水平井斜井氣液兩相流型自動判別

2021-03-23 06:37:42張佳沁劉軍鋒邢廣俊史圣哲王歡歡

科學技術創新 2021年7期

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的兩相流在自然界和現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。石油開發時，從井底到井口，井筒和地層之間有多個射孔層或生產層進行連通，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、流量等因素的影響，兩相流的流動狀態（即流型）并非始終保持不變，流動狀態發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據比較良好。

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分，Brill 將流型劃分為氣團流、段塞流、環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，Flores 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

從調研資料中發現：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，若輸入數據在識別范圍內，則輸出流型；若輸入數據在識別范圍外，則不能得到結果；

（5）重新輸入數據，進行流型判別。

3.2 流型判別參數輸入窗口

在不同的環境中，氣液兩相的特征參數也會發生相應的改變。為了使此判別法有更廣泛的適用性，制作數據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實際情況調整輸入數據。

利用Excel 制作簡易的數據輸入窗口，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參數，通過流型劃分公式調用這些數據進行計算即可實現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，同時輸入具體數據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據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據輸入，判別結果如圖3 所示，可見判別結果與已知流型數據大致吻合。

3.3.3 流型轉換規律的分析

由流型判別圖可見，當外部參數如管徑，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、環狀流向分散氣泡流、泡狀流轉化。這與理論研究和實驗現象都相符合。