環(huán)烷油在可視釜中表現(xiàn)為淡黃色，亞甲基藍(lán)染色的水呈深藍(lán)色，水與環(huán)烷油主流從注入點(diǎn)(底部)流入，可視釜(頂部)流出。當(dāng)持水率從10%逐漸增加到80%的過(guò)程中，主要觀察到8種流動(dòng)型態(tài)，分別為油包水分散流(DW/O)、油包水泡狀流(BW/O)、油包水彈狀流(SW/O)、油包水蠕狀流(CEW/O)、環(huán)狀流(AF)、擾動(dòng)流(Churn)、水包油泡狀流(BO/W)和水包油分散流(DO/W)。其中加入表面活性劑后的擾動(dòng)流(Churn Flow)(圖3)與常規(guī)油水兩相流動(dòng)的擾動(dòng)流[18](圖4)相差較大，表現(xiàn)為水相穿過(guò)油相呈帶狀分布并在延伸方向上波動(dòng)的剪切流型。出現(xiàn)該流型的原因是在油水界面張力非常小的情況下，局部持水率急劇增多使水相紊流程度加劇，環(huán)狀流無(wú)法繼續(xù)維持而發(fā)生徑向波動(dòng)，導(dǎo)致流動(dòng)型態(tài)呈卷曲條帶狀。加入表面活性劑溶液后，油水界面張力急劇降低，水相易與油相形成水膜，表面活性劑水溶液與油相形成泡沫狀，各個(gè)流動(dòng)型態(tài)也不再是傳統(tǒng)油水兩相流動(dòng)型態(tài)，表現(xiàn)為兩種或兩種以上流動(dòng)型態(tài)并存，如持水率10%時(shí)表現(xiàn)為油包水泡狀流和分散流并存，但以泡狀流為主；持水率30%時(shí)，油包水彈狀流和泡狀流并存，彈狀流為主；持水率40%時(shí)，油包水蠕狀流、彈狀流、泡狀流并存，蠕狀流為主。持水率增大到60%時(shí)，水相受油相徑向阻力增大，由于加入表面活性劑水溶液與油相界面張力降低，水相無(wú)法繼續(xù)保持環(huán)狀流，在油相中形成擾動(dòng)流。繼續(xù)增大入口持水率至70%時(shí)，相反轉(zhuǎn)發(fā)生，油為連續(xù)相的流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐运疄檫B續(xù)相的流動(dòng)，出現(xiàn)水包油泡狀流和水包油分散流。當(dāng)入口持水率大于30%運(yùn)行一段時(shí)間后，整個(gè)體系微藍(lán)且透光性變差，說(shuō)明形成了水包油型乳狀液。而不加表面活性劑的情況下，主要以單一流態(tài)為主，環(huán)狀流并未出現(xiàn)，且當(dāng)持水率增大至80%時(shí)，仍然為油包水流動(dòng)，相轉(zhuǎn)換未發(fā)生，這與不加表活劑差別較大，說(shuō)明加入表活劑后油水界面張力降低，使油水界面更易被拉長(zhǎng)變形，且油水界面更易破碎，有利于油水相轉(zhuǎn)換的發(fā)生。

3.2 流速對(duì)加劑后油水兩相流動(dòng)型態(tài)的影響

實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)油井產(chǎn)量忽高忽低，地層周期性出水的現(xiàn)象，持水率大小影響油水兩相流動(dòng)型態(tài)與乳狀液形成過(guò)程，流速大小影響油水混合物在垂直井筒中流動(dòng)摩阻與O/W乳狀液形成快慢，對(duì)于重油而言，持水率越大、流速越快，原油與水更易形成水包油乳狀液，能更快起到減阻效果。因此，研究不同流速下，不同含水范圍加入降黏劑后油水兩相垂直管流流態(tài)特征對(duì)實(shí)際降黏生產(chǎn)指導(dǎo)具有重要意義。

在常溫常壓下，配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的曲拉通-100表面活性劑水溶液，改變持水率10%～70%，考察流速分別為0.03、0.06、0.09、0.15 m/s時(shí)油水兩相流動(dòng)型態(tài)特征，結(jié)果見(jiàn)圖5～7。

圖5 流速為0.06 m/s時(shí)油水兩相流動(dòng)型態(tài)Fig.5 Oil-water two-phase flow pattern at velocity of 0.06 m/s

圖6 流速為0.09 m/s時(shí)油水兩相流動(dòng)型態(tài)Fig.6 Oil-water two-phase flow pattern at velocity of 0.09 m/s

圖7 流速為0.15 m/s時(shí)油水兩相流動(dòng)型態(tài)Fig.7 Oil-water two-phase flow pattern at velocity of 0.15 m/s

從圖5～7看出:流速為0.06 m/s，持水率為20%～70%時(shí)，出現(xiàn)了泡狀流、彈狀流、環(huán)狀流、擾動(dòng)流；流速為0.09 m/s，持水率為20%、30%時(shí)為泡狀流，持水率為40%時(shí)為彈狀流，持水率為50%時(shí)為環(huán)狀流，大于60%為擾動(dòng)流；流速為0.15 m/s，持水率20%～30%為泡狀流，持水率大于40%為擾動(dòng)流。說(shuō)明流速越高，持水率越大，越易形成擾動(dòng)流，擾動(dòng)流下，長(zhǎng)條環(huán)狀水流被打破分散，使水相與油相混合程度更高，更易形成水包油乳狀液，使原油黏度降低。因此在高產(chǎn)量超稠油降黏開(kāi)采過(guò)程中可適當(dāng)下調(diào)摻入綜合持水率，實(shí)現(xiàn)低成本降黏開(kāi)采。

根據(jù)加入表面活性劑后不同流速、不同持水率下油水兩相垂直管流流態(tài)特征實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立常溫常壓加劑后形成乳狀液之前油水兩相流動(dòng)型態(tài)，結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 加劑條件下油水兩相流動(dòng)型態(tài)Fig.8 Oil-water two-phase flow pattern with surfactant

從圖8看出，混合流速越低，越容易出現(xiàn)彈狀流、蠕狀流等大粒徑水泡流，隨流速增加，彈狀流與蠕狀流范圍逐漸變窄甚至消失，泡狀流、環(huán)狀流和擾動(dòng)流等分散度更高的流動(dòng)型態(tài)所占比例逐漸增加。由于界面張力的極大降低，且水相密度低于油相，油相對(duì)水相的浮力作用使水相的表觀速度大于油相的表觀速度，油水界面處存在相對(duì)速度差，因此在低界面張力下水相更易被拉長(zhǎng)，形成長(zhǎng)條狀的彈狀流、蠕狀流以及環(huán)狀流。油水混合速度越大，水相更易在油相中分散，形成細(xì)小泡狀流和擾動(dòng)流，油包水流動(dòng)更易轉(zhuǎn)變?yōu)樗土鲃?dòng)。

3.3 加劑后垂直管道水包油乳狀液形成規(guī)律

在垂直管流裝置中，控制油相流速0.12 m/s，使油相在管道中循環(huán)流動(dòng)，通過(guò)注入泵將0.5%表面活性劑水溶液注入油流參與循環(huán)，使整個(gè)體系持水率為50%，觀察加入表面活性劑溶液后，在垂直管道中O/W乳狀液的形成過(guò)程見(jiàn)圖9。

從圖9看出，50%持水率的表面活性劑水溶液加入油相中后，先以連續(xù)的擾動(dòng)流流動(dòng)型態(tài)穿過(guò)油相；到2 min時(shí)，連續(xù)的水相逐漸分散、溶解，油珠穿插在連續(xù)的水相中，形成更明顯的攪拌狀流動(dòng)；3 min時(shí)，水相繼續(xù)分散，水相與油相形成油水界面膜，此時(shí)泡狀流出現(xiàn)(水泡放大10倍圖像見(jiàn)圖10(a))；5 min時(shí)，部分水相與油相形成水包油乳狀液，透光性變差，水相與形成的水包油乳狀液以環(huán)狀流的形式在垂直管道中上升流動(dòng)；7 min時(shí)，更多的水包油乳狀液形成，少部分水相分散在水包油乳狀液中；8 min完全形成O/W乳狀液(10倍放大圖見(jiàn)圖10(b))。

圖9 垂直管道加劑條件下O/W乳狀液形成過(guò)程Fig.9 Process of O/W emulsion formation with surfactant at uptake

圖10 形成乳狀液過(guò)程放大圖像Fig.10 Zooming images of emulsion forming process

從圖10看出，泡狀流時(shí)，水相在連續(xù)的油相中形成一個(gè)一個(gè)的水泡，說(shuō)明表面活性劑降低油水表面自由能，使水泡穩(wěn)定且均勻的分散在油相中；形成水包油乳狀液后，小油滴被水包裹，液滴尺寸明顯降低，分散度增加，穩(wěn)定的存在在連續(xù)相中。

3.4 基于電阻探針?lè)y(cè)量原油O/W乳狀液形成規(guī)律

由于實(shí)際原油不可視，可視觀察法難以得到實(shí)際原油油水兩相流動(dòng)型態(tài)，為探索能夠測(cè)量原油油水兩相流動(dòng)型態(tài)的方法，采用4組平行電阻探針，連接電阻率測(cè)量?jī)x，固定溫度50 ℃，在混合流速為0.06 m/s下，模擬油管76 mm管徑中23.68 m3/d流量，通過(guò)電腦實(shí)時(shí)測(cè)量并記錄不同持水率(30%、50%、70%)時(shí)，塔河原油在加入水溶性復(fù)合降黏劑SDG-2的條件下，水包油乳狀液形成過(guò)程中電阻值變化曲線(xiàn)，并分析該曲線(xiàn)所對(duì)應(yīng)油水兩相流動(dòng)型態(tài)，結(jié)果見(jiàn)圖11～13。

從圖11看出，持水率為30%時(shí)，加劑后油水兩相流動(dòng)型態(tài)隨時(shí)間變化規(guī)律為：彈狀流—環(huán)狀流—泡狀流—O/W乳狀液流動(dòng)。彈狀流流型下，降黏劑水溶液以大段塞的形式存在于油相中，間歇式上升，電阻探針信號(hào)變化明顯，呈周期式波動(dòng)；當(dāng)達(dá)到環(huán)狀流型時(shí)，降黏劑水溶液穿過(guò)油相中心，電阻探針信號(hào)波動(dòng)明顯，表現(xiàn)為一段低值波動(dòng)，一段高值波動(dòng)；繼續(xù)循環(huán)運(yùn)行一段時(shí)間，油水兩相流動(dòng)型態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榕轄盍?，電阻探針信?hào)在小幅度范圍內(nèi)振蕩，且振蕩頻率密集，每一個(gè)水泡接觸到探針，都會(huì)使信號(hào)向高頻值波動(dòng)；當(dāng)形成水包油乳狀液后，油滴均勻分散在水相中，水相為連續(xù)相，此時(shí)4組電阻探針顯示的電阻值會(huì)有幾秒鐘的持續(xù)時(shí)間，且保持在高電阻值附近，不同時(shí)域存在電阻值的負(fù)脈沖波動(dòng)，每次的負(fù)脈沖波動(dòng)都說(shuō)明有油滴穿過(guò)探針。從加入降黏劑水溶液到完全形成O/W乳狀液，共用時(shí)900 s。

圖11 30%持水率下形成O/W乳狀液過(guò)程探針信號(hào)Fig.11 Probe signal of O/W emulsion formed at a water holdup of 30%

圖12 50%持水率時(shí)原油與水形成乳狀液過(guò)程探針信號(hào)Fig.12 Probe signal of O/W emulsion formed at a water holdup of 50%

從圖12看出，50%持水率條件下，4組探針信號(hào)顯示整個(gè)體系形成乳狀液過(guò)程為：環(huán)狀流—泡狀流—水包油乳狀液。持水率從30%增大到50%，不存在彈狀流，這是因?yàn)槌炙试龃?，由于降黏劑降低油水界面張力作用，水相更易被油相“拉長(zhǎng)”，成為長(zhǎng)條形而非圓球形，從而形成中心是水相、接近管壁處為油相的水中心環(huán)狀流，流動(dòng)一段時(shí)間后，環(huán)狀流流型逐漸被打破，水相以水滴的形式分散在油相中，形成泡狀流，此時(shí)油水混合程度加大，繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間，整個(gè)體系形成O/W型乳狀液，從加入降黏劑到完全形成乳狀液共用時(shí)540 s。

圖13 70%持水率時(shí)原油與水形成乳狀液探針信號(hào)Fig.13 Probe signal of O/W emulsion formed at a water holdup of 70%

從圖13看出，70%持水率條件下，四組探針信號(hào)顯示加劑后油水兩相流動(dòng)型態(tài)為：擾動(dòng)流—水包油乳狀液。擾動(dòng)流型實(shí)際可看作是泡狀流、蠕狀流、環(huán)狀流的混合流型，因此擾動(dòng)流的探針信號(hào)是泡狀流、蠕狀流、環(huán)狀流探針信號(hào)的集合，表現(xiàn)為高電阻值、低電阻值上下波動(dòng)幅度大，且呈現(xiàn)一定持續(xù)時(shí)間。70%持水率下，由于持水率增大，水相受油相徑向阻力增大，由于加入降黏劑的水溶液與油相界面張力降低，水相無(wú)法繼續(xù)保持環(huán)狀流，轉(zhuǎn)變?yōu)椴▌?dòng)劇烈的擾動(dòng)流，此流型下油水兩相更易形成O/W型乳狀液，整個(gè)過(guò)程共用時(shí)280 s。

從圖11～13看出，基于電阻探針?lè)y(cè)量得到的油水乳狀液形成過(guò)程與透明可視觀察法得到的油水乳狀液形成過(guò)程基本相符，說(shuō)明對(duì)于不可視的原油，采用電阻探針?lè)y(cè)量油水兩相流動(dòng)規(guī)律具有一定可行性，為原油-水兩相流動(dòng)規(guī)律的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方法提供了理論依據(jù)。

3.5 油水兩相流動(dòng)型態(tài)轉(zhuǎn)變界限方程

在油水兩相流動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)油包水流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樗土鲃?dòng)，即相轉(zhuǎn)化發(fā)生，容易導(dǎo)致流體流變特性的突變；同時(shí)，液相與管道壁面的接觸方式及何種液相接觸管壁都會(huì)隨流型的變化而變化，從而對(duì)管道的腐蝕程度造成不同程度的影響，并且在反相點(diǎn)或其附近會(huì)產(chǎn)生動(dòng)量、傳熱傳質(zhì)和壓降的急劇變化。因此，相轉(zhuǎn)換是油水管道設(shè)計(jì)和運(yùn)行中需要考慮的主要因素之一?；谄屏髂Ｐ蚚6,9-10,19]，在運(yùn)動(dòng)波理論的基礎(chǔ)上通過(guò)分析分散相在連續(xù)相中的濃度分布隨持水率的變化關(guān)系，推導(dǎo)出油包水流型向水包油流型轉(zhuǎn)換的邊界方程，該方法已獲得國(guó)內(nèi)外學(xué)者的認(rèn)可。本文中采用數(shù)值劃分流型的方法，考慮到輕油水和摻表面活性劑條件下重油水兩相流動(dòng)在持水率0～100%之間發(fā)生了相轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，對(duì)常溫常壓下這兩種流動(dòng)體系發(fā)生相轉(zhuǎn)換時(shí)的流型轉(zhuǎn)換界限方程進(jìn)行分析。

根據(jù)漂移流模型可得相分布因數(shù)Co與持水率Yw和混合速度um之間的關(guān)系為

uso/Yo=Coum+u∝(1-Yo)N,

(3)

令u∝(1-Yo)N=X，則

uso/Yo=Coum+X.

(4)

式中,uso為油相表觀速度；Yo為持油率；u∝為單一油滴的極限上升速度；um為混合上升速度；Co為相分布因數(shù)；N為與粒徑有關(guān)的指數(shù)。

單一油滴的極限上升速度u∝可通過(guò)式(4)獲得，這樣每次固定一個(gè)Yo值，做相應(yīng)的uso/Yo與um的相關(guān)關(guān)系圖，并對(duì)相關(guān)關(guān)系圖進(jìn)行線(xiàn)性擬合就可得到Co及X，則

N=ln(X/u∝)/lnYo.

(5)

用這種方法可以得到Co與Yo，N與Yo的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并能看出，若要得到每一組Co、N與Yo的相關(guān)關(guān)系，需要在固定持水率Yo的情況下考察uso/Yo與um的相關(guān)關(guān)系。

通過(guò)對(duì)油水兩相流動(dòng)型態(tài)特征及持水率實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，將實(shí)驗(yàn)中獲得的uso、um、u∝、Yo分別代入式(3)和式(4)，進(jìn)行線(xiàn)性回歸后，得到Co及N隨持水率Yw的變化關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)圖14。

圖14 相分布因數(shù)Co指數(shù)N隨持水率Yw的變化Fig.14 Changes of Co and N with Yw

從圖14看出，當(dāng)0.45

摻表面活性劑條件下重油水兩相：

Co=0.747+1.89Yw-6.99Yw2+9.65Yw3-

3.49Yw4.

(6)

N=5.445-16.473Yw+87.539Yw2-156.783Yw3+

93.542Yw4.

(7)

把漂移模型式(3)變形為

um(1-YoCo)=uso+u∝YoYwN.

(8)

再由持水率Yw的定義得

Kw=1-uso/um=YoCo+(u∝YoYwN)/um.

(9)

當(dāng)重油水兩相Yw約為 0.60時(shí)，Co=0.896 8，N=5.14，代入式(9)，設(shè)置初始值并對(duì)方程擬合后，得到油包水流型向過(guò)渡流型轉(zhuǎn)化的邊界方程。

摻表面活性劑條件下重油水兩相：

Kw=0.448+0.014 7um-1×

((ρo-ρw)gσρo-1)1/2(1-(-1+(1+

4Mσ))1/2(2Mσ)-1)1/2.

(10)

式中，ρo和ρw分別為油和水的密度；M為表征流體黏度的無(wú)量綱特性參數(shù)；σ為油水界面張力；g為重力加速度。

式(10)定義了摻表面活性劑重油水兩相流型由水包油向過(guò)渡流型轉(zhuǎn)換的邊界，若給定流體性質(zhì)，則u∝已知，就可以在Yw～um坐標(biāo)系下按式(10)繪出曲線(xiàn)。當(dāng)um趨于無(wú)窮大時(shí)，對(duì)摻表面活性劑下重油水兩相流動(dòng)，Yw的漸近值分別為Kw∝=0.456，Kw∝=0.448。當(dāng)摻表活劑重油水兩相Yw約為0.65時(shí)，流型開(kāi)始向水包油轉(zhuǎn)化，此時(shí)重油水Co=1.371、N=5.65，設(shè)定初始值并對(duì)方程進(jìn)行擬合后得到過(guò)渡流型向水包油流型轉(zhuǎn)化的邊界方程。

摻表面活性劑重油水：

Kw=0.548+0.014 1um-1((ρo-ρw)gσρo-1)1/2(1-

(-1+(1+4Mσ))1/2(2Mσ)-1)1/2.

(11)

當(dāng)um趨于無(wú)窮大時(shí)，Yw的漸近值分別為Kw∝=0.537和0.548。綜合式(10)和式(11)得到垂直上升管中油水兩相流流型轉(zhuǎn)換分界線(xiàn)，將前文通過(guò)觀察到的油水兩相流動(dòng)型態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模型得到的流型對(duì)比，結(jié)果如圖15所示(其中紅線(xiàn)為水包油流型，藍(lán)線(xiàn)為油包水流型)。

圖15 實(shí)驗(yàn)與模擬得到的流型對(duì)比Fig.15 Comparison of experimental and simulated flow patterns

從圖16看出：對(duì)于摻表面活性劑重油水兩相流動(dòng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察到的油包水泡狀流、油包水彈狀流、油包水段塞流幾乎全部都落在了油包水流型界限方程內(nèi)，而水包油分散流、水包油泡狀流、水包油彈狀流和水包油段塞流也基本落在水包油流型界限方程內(nèi)，吻合度達(dá)90%以上。油包水?dāng)?shù)值邊界和水包油數(shù)值邊界中間區(qū)域?yàn)檫^(guò)渡流型，其中擾動(dòng)流(Churn)即為油包水流型向水包油流型轉(zhuǎn)換的過(guò)渡流型。說(shuō)明流型界限方程能夠較好的將本文研究的不同類(lèi)型油水流動(dòng)型態(tài)進(jìn)行劃分。基于該方法可對(duì)其余條件下流型轉(zhuǎn)換邊界進(jìn)行數(shù)值辨識(shí)和劃分。

4 結(jié) 論

(1)加入表面活性劑后，由于油水界面張力的急劇降低，水相在油相中的分散度增加，油水界面更易發(fā)生變形，使油水泡狀流轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)條狀的彈狀流或蠕狀流，油水流動(dòng)型態(tài)往往表現(xiàn)為2種或2種以上流態(tài)共存，如泡狀流和彈狀流、環(huán)狀流和擾動(dòng)流共存。

(2)基于可視觀察和電阻探針?lè)ㄌ骄苛思觿┖笥退闋钜旱男纬梢?guī)律，發(fā)現(xiàn)油水乳化過(guò)程為：大液滴的彈狀流→環(huán)狀流→擾動(dòng)流→泡狀流→油水乳狀液，油水混合流速越大、持水率越高，擾動(dòng)流越易發(fā)生，形成乳狀液所需時(shí)間越短。

(3)根據(jù)漂移流模型，建立了加劑后重油水兩相流動(dòng)持水率預(yù)測(cè)和流動(dòng)型態(tài)轉(zhuǎn)變界限方程。流型界限方程能夠較好地將實(shí)驗(yàn)研究的不同類(lèi)型油水流動(dòng)型態(tài)進(jìn)行劃分，基于該方法可對(duì)其余條件下流型轉(zhuǎn)換邊界進(jìn)行數(shù)值辨識(shí)和劃分。