水平井斜井氣液兩相流型自動判別

張佳沁 劉軍鋒＊ 邢廣俊 史圣哲 王歡歡

（1、油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室（長江大學），湖北 武漢430100 2、長江大學地球物理與石油資源學院，湖北 武漢430100）

同時存在兩種物質狀態(tài)的兩相流在自然界和現(xiàn)代科學技術領域中是極為常見的，例如石油工程中氣水、油水兩相流。石油開發(fā)時，從井底到井口，井筒和地層之間有多個射孔層或生產(chǎn)層進行連通，地層中的油氣水在壓力差的作用下，逐漸流入到井筒內。井筒中常見有油水、氣水、油氣兩相或油氣水三相流。有時，氣水、油氣和油氣水統(tǒng)稱為氣液兩相，油水稱為液液兩相。由于井筒傾斜角度（垂直、傾斜或水平）、幾何尺寸、材質與兩相流物性參數(shù)、流量等因素的影響，兩相流的流動狀態(tài)（即流型）并非始終保持不變，流動狀態(tài)發(fā)生改變使得兩相流的流型隨之轉變。

1 水平井、斜井氣水兩相流典型流型

1.1 水平管氣水典型流型

1987 年，Barnea 用空氣-水在管徑為5.1cm 管道中進行實驗得到流動的流型和過度邊界，將流型分為分層流( SS)、波狀分層流(SW)、環(huán)狀流(A)、變形泡狀流(EB)、段塞流(SL)、沫狀流(CH)和分散泡狀流（DB）等，最終模型結果與實驗數(shù)據(jù)比較良好。

1.2 斜井氣水典型流型

Brill 用空氣-煤油、空氣-潤滑油在管徑為38.1mm 的管徑中進行角度對流型轉變實驗，得到以無因次準數(shù)表達的氣液兩相流的流型判別式。由于在小管徑中流型劃分較多差異較少不易區(qū)分，Brill 將流型劃分為氣團流、段塞流、環(huán)狀流和分層流這四類。

2 水平井、斜井油水兩相流典型流型

2.1 水平井油水兩相典型流型

1958 年，Russell 在水-礦物油的實驗中，觀察到了分散流、分層流和混合流這三種流型。1989 年，Arirachakaran 在直徑為25.1mm 的管道實驗中，觀察到了分層流、混合流、環(huán)狀流、間歇流和分散流這五種流型。1996 年，Trallero 在水-礦物油兩相流實驗中，加上對之前流型劃分的總結，將水平井油水兩相流分為六種流型，分別為分層流（ST）、界面混合分層流（ST&MI）、油包水-水包油（DW/O&DO/W）、油包水（O/W）、水包油－水(DO/W&W)、水包油(W/O)，該劃分在學術上被廣為認同。

2.2 斜井油水兩相典型流型

1999 年，F(xiàn)lores 在直徑為5.08cm 傾斜管道內進行油水兩相流實驗，將油水兩相流分為幾種流型，分別為段塞水包油（DO/WPS）、局部逆流水包油（DO/WCT）、平行流水包油（DO/WCC）、油相乳化水包油（VFDO/W）、油包水（DW/O）和水相乳化油包水（VFDW/O）。

3 流型自動判別

本文以直徑20mm 的水平管油水兩相流為例，通過將物理模擬實驗得到的各相流速和流型等資料進行擬合，即可得到流型判別式。

（1）分層流與界面混雜分層流的判別式

油的表觀速度在0.02m/s 到0.2m/s 范圍內，水的表觀速度在0.02m/s 到0.14m/s 的范圍內。

（2）界面混雜分層流的上邊界

油的表觀速度在0.02m/s 到0.3m/s 的范圍內，水的表觀速度在0.03m/s 到0.3m/s 的范圍內。

（3）三層流與油包水-水包油的判別式

油的表觀速度在0.31m/s 到0.72m/s 的范圍內，水的表觀速度在0.07m/s 到0.3m/s 的范圍內。

（4）油包水-水包油與油包水之間的判別式

油的表觀速度在0.3m/s 到0.5m/s 的范圍內，水的表觀速度在0.02m/s 到0.12m/s 的范圍內。

（5）三層流與水包油-水之間的判別式

油的表觀速度在0.08m/s 到0.41m/s 的范圍內，水的表觀速度在0.15m/s 到0.28m/s 的范圍內。

（6）水包油與水包油-水之間的判別式

油的表觀速度在0.09m/s 到0.51m/s 的范圍內，水的表觀速度在0.14m/s 到0.67m/s 的范圍內。

式中，VSO、VSW分別是油相、水相的表觀速度，m/s。

3.1 流型自動判別思路

從調研資料中發(fā)現(xiàn)：影響流型的關鍵因素很多，主要有管道傾角、管道材質、管道尺寸，氣液兩相流的表觀流速，流體密度、粘度、表面張力等，所以在進行流型自動判別時，要考慮到上述因素，判別思路如下：

（1）輸入已知條件，氣液兩相的密度，液相粘度，管道材質，管道尺寸，管道傾角等；

（2）將已知的特征參數(shù)帶入設定的流型判別公式中，得到有關氣液兩相表觀流速的判別式子；

（3）輸入需要判別的氣液兩相的表觀流速；

（4）判斷輸入的氣液兩相的流速能否識別流型，若輸入數(shù)據(jù)在識別范圍內，則輸出流型；若輸入數(shù)據(jù)在識別范圍外，則不能得到結果；

（5）重新輸入數(shù)據(jù)，進行流型判別。

3.2 流型判別參數(shù)輸入窗口

在不同的環(huán)境中，氣液兩相的特征參數(shù)也會發(fā)生相應的改變。為了使此判別法有更廣泛的適用性，制作數(shù)據(jù)輸入窗口時將這些因素也當作變量顯示出來以便能讓使用者根據(jù)實際情況調整輸入數(shù)據(jù)。

利用Excel 制作簡易的數(shù)據(jù)輸入窗口，如圖1 所示，將氣液兩相的密度，液相粘度，管道的材質、尺寸、傾角，氣液兩相的表觀速度作為輸入?yún)?shù)，通過流型劃分公式調用這些數(shù)據(jù)進行計算即可實現(xiàn)準確判別流型的目的。

3.3 流型判別的檢驗及流型轉換的分析

本文采用輸出流型圖及點位的方式來直觀展示流型判別結果，綜合本文上述已有資料，將流型大致劃分為分散泡狀流（Dispersed-Bubble）、泡狀流(Bubble)、光滑分層流(Stratified)、波狀分層流(Wavy)、環(huán)狀流(Annular)，借助擬合所得出的流型劃分邊界條件，同時輸入具體數(shù)據(jù)來檢驗流型能否進行自動判別。

3.3.1 水平井氣液兩相流型判別

在管徑為24mm，傾斜角為0 度的有機玻璃管進行水平井氣液兩相流型判別的檢驗，利用前人真實實驗數(shù)據(jù)及實驗觀測到的流型進行判別，判別結果如圖2 所示，通過比較，二者大致吻合，說明能夠進行流型判別。

3.3.2 斜井氣液兩相流型判別

在24mm 管徑，60°傾斜角的有機玻璃管中，將預先準備好的已知的多組流型數(shù)據(jù)輸入，判別結果如圖3 所示，可見判別結果與已知流型數(shù)據(jù)大致吻合。

3.3.3 流型轉換規(guī)律的分析

由流型判別圖可見，當外部參數(shù)如管徑，傾角一定時，隨著氣液兩相流速的增加，管內的流型也隨之改變。當氣液兩相流速都很小時，管內出現(xiàn)光滑分層流。當氣相流速相較于液相流速快速增加時，流型從光滑分層流向波狀分層流進而向環(huán)狀流轉化。當液相流速相較于氣相流速快速增加時，管內流型也由分層流、環(huán)狀流向分散氣泡流、泡狀流轉化。這與理論研究和實驗現(xiàn)象都相符合。

圖2 水平管氣液兩相流型判別圖

圖3 傾斜管氣液兩相流型判別圖

4 結論

4.1 本文根據(jù)實驗所得流型數(shù)據(jù)擬合所得的流型判別公式來實現(xiàn)流型判別，從而規(guī)避了傳統(tǒng)識別方法具有較強的主觀性的缺點，使判別結果較為客觀。利用Excel 編程，進行界面交互，實現(xiàn)人機對話。在流型識別上能夠準確高效的進行，從而達到流型在線識別的目的。

4.2 本文實現(xiàn)氣液兩相流型的自動識別，根據(jù)管道傾斜角度、幾何尺寸、材質、兩相流物性參數(shù)、各相速度的不同可得到不同的流型，能夠對不同狀態(tài)下的流型進行觀察比較得到不同因素對流型轉化的影響。