基于實驗研究的水平井氣液兩相流流型判別修正*

牛 朋 馬煥英

(中海油田服務股份有限公司 天津 300459)

1 問題的提出

水平管氣液兩相流中會出現(xiàn)各種流型。目前有2種流型劃分方法，一是按流動外形劃分為氣泡流、氣團流、分層流、波浪流、段塞流、環(huán)狀流、彌散流等流型[1-2]；二是按力學特性分為間歇流(包括氣團流和段塞流)、分離流(包括分層流、波浪流和環(huán)狀流)、分散流(包括氣泡流和彌散流)等流型[3-7]。目前業(yè)內(nèi)使用的Brill流型判別屬于第1種流型劃分方法。

Brill用空氣-煤油、空氣-潤滑油為介質，在管徑38.1 mm的管道內(nèi)進行傾角影響流型的實驗研究。若把流型分得過細，而某些流型事實上僅存在于很狹小的區(qū)域內(nèi)，它們與其他流型的差別并不顯著，亦很難客觀地進行辨別。因此，Brill主張把流型只分為氣團、分層、段塞、環(huán)狀流4種。通過實驗，Brill得出一組以無因次準數(shù)表示的，適用于各種管道傾角的流型分界相關式，流型的判別中，考慮了黏度、密度、表面張力以及傾角對流型的影響[8-10]，其形式如下：

1)θ>0(上傾角)，氣團流—段塞流轉型相關式為

NlwBS=10(lgNgw+0.940+0.074sinθ-0.855sin2θ+0.369 5Nl)

(1)

2)θ=任何值，段塞流—環(huán)狀流間轉型相關式為

(2)

3)θ≤0(水平和下傾角)，氣團流—段塞流轉型相關式為

NgwBS=10(0.431+1.132sinθ-3.003Nl-1.138lgNlwsinθ-0.429lg2Nlwsinθ)

(3)

4)θ≤0(水平和下傾角)，分層流邊界相關式為

NlwST=10(0.321-0.017Ngw-4.267sinθ-2.972Nl-0.033lg2Ngw-3.925sin2θ)

(4)

在流型判別研究中，Mandhane流型圖依據(jù)實驗數(shù)據(jù)制作而出，具有較高參考價值。首先比較Mandhane流型圖與Brill流型圖的差別。低液速情況下，水平常規(guī)管道空氣-水兩相流Brill流型與Mandhane流型的對比如圖1所示。由圖1可以看出，水平常規(guī)管道Brill和Mandhane流型在液相折算速度較高時，環(huán)狀流的分布比較吻合，而分層流(波浪流)的邊界相差比較大，另外氣團流和段塞流的分界差別也很大。

圖1 水平管道空氣-水兩相流Brill流型圖與Mandhane流型圖對比Fig.1 Comparative diagram of horizontal air-water Brill flow pattern and Mandhane flow pattern

小負傾角和正傾角情況下的Brill流型分界如圖2所示。由圖2a可以看出，負傾角對分層流和段塞流的邊界有影響，傾角越大，分層流和段塞流邊界的上移幅度越大；負傾角對段塞流與環(huán)狀流的邊界、分層流與環(huán)狀流的邊界沒影響。由圖2b可以看出，正傾角下Brill流型中沒有做出分層流，只做出了氣團流、段塞流和環(huán)狀流，并且小傾角對流型邊界影響很小。

Brill流型判別實驗未觀察出分層流，采用增加過渡區(qū)內(nèi)插法的方式進行分析，而Mandhane流型圖的實驗研究則以空氣-水為實驗介質，未考慮流體性質改變對流型變化和流型判別的影響，兩者均存在一定局限。兩者比較而言，Brill流型判別考慮了流體物性、管道傾角等對流型的影響，適用性相對更廣，在該流型基礎上模擬接近現(xiàn)場應用條件對其作適當?shù)男拚軡M足室內(nèi)實驗和工程應用的需要。

近年來已有部分學者對Brill流型判別和Mandhane流型圖進行相關修正，但多采用數(shù)值理論計算的方法進行驗證和拓展，如莊志環(huán) 等[11]結合判別方法，通過結果中不同權重的變化描述兩相流流型轉換，韓煒[12]則采用n次Lagrange插值多項式和經(jīng)驗公式相結合的方法進行流型劃分和流型轉變的判斷，上述研究均缺少面向實際生產(chǎn)條件的實驗數(shù)據(jù)支撐。筆者以海上油田典型代表性油品為目標流體，增加模擬現(xiàn)場生產(chǎn)時的徑向注入條件，實驗數(shù)據(jù)的整理和分析成果更貼近現(xiàn)場實際應用。

圖2 Brill流型判別分界圖Fig.2 Brill flow pattern discriminant type flow pattern boundary

2 實驗裝置

本文實驗在中國石油大學(北京)的多相流實驗裝置上進行，該裝置由桁架系統(tǒng)、環(huán)道測試系統(tǒng)、氣液供應系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)等組成。實驗系統(tǒng)流程如圖3所示，具體裝置如下：

1)實驗段的布置。將實驗段分成上坡段和下坡段，兩部分安裝在可變角度的桁架上。每部分實驗段長度為4 m。

2)篩管徑向注入系統(tǒng)。徑向注入泵，并配有調節(jié)閥調節(jié)流量，在與實驗段平行的位置安裝注入管，以多點方式向套管注入流體。

3)油相混入裝置。設定進入管道的液相是油水的均勻混合物，實驗液體循環(huán)流動，但油水的比例是可以控制和改變的。將水罐的高位出口設定為出油口、低位出口設定為出水口，在出油管道上安裝流量計和節(jié)流閥，動態(tài)計量并調節(jié)油相流量，混合流量在泵出口管道上計量。

圖3 多相流實驗模擬系統(tǒng)Fig.3 Experimental system of multiphase flow

4)觀察分析。實驗環(huán)道的主體部分是不銹鋼管道，其中有4.0 m長的測試管段和1.0 m長透明有機玻璃管段，用于可視觀察、攝影和攝像。實驗中，采用直接觀察、數(shù)碼照相機、數(shù)碼攝像機和多相流相分析儀采集相分布特征，進而進行流型判別及修正的相關研究工作。

5)模擬用油。以盡可能接近現(xiàn)場流體性質為前提，本實驗原油樣本分別采集于南海潿洲某油田和渤海綏中某油田，在實驗室內(nèi)配置與樣品原油相近的模擬油進行實驗，模擬油配置上達到在黏度上接近、性質穩(wěn)定不能出現(xiàn)分層、乳化特性近似。

6)實驗條件設置。本實驗管道總長度為16 m，較Brill實驗所用管道長度15 m長1 m，更利于流型變化的實驗觀察；實驗角度選取方面，為更貼近水平井實際生產(chǎn)狀態(tài)，本文實驗選取0°、±0.2°、±0.5°和±1°等7個傾斜角度，而Brill實驗角度跨度較大，對水平角度下流型變化及表述不夠細致；實驗管徑上，為更貼近海上油田常用實際生產(chǎn)管柱，本文實驗選用與現(xiàn)場實際篩管近似的57 mm管徑進行實驗，而Brill實驗則采用38 mm和25 mm的小管徑?？偟膩碚f，本實驗模擬實驗管道更接近現(xiàn)場實際生產(chǎn)條件。

3 常規(guī)管道Brill流型判別修正

3.1 典型流型實驗觀察與描述

實驗中觀測到的流型主要有分層流、氣團流、段塞流和環(huán)狀流等4種流型，如圖4所示。

1)分層流。其主要特征為：在氣、液兩相分層流動中，液體沿著管道底部流動，氣體在液體上面流動(圖4a)。隨著氣相加入比例的改變，分層流逐漸向波浪流過渡。

2)氣團流。其主要特征為：氣體會以氣團的形式跟隨液體進行流動，受浮力的影響，氣團集中在上管壁，緊貼上管壁滑行(圖4b)。

3)段塞流。其主要特征表現(xiàn)為：液塞過后液體流速由快變慢，液塞過后在管頂部形成的液膜很薄并很快消失(圖4c)。

4)環(huán)狀流。其主要特征為：管道內(nèi)形成了完整的液環(huán)，而且沒有段塞或擬段塞。由于重力的作用，水平管里環(huán)狀流的液環(huán)分布并不均勻(圖4d)。

圖4 實驗觀測流型Fig.4 Experimental observation flow pattern

3.2 水平及負傾角下常規(guī)管道Brill流型判別修正

常規(guī)空氣-水兩相流水平管道的實驗流型圖與Brill流型圖對比如圖5所示。由圖5可以看出：

1)在Brill流型中環(huán)狀流隨著液量的增多，更容易形成環(huán)狀流；本文實驗結果和Mandhane流型圖的分布規(guī)律比較相近，大液量和小液量都不容易形成環(huán)狀流。同時，實驗中觀察到當液相折算速度小于0.06 m/s時，只在管道底部有一層液體，氣體速度較大時氣液界面形成很小的波浪，液面波動劇烈，但是由于液量少，難以形成環(huán)狀流；當液相折算速度大于0.4 m/s時，液體連成液塞，易形成段塞流。

圖5 水平管道空氣-水兩相流實驗數(shù)據(jù)與Brill流型分布圖對比Fig.5 Comparison of experimental data and Brill flow pattern of horizontal air-water two phase pipeline

2)Brill流型分布圖上分層流的區(qū)域相比實驗流型分布向上、向左偏移。在實驗中，當液相折算速度大于0.1 m/s時易形成氣團流和段塞流，當液相折算速度小于0.1 m/s、氣速較大時，易形成分層流(波浪流)。

3)在實驗中沒有做出分散氣團流，原因是實驗條件達不到分散氣團流形成所需的高液速。實驗僅在液相折算速度相對較大(>0.3 m/s)、氣相折算速度相對較小(<1.5 m/s)范圍內(nèi)做出了氣團流。

綜合以上分析，可以通過對Brill流型的判別式進行適當修正，使之能夠較準確地對實驗流型進行判別。修正時不僅考慮分層流的邊界以及段塞流與環(huán)狀流之間的界限，也要考慮Brill流型識別中沒有考慮到的氣團流與段塞流之間的轉換條件。

修正的Brill流型判別公式是在原Brill判別公式的基礎上得到的。對實驗所得的數(shù)據(jù)進行分析，得出一系列流型間轉變的分界點，將分界點(Vsg,Vsl)的數(shù)值換算成與Brill流型判別式中相一致的準數(shù)(Ngw,Nlw)，比較換算得到的準數(shù)(Ngw,Nlw)與原Brill流型分界線上對應的準數(shù)(Ngw,Nlw)的差值，即如果Brill流型分界相關式的變量是Nlw，就比較兩者的Ngw，反之亦然。將這些差值擬合成函數(shù)關系，即為增加的項。通過以上分析方法，得到修正的Brill流型分界相關式如下。

1)段塞流—環(huán)狀流轉型相關式為

(5)

2)分層流邊界相關式為

NlwST=

(6)

3)氣團流—段塞流轉型相關式為

NgwpS=

(7)

式(7)中：NgwpS為氣段塞流邊界液相折算速度準數(shù)。

水平和-1.0°傾角管道空氣-水兩相流實驗的Brill流型分界相關式修正前后的判別結果和實驗結果如圖6所示。

圖6 水平和-1.0°傾角常規(guī)管道空氣-水兩相流Brill修正相關式與實驗結果對比Fig.6 Comparison of corrected Brill correlation results and experimental results of air-water conventional pipeline at 0° and -1.0 °

為了驗證修正后的Brill分界相關式的正確性，對比分析了空氣-煤油兩相流在水平和不同微小負傾角下的流型實驗結果和 Brill修正分界相關式判別結果，結果見表1。

由圖6和表1可知，修正后的Brill流型分界相關式的流型判別結果與實驗結果吻合得很好，實驗結果和修正Brill相關式的判別結果偏差很小。

表1 0°、-0.2°、-0.5°和-1.0°常規(guī)管道空氣-煤油兩相流實驗結果與Brill修正結果對比Table 1 Comparison between experimental results and corrected Brill results of air and kerosene two-phase flow at 0°，-0.2°，-0.5°and -1.0°

注：表中相對誤差取絕對值，余同。

3.3 正傾角常規(guī)管道Brill流型修正

1.0°傾角管道空氣-水兩相流實驗流型和Brill流型判別結果的對比如圖7所示。由圖7可知，1.0°傾角管道的實驗流型圖和Brill相關式修正前的分界結果有很大的差別，而且正傾角時Brill流型判別式只能識別3種流型，即氣團流、段塞流和環(huán)狀流，沒有分層流，而在實驗中做出了分層流(主要是分層波浪流)，這也為許多文獻所證實[12]。同時，在實驗過程中發(fā)現(xiàn)氣團流出現(xiàn)的幾率較小，并且有時很難區(qū)分氣團流和段塞流，再加上實驗室條件下做不出氣團流，因此在向上傾斜的常規(guī)管道中把氣團流和段塞流合并為段塞流。結合實驗數(shù)據(jù)，利用上述分析處理方法，得到修正的適合于正傾角管道的Brill的相關式為

1)分層流的邊界條件為

NlwST=

10(-2.323 8-0.017Ngw-4.267sinθ-2.972Nl-0.033lg2Ngw-3.925sin2θ+0.830 7lgNgw)

(8)

2)段塞流—環(huán)狀流間轉型相關式為

(9)

利用修正后的Brill相關式對1.0°傾角管道空氣-水兩相流流型實驗結果進行判別，結果如圖8所示，可以看出實驗結果跟修正后Brill流型判別較為吻合。

0.2°、0.5°和1.0°傾角常規(guī)管道空氣-煤油兩相流流型實驗結果和修正Brill分界相關式的判別結果見表2，可以看出，在管道微小正傾角的情況下修正后的Brill相關式的流型判別結果與實驗數(shù)據(jù)較為吻合。

圖7 1.0°傾角管道空氣-水兩相流Brill流型分布與實驗結果的對比圖Fig.7 Comparison of Brill flow pattern distribution and experimental results of air-water two phase flow at 1.0°

圖8 1.0°空氣-水常規(guī)管道的修正Brill相關式結果與實驗結果對比圖Fig.8 Comparison of corrected Brill results and experimental results of air-water two-phase flow at 1.0 °

表2 0.2°、0.5°和1.0°傾角管道空氣-煤油兩相流實驗結果與修正Brill結果比較Table 2 Comparison of experimental results and corrected Brill results of air-kerosene two-phase flow at 0.2°，0.5° and 1.0°

3.4 考慮管徑影響的Brill流型判別修正

Brill氣液兩相流流型判別準數(shù)中，分別考慮了液體密度、黏度、氣液間表面張力對流型判別的影響，但是沒有考慮管徑變化對氣液兩相流動流型的影響。Brill的流型判別式是在管徑為38.1 mm的管道中，對空氣-煤油、空氣-潤滑油進行實驗的基礎上得到的。但在實際應用中，大部分管道的管徑與Brill實驗所用的管徑不同，所以有必要考慮管徑變化對流型邊界的影響。

Brill總結的有關氣液兩相流動流型判別式中，分別引用了3個無因次量，即液相折算速度準數(shù)Nlw、氣相折算速度準數(shù)Ngw和液相性質準數(shù)Nl。為了考察管徑變化對流型的影響，把管道直徑準數(shù)ND引入到Brill流型分界相關式中，以此考慮管徑變化對流型的影響。本文在實驗結果分析的基礎上，在保持原修正Brill流型相關式中其他項不變的情況下，把常數(shù)項拆分為2項，其中1項表示管徑的影響，管徑影響項的系數(shù)和指數(shù)通過試算得到。這樣，得到的帶有管徑影響項的修正Brill流型分界相關式如下。

1)θ取任何值，段塞流—環(huán)狀流間轉型相關式為

(10)

2)θ≤0(水平和下傾角)，分層流邊界相關式為

NlwST=

(11)

3)θ≤0(水平和下傾角)，氣團流-段塞流轉型相關式為

NgwpS=

(12)

4)θ>0(上傾角)，分層流的邊界條件

NlwST=

(13)

4 變質量管流流型判別修正

采用圖3中篩管模擬段加入的質量流量計和多個徑向注入閥來模擬變質量流。由于實驗條件限制，在篩管實驗段水平和負傾角時，徑向注入段后觀察到的流型包括分層流、氣團流、段塞流和環(huán)狀流，而在上傾角時徑向注入段后的流型只有段塞流和環(huán)狀流，而沒有分層流和氣團流。通過實驗數(shù)據(jù)分析，利用Brill處理數(shù)據(jù)的方法，得到修正的流型分界相關式如下。

1)θ=任何值，段塞流—環(huán)狀流轉型相關式

(14)

2)θ≤0(水平和下傾角)，分層流邊界關系式

(15)

3)θ≤0(水平和下傾角)，氣團流—段塞流轉型相關式

NgwpS=

(16)

式(14)～(16)中：Vin為單位長度上的表觀徑向注入折算速度，1/s；l為徑向注入段的長度，m。

利用空氣-煤油兩相流在不同條件下的篩管流型實驗結果，驗證考慮徑向注入影響的修正Brill分界相關式的正確性，部分實驗結果和修正Brill分界相關式的判別結果的對比見表3。由表3可知，考慮徑向注入的修正Brill流型相關式的計算結果與實驗結果吻合較好，其中分層流、段塞流和氣團流的流型識別在10%左右，而環(huán)狀流的識別誤差較大，這主要是因為實驗條件的限制，取得的實驗數(shù)據(jù)較少所致。

表3 不同傾角、注入速度條件下空氣-煤油兩相流篩管實驗結果和修正Brill結果對比Table 3 Comparison between experimental results and corrected Brill results of air-kerosene two-phase flow under different angles and velocities

5 結論

本文通過大量的實驗數(shù)據(jù)對Brill氣液兩相流流型判別方法進行的修正，是對經(jīng)典Brill判別法的驗證和擴展，修正后的流型判別法為海上水平井氣液兩相流流型的判別和解釋提供了有力支撐，具有較高的工程實踐價值。