多杯等流分離器氣液兩相流動中氣泡群流動研究

劉保君，秦梓鈞，李勇生，韓洪升

?

多杯等流分離器氣液兩相流動中氣泡群流動研究

劉保君1，秦梓鈞1，李勇生2，韓洪升1

（1. 東北石油大學， 黑龍江 大慶 163000； 2. 山西天然氣有限公司， 山西 太原 030000）

隨著油田的不斷開發，氣液兩相流中的氣相對油井的影響越來越明顯，氣體也是造成抽油機泵效率較低的重要原因。只有降低進入泵的氣體的量才能有效的提高泵效率。所以，井下分離器技術的研究是提高泵效的方法之一。實驗研究采用理論分析和模型相結合的方法，設計、搭建了一套模擬皇冠型多杯等流氣液分離器的實驗裝置。利用高速攝像機連續記錄不同流量下沉降杯內氣泡的運動情況，分析氣泡及氣泡群運動參數，以此為依據，提出氣液分離器的結構的改進方案，提高分離器的分離效率。

兩相流；多杯等流分離器；氣泡群；沉降杯傾角

本文主針對皇冠型多杯等流氣液分離器進行模擬實驗改進。[1,2]對于此類井下分離器，已經有多人對它的脫氣機理及脫氣效率問題都進行過研究。而對于沉降杯內部氣泡運動情況的可視化研究這方面還沒有作過深入的研究。針對該問題,本文設計制作了試驗用的分離器模型模擬氣泡在沉降杯中的運動情況。通過高速攝像機把模擬分離器模型內流體的運動情況直觀清楚的顯示出來。研究沉降杯內氣體上浮、碰撞、聚并，得到氣泡群上升軌跡，碰撞幾率等可為油氣分離器的優化更新設計提供理論依據。

1 皇冠型多杯等流分離器氣液分離原理

1.1 分離器結構

皇冠型多杯等流氣液分離器屬于重力式分離器。是根據重力原理、淺池原理、多杯等流理論研制的。由特有的多杯結構制造而成。[3]

如圖1在一根光滑的鋼制中心管上套裝多個沉降杯，且保證相鄰沉降杯的間距（5~8 mm），沉降杯的底部與中心管外徑相同且保證密封，在沉降杯內部的中心管下部均勻分布著進液孔，孔數一般為4~8個（直徑0.8~1.5 mm）。[4-6]杯上部設計成齒狀，且正好與上一個沉降杯底部的瓦棱狀結構相吻合，該結構與水平成45°夾角，用來聚攏上升過程中的氣泡，增大碰撞幾率并引導氣泡滑出沉降杯。

圖1 氣液分離器及單個沉降杯示意圖

1.2 分離器分離原理

利用多杯多空間來分擔井下氣液下降速度，使得氣體有足夠的時間在沉降杯內的液體中上浮，并在上浮的過程中碰撞、聚并成較大氣泡，使浮力增加，有利于其上升，而液體在重力的作用下下沉，從沉降杯底部進入中心管，中心管下端密封，上端與抽油泵連接，因此通過減少進入泵的氣體量從而達到油氣分離的目的。

2 實驗部分

2.1 實驗模型

本實驗模型主要是模擬分離器沉降杯，為滿足照片拍攝的需要，模型材料選用有機玻璃材質，如圖2所示。

圖2 實驗模型圖

2.2 實驗步驟

（1）打開螺桿泵，調節流量。

（2）打開空氣壓縮機，調節出口壓力。

（3）待流量穩定后讀取中心管出口處流量計讀數，并做記錄。

（4）布置照明位置，調整高速相機拍攝位置。調節拍攝參數，進行拍攝。

（5）其他參數不變，只改變流量，拍攝并記錄照片。

（6）圖像技術處理軟件Image Pro Plus 6.0處理，數據分析。

2.3 實驗基本數據

在空氣壓縮機出口壓力為2個工程壓力時，共對中心管不同流量下的氣泡運動情況進行17組圖片的拍攝，每組圖片至少200張。相關數據見表1。

表1 基本實驗數據表

3 氣泡群分析

實驗所得到的圖片中存在這樣一種情況：當中心管內達到一定流量時，多個氣泡在傾斜的小管內聚集形成氣泡群。它們只是簡單的聚集在一起，聚集的時間有長有短，氣泡會發生一些變形，但是不發生合并的情況，它們還保留著各自的界面膜，一些邊緣氣泡還會隨液流的擾動被分開，或者又重新聚集到氣泡群中來。

3.1 氣泡群的形成

如圖3所示，氣泡群大多位于傾斜管的上壁位置。圖中的幾幅照片同樣來自于同一流速下所得照片序列。

圖3 同一流速下的氣泡群

氣泡群的形成主要有以下幾個因素，首先是小管內的流速要適宜，適宜的流速使得有部分氣泡可以進入到小管內，但是速度還沒有大到直接將氣泡“吸入”中心管內，這種情況下會有多個氣泡滯留在小管內，這就給多個氣泡碰撞提供了很好的條件，增大了氣泡碰撞的幾率。其次是即使在內徑僅為15 mm的傾斜小管內，速度分布也有差異的，由于井筒內液體流動是從下至上的，因此在斜管內形成兩個流速相對較小的位置:斜管進液口的上端和斜管同中心管相連位置的上部，這兩個位置流速較小，因此最容易在這兩個位置形有徘徊的氣泡，從而形成氣泡群。

針對本實驗模型中得到的氣泡群聚而不合并的的情況進行分析。氣泡的合并通常需要三個步驟。一是兩氣泡的靠近，形成初始液膜。二是液膜逐漸脫落，最后達到臨界厚度。三是液膜逐漸變薄，兩氣泡之間的距離非常小，薄膜最后在破裂，完成合并。[7-9]而且各步驟都有條件限制。然而在本實驗中，步驟一與步驟二由于受到小管直徑與小管內流速限制，不具備達到氣泡合并的條件。而且由于實驗模型的原因：斜管內徑偏小。同實際沉降杯相差太多，因此導致在這種情況下的液流對氣泡聚并的擾動性顯得更加明顯，而在實際沉降杯中的環空面積大約是斜管截面積的35倍，因此液體下降速度的減小也會使得氣泡外界環境比較穩定，則在實際分離情況下這中現象應該不太明顯，除非是泵產量太大導致沉降杯內下降速度過快會導致高雷諾數的不穩定流動。至于氣泡聚并中的第三個階段，顯然是建立在第二個階段基礎之上的。是難以發生的。

綜上所述，理論上沉降杯的面積意味著杯內液體的下降速度較低，但是沉降杯的外徑顯然是受到套管直徑的限制，因此可調節范圍有限，在此范圍內沉降杯應盡可能增大面積。另一個方面，泵流量的降低也有利于減小沉降杯內液體下降速度，但是由于油井產量的需求，泵流量也有著相關的限定，因此可調節范圍有限。

3.2 氣泡群與流量的關系

如圖4，A到H，為不同流速下（A:0.046;B:0.055;C:0.065;D:0.074;E:0.083;F:0.092;G:0.098;H:0.122）m/s斜管內氣泡群的形成情況。總體情況來看是屬于氣泡群從初始到增大再到減弱的情況。

圖A和B可以看出，是氣泡群的初始形態，此時的氣泡直徑較小，參與形成氣泡群的氣泡個數也少，且氣泡之間也有一定的距離，偶爾有個別較大直徑的氣泡進入傾斜管，但基本不參與氣泡群的形成，且大小氣泡均不變形。主要是由于此時流量較小，管內流動為層流，液體相對穩定，進入到傾斜管內的大多為小氣泡，氣泡之間的擾動較小，各氣泡隨層流流動。所以只有在傾斜管與中心管連接處的上部有聚集現象，此處是流場中類似“死角”的地方，流速相對較小，氣泡群的聚集先從這里開始。但是它也是離進液孔最近的地方，當有大量氣泡聚集的時候，會有一部分氣泡被帶進中心管，當然也有一種情況：此位置形成的眾多氣泡會整體沿著管壁上浮，最終也會有氣泡逸出斜管。

圖4 不同流速下的氣泡群

到了C圖可以看出，逐漸有直徑略大的氣泡進入到傾斜管，并且參與到氣泡群的形成，氣泡數量還是比較少，雖然各氣泡之間的距離相比圖A和B中變小，只是氣泡邊界剛剛發生接觸，但是明顯可以看到，各氣泡仍保持自己形狀，且大部分氣泡為接近球形。

從D圖中可以看出，此時有大氣泡開始參與氣泡群的形成，各氣泡間的距離明顯縮短，且在接觸位置處的大氣泡發生變形。

E圖是整個實驗過程中形成氣泡群最多的，圖中可以看出，參與氣泡群的氣泡直徑范圍廣、數量多、氣泡聚集程度高，各氣泡之間距離小，大氣泡普遍變形，龐大的氣泡群聚集在斜管上壁，接近出口的位置會有氣泡逐漸逸出，也有進入來的氣泡新加入氣泡群，結果只有極其少的氣泡會脫離氣泡群而進入中心管，因此斜管內流速0.083 m/s及以下的流速情況下，模型的分離效率都很高。因為從F圖開始，中心管內氣泡逐漸增多，模型的分離效率開始下降，因此實驗結果說明，當斜管內流速在0.083 m/s（對應著中心管流量）附近時，分離器模型處于一個臨界點，該臨界點以下，本實驗模型分離器分離效果高，超過該臨界點，此模型分離效果開始降低。

氣泡之間的聚集，相當于增大了氣泡的當量直徑，使得氣泡群相對于單個小氣泡而言浮力急劇增大，因此抵抗流體帶走的效果明顯，并在不斷增加新氣泡擴張的情況下，逐漸上浮，因為傾斜管體積有限，因此有部分氣泡會逸出而脫離氣泡群，但是還會有新的氣泡加入，這也是氣泡群有助于分離效率的主要作用。

從F圖可以看出，過了臨界速度，氣泡群規模明顯減小，參與氣泡群的也大多是大直徑氣泡，各氣泡之間距離也開始增大，一個最明顯的結果是：氣泡群整體位置下移，已經不再是貼近上壁了，這說明，氣泡群受力情況發生了明顯變化，氣泡群效應不再占據主導作用。

G圖中，顯示氣泡的數量在持續減小，到了H圖，基本能在斜管內停留的氣泡數量已經不多，此時的狀態已經不是氣泡群了。主要是流速過大，氣泡直接進入中心管，此時的分離效率幾乎為0，分離器已經不起作用。

通過以上幾幅實驗圖片，結合斜管內流體流速可看出，氣泡群的形成是建立在流速前提下的，并且隨著流速的不斷變化，氣泡群經歷了，形成、壯大、減少到消失的過程。對于實驗而言，找到了這些狀態轉換時的流速節點位置，特別是氣泡群規模最大的臨界點（=0.083 m/s），這對于研究沉降杯內氣體運動規律尤其是氣泡聚集和合并對氣液分離器分離效果的影響有著重要的參考意義。

根據此實驗模型結果分析可知，分離效率和泵產量不是此消彼長的絕對關系，小流量的情況下分離效率自然高，但是這不符合現場需要，逐漸增加泵流量，在剛開始階段會經歷分離效率降低的情況，但是考慮到氣泡群是和流量有密切關系的，因此可嘗試持續增加流量，給氣泡群的形成創造條件，當條件符合時，形成的氣泡群將會提高分離器的分離效率，而泵流量也有所增加。因此對于新型的井下氣液分離器，或者經過改進的分離器，都要做到寬范圍流量和氣液比測試，以便發揮出分離器的高效作用，提高井產量。

3.3 管壁對氣泡群的影響

通過觀察，本實驗中產生的氣泡群大多是處于斜管上壁位置，也就是貼壁現象比較明顯，在實際的井下氣液分離器內，我們希望沉降杯的表面，特別是沉降杯底部的瓦棱結構，一方面其傾斜角變大，另一方面其表面是有益于氣泡聚并或者滑行的特殊材質，通常情況下可以在分離器表面噴涂特殊材料表面層來達到這樣的目的。至于沉降杯底部瓦棱結構的傾斜角度。在不考慮氣泡聚并的情況下，大的傾角是有利于氣液分離的，但是較大的沉降杯的單個杯體高度要明顯高于小的沉降杯高度，這是為了滿足沉降杯內體積的需要，也就是說，如果要制造特定沉降杯數目的氣錨，它的總長度是較長的，這無疑會增加分離器的生產成本，同時亦會增加了泵下管掛的長度，從而導致油井沉沒度變小。但是如果不斷減小，則會明顯減低分離器的分離效率，雖然降低會減小總氣錨長度、節省成本，并使沉沒度變大，但這樣的設備是有很大的局限性的，分離效率的降低已經遠離了氣液分離器的設計初衷，只能應用在較小沉沒度的油井上，并不能大范圍推廣。建議介于45°到60°之間，不宜過大。

4 結 論

本文在實驗室內通過模型模擬了井下多杯等流氣液分離器中氣泡群的運動情況。對不同流速下沉降杯內氣泡的運動情況做照片拍攝和后期分析研究。得出以下結論。

（1）通過氣液分離的模型研究，得出沉降杯底部瓦棱狀結構的改進方案。底部傾角越大，越有利于氣泡的上浮，增大分離器效率。根據模型中的45°傾角來看，還有增大的空間。

（2）對模型沉降杯內流速范圍為0.022~0.181m/s共17組不同流量下的氣泡運動情況進行拍攝、分析得出：在流量為0.055~0.098 m/s之間流速時，沉降杯內形成氣泡群，氣泡群會提高分離器效率。本實驗模型試驗中，在沉降杯內流速為0.083 m/s時，氣泡群效應最明顯。

（3）沉降杯底部內表面光滑程度也會影響氣液分離效率。建議在內表面噴涂特殊涂層以減小摩擦阻力。

［1］ 苗新蕾. 油井采出氣—液在多杯等流型氣錨中的流動[D]. 大慶石油大學，2006.

［2］ 韓洪升，張艷娟，孫曉寶. 多杯等流型氣錨對井下油水分離的效果[J]. 石油地質與工程，2007（1）：80-82+16.

［3］ 邵振軍. 多杯等流型氣錨的研究與應用[J]. 內蒙古石油化工，2010（18）：122-123.

［4］ 劉景宇. 多杯等流型氣液分離器分離效果及優選實驗研究[D]. 大慶石油學院，2010.

［5］ 韓洪升，劉景宇，林浩然，李銀朋. 多杯等流型氣錨結構設計的優化研究[J]. 長江大學學報（自然科學版）理工卷，2009（3）：176-178.

［6］ Kaya, A. S., Sarica, C., & Brill, J. P. (2001, August 1). Mechanistic Modeling of Two-Phase Flow in Deviated Wells[R]. Society of Petroleum Engineers. doi:10.2118/72998-PA

［7］ 朱麗. 含液多相體系中氣泡聚并行為的研究[D]. 天津大學，2004.

［8］ G. J. Kynch. The Effective Viscosity of Suspensions of Spherical Particles[J]. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences (1934-1990),1956,2371208.

［9］ 李佟茗，賈紹義. 表面粘度對小氣泡聚并的影響[J]. 化工學報，1995（5）:532-538.

Bubble Swarm Flow in Gas-liquid Two-phase Flow in a Multicup Isoflux Separator

LIU Bao-jun1，QIN Zi-jun1，LI Yong-sheng2，HAN Hong-sheng1

（1. Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China； 2. Shanxi Natural Gas Limited Company, Shanxi Taiyuan 030000，China）

With the continuous development of oilfield, the research of two-phase flow is an important research topic at domestic and overseas in the oil industry. The influence of gas to the well becomes more and more obvious; the influence of the gas phase is also the important reason to cause the low oil-well pump efficiency. Only reducing amount of gas entering the pump can effectively improve the efficiency of the pump. So, down-hole separator technology research is one of the ways to improve the pump efficiency. In this paper, by the method of combining theoretical analysis and model test, a set of experimental simulation device of downhole gas-liquid separator was designed and developed. High speed camera was used to continuously record bubble movement situation inside the cup under different flow, bubble motion parameters were analyzed. On this basis, improvement scheme of multiple structure of the gas-liquid separator was put forward to increase separation efficiency of the separator.

Two-phase flow; Multicup separator; Bubble group; The inclination of settlement cup

TQ 028

A

1671-0460（2016）06-1163-05

2016-03-29

劉保君（1979-），男，河南省安陽市人，副教授，博士，2013年畢業于東北石油大學石油與天然氣工程專業，研究方向：油氣集輸及處理技術，復雜流體流動。E-mail：liubaojun@nepu.edu.cn。

秦梓鈞（1992-），男，碩士，研究方向：石油與天然氣工程。E-mail：974628268@qq.com。