井筒氣液兩相流流動特性模擬試驗研究

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一般有12個：每一相的體積流量、系統壓力、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，并且還是根據流動的形態特點來劃分流型，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，試驗裝置系統如圖1所示。整個裝置主要是由循環水系統、空氣供給系統、試驗管路以及計算機采集系統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定段，在第一測壓點處用壓力傳感器測試驗管內系統壓力，在2個測點之間裝差壓傳感器測2點之間壓降。

圖1 試驗裝置系統流程簡圖

2 試驗方案設計

試驗依據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），若雷諾數相等，則流體流動狀態也是幾何相似的 （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、頂底壓力等試驗數據。

流態觀察時，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。試驗前先取數據采集系統零點，試驗時將液體流量調到穩定值，然后調節氣體流量到計算值，待3～5min后管段中流態穩定，采集所需的試驗數據。

3 垂直管的流型

根據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、環狀流和霧狀流。

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

4 兩相流流動特性

4.1 兩相流流動穩定性

在兩相流動系統中，各種流型的流動穩定性不同，環狀流、霧狀流一般能達到很好的穩定狀態，即使在開始階段由于流型過渡會有小段的不穩定情況，也會很快恢復并達到穩定流動 （見圖2～圖5）；彈狀流的流體流動是氣柱、液柱交替運動狀態，在流動慣性和其他反饋效應作用下，產生了流動振蕩而不能穩定流動 （見圖6、圖7）。而攪拌流是彈狀流向環狀流的過渡流型，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，但整體處于穩定狀態。

圖2 環狀流氣流量變化情況

圖3 環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，根據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系，在不同液相折算流速下，根據壓降梯度和氣相表觀速度繪圖 （見圖10），根據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、攪拌流區、環狀流區和霧狀流區。

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：攪拌流－環狀流，環狀流－霧狀流。③霧狀流區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

根據試驗測得數據計算兩相混合物雷諾數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、攪拌流區的局部放大圖 （見圖12），流型圖大致分為4個區域：彈狀流區、攪拌流區、環狀流區和霧狀流區，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－環狀流和環狀流－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）

由井筒流態分布規律、流態試驗研究可知：井筒中無穩定的泡狀流動區域，因此流型圖中未繪制泡狀流區。

根據氣井流壓測試資料可以計算出井筒對應深度的雷諾數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、環狀流和霧狀流。可以觀察到的明顯流態轉變為泡狀流－彈狀流、彈狀流－攪拌流、攪拌流－環狀流。

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

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：攪拌流－環狀流，環狀流－霧狀流。霧狀流區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的判別結果與修正的Hasan－Kabir和Zhmx模型對井筒流態的判別結果對比分析可知，2種模型對井筒流態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種模型對井筒流態的判別較準確。

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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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