大输量多相混输管路气液两相流实验研究

彭 壮，汪国琴

（1.长江大学 石油工程学院，湖北 武汉 430100；　中国石油天然气集团公司 采油采气重点实验室长江大学分室，湖北 武汉 430100；2.中国石油天然气集团公司气 举试验基地多相流研究室，湖北 武汉 430100）



大输量多相混输管路气液两相流实验研究

彭 壮1， 2， 3，汪国琴1， 2， 3

（1.长江大学 石油工程学院，湖北 武汉 430100；中国石油天然气集团公司 采油采气重点实验室长江大学分室，湖北 武汉 430100；2.中国石油天然气集团公司气 举试验基地多相流研究室，湖北 武汉 430100）

为了研究大输量条件下多相混输管路的流动特性，以水和空气为实验介质，在长江大学多相流实验平台上进行了水平状态的高气液量两相流模拟实验研究。实验采用内径为60 mm、长9.4 m的透明有机玻璃管，并利用高速摄像仪记录实验过程中的流型。通过对实验流型进行整理，将水平管内的气液两相流流型划分为分层流、泡状流、段塞流和环状流，并与典型的Mandhane流型图进行对比分析。另外，对实验范围内的几种典型流型下的压降梯度变化规律进行了研究，泡状流区域压降梯度随气流速的增大而减小，段塞流区域压降梯度随气流速的增大而缓慢增大，环状流区域压降梯度随气流速的增加而继续增大。

大输量；气液两相；流型；压降

近年来，多相混输管路在国内外各油气田地面集输系统中得到了广泛的应用。多相混输工艺相较于单相输送工艺而言，能够减少工程投资、节省运行费用，大大降低生产成本，在石油行业中得到了越来越广泛的应用。管路流动过程中的流型和压降变化是多相流动中最重要的特性，而多相管流的流动特性是集输流程的工艺设计、管线和设备安全防护的基础。因此，研究多相混输管路中的流型及压降的变化规律，对于集输设备的优化设计、提高运行效率和安全可靠性起着至关重要的作用［1-5］。

另外，随着大直径、长距离混输管路的普及，大输量条件下的多相混输管路的流型和压降变化规律研究也亟待进行，因此，在长江大学多相流实验平台上，进行了大气液量下水平角度的气液两相管流实验研究，以便掌握大输量条件下的多相混输管路中流型以及压降的变化规律，为油气集输中大输量多相混输管路的安全稳定运行的设计提供依据，同时也为今后气液两相流的实验和理论研究奠定基础［6-10］。

1　实验部分

本文中设计了一种新的实验系统：实验用水从水罐中抽出，经液泵增压、稳压、计量后再与压缩气体混合进入测试管段，最后经气液分离器分离出气体后回到水罐。测试管段能测量压力、压差、温度等数据。实验装置流程图如图1所示。

该水平角度的气液两相流流动实验在室温条件下进行，实验介质为水和空气；气体流量范围为5～2 000 m3/h，液体流量范围为2~20 m3/h，压力范围为0~1 MPa。

实验中首先调整试验井筒段达到水平状态，然后采用固定液体体积流量，从小到大改变气体体积流量的方法，待试验管段内流动状态稳定后采集相关实验数据。一组实验后，改变液体体积流量进行下一组工况的实验。流；气体流速一定时，减小液体流速，流型转变为段塞流—分层流；

2）大输量条件下，即气液流速较大时，水平管中的主要流型为段塞流和环状流，当气体流速为20～40 m/s时，处于段塞流向环状流转变的区域，当气体流速大于40 m/s时，已经完全进入环状流区域；

图1　多相流试验装置流程Fig.1 Multiphase flow test process

图2　实验点在Mandhane流型图上的位置Fig.2 Experimental points on Mandhane flow diagram

2　实验结果与分析

2.1水平管气液两相流的流型图

通过测量气液两相的流量，利用公式可得到气相和液相对应的表观速度。按照气液界面总体特征，将大输量水平以及近水平管内气液两相流的流型划分为分层流、泡状流、段塞流和环状流。通过固定液量依次改变气量得到不同气液比条件下的典型流型，按流型将实验数据点绘制成流型图。图2中给出了本实验的数据点在 Mandhane流型图上的位置。其中，Mandhane流型图是 1974年由Mandhane［11］等人根据空气-水条件下的大量实验数据而绘制的水平管气液两相流型图。

从图2可以得到以下结论：

1）水平管中的气液两相流流型变化受气体流速和液体流速的影响：液体流速一定时，增大气体流速，流型转变趋势依次为泡状流—段塞流—环状

3）在气液流速较高的条件下，本实验所得到的流型分区与Mandhane流型图基本吻合，其中段塞流与环状流的流型边界与Mandhane流型图的流型边界能够较好吻合。

2.2水平管气液两相流的压降变化

按照图2中本实验范围内的流型划分，绘制出不同气流速、液流速下水平管段各典型流型的压降梯度随表观气流速变化规律如图3所示。

从图3（a）可以看出，水平管泡状流区域的压降梯度变化特征为：随着气流速的增大，不同液流速下的压降梯度均呈现出减小的趋势；在同一气流速下，增加液体流速，压降梯度会增大。产生这种变化趋势的原因是：分散在液相中的气泡会占据管道的部分流动截面面积，从而使得液相的真实流动截面面积减小；在气流量保持不变的情况下，增加液流量，液相与管壁的接触面积增加，从而压降也会增加；随着气流量的增加，液相中气泡含量增加，气泡变大，这在一定程度上减小了界面湿周（湿壁分数），从而使得水平管内的气液两相流动总压降减小。

图3（b）给出了段塞流区域在不同液流速下的水平管气液两相流的压降梯度随表观气流速的变化规律。从图上可以看出，在段塞流区域，随着表观气流速的增加，水平管中气液两相流的压降梯度也缓慢上升。对于压降梯度的以上变化规律，是由于段塞流区域的小气泡聚集形成Taylor气泡，相邻的Taylor气泡被含有小气泡的液段分隔开，图 3（b）给出了段塞流区域在不同液流速下的水平管气液两相流的压降梯度随表观气流速的变化规律。

从图上可以看出，在段塞流区域，随着表观气流速的增加，水平管中气液两相流的压降梯度也缓慢上升。对于压降梯度的以上变化规律，是由于段塞流区域的小气泡聚集形成Taylor气泡，相邻的Taylor气泡被含有小气泡的液段分隔开，气相通过Taylor气泡与液相进行动量和能量的交换，实验中可以明显观察到气液两相在Taylor气泡的头部区域有强烈的混合，紊乱的小气泡团聚集在大气泡周围。随着管中气相流速的增加，液段被大气泡所夹带，液相速度也增加。另外，气流速的增加使得气相和液相之间由于相互作用而引起的能量损失也相应增加。以上这些因素共同导致段塞流段压降梯度的增加。

图3　水平管气液两相各典型流型时的压降变化Fig.3 Pressure drop change of each typical gas-liquid two-phase flow patterns in horizontal pipe

图3（c）给出了环状流区域的压降梯度随表观气流速的变化曲线图。可以看出，在较高的气流速范围内，管中的压降梯度随着表观气流速的增加而继续增加。在环状流时，由于气体流速较大，气相形成连续气芯在管中心运动，周围是一层很薄的连续液膜。当表观液流速不变时，管中的气流速继续增加，水平管中的气液两相流流动状态成为充分发展的环状流，此时管中的截面含气率也会显著上升，液膜的流通面积进一步减小，液膜随着气相一起运动，管中的气相和液相的动量和能量交换增强，导致气液相之间的摩擦阻力增大。环状流区域的以上流动特征使得压降梯度在环状流时继续增加。

3　结 论

（1）通过对多相混输过程中的气液两相流流动过程进行实验，得出了流型变化受气体流速和液体流速的影响：液体流速一定时，增大气体流速，流型转变趋势依次为泡状流—段塞流—环状流；气体流速一定时，减小液体流速，流型转变为段塞流—分层流；

（2）在较高气液流速下，本实验所得到的流型分区与Mandhane流型图基本吻合，其中段塞流与环状流的流型边界与Mandhane流型图的流型边界能够较好吻合。

（3）通过对水平管气液两相流动过程中的典型流型压降梯度进行分析，发现泡状流区域压降梯度随气流速的增大而减小，段塞流区域压降梯度随气流速的增大而缓慢增大，环状流区域压降梯度随气流速的增加而继续增大。

［1］ 姜美菊，冯叔初.气液两相流动流型转变的机理和数学模型［J］. 油气田地面工程，1988，7（1）：2-9.

［2］ 刘文红，郭烈锦，张西民，白博峰，吴铁军. 水平管内油气水三相流分流型阻力特性实验研究［J］.工程热物理学报，2005，01：80-83.

［3］ 赵铎. 水平管内气液两相流流型数值模拟与实验研究［D］.北京：中国石油大学，2007.

［4］ 曹琳，康志江，赵辉，章彤，罗兴旺. 多模型油藏闭环管理［J］. 科技导报，2013，32：52-57.

［5］ 吕宇玲，王鸿膺.气液两相流气液量与流型转变的研究［J］. 油气田地面工程，2006，25（1）：12-13.

［6］ 陈家琅，陈涛平，石在虹.非圆形通道中气液两相铅直向上流动的压降计算［J］. 油气田地面工程，1995，14（6）：1-2.

［7］ 陈家琅.石油气液多相管流研究展望［J］. 油气田地面工程，1989，8（5）：1-3.

［8］ 罗洪斌，李根生，黄中伟，等.垂直上升圆管气液两相流气泡运动模型及计算［J］. 石油钻探技术， 2008，36（6）：72-74.

［9］ 许晶禹，吴应湘，李东晖.液相物性对气液两相管流流型和压降影响的研究［J］. 应用基 础与工程科学学报，2005，13（2）：111-119.

［10］ 赵铎.水平管内气液两相流流型数值模拟与实验研究［D］. 北京：中国石油大学，2007.

［11］ Mandhane，J.M，Gregory，G.A.Aziz，K. A flow pattern map for gas-liquid flow in horizontal pipes［J］. Int.J.Multiphase flow，1974，1（2）：537-553.

Experimental Study on Gas-liquid Two-phase Flow of Multiphase Pipeline Under the Condition of Large Transport Volume

PENG Zhuang1,2,3，WANG Guo-qin1,2,3
(1. College of Petroleum Engineering,Yangtze University, Hubei Wuhan 430100，China; 2. The Branch of Key Laboratory of CNPC for Oil and Gas Production, Yangtze University, Hubei Wuhan 430100，China; 3. The Multiphase Flow Laboratory of CNPC for Gas-lift Test Base, Hubei Wuhan 430100，China)

In order to study the multiphase pipeline flow characteristics under the condition of high transport volume, taking water and air as experimental mediums in multiphase flow experimental platform of Yangtze University, the two-phase flow simulation experiment of high transport volume was carried out by using 9.4 m length transparent organic glass tube with inner diameter of 60 mm under horizontal condition, and the flow pattern of the experiment was recorded with high-speed camera. Through sorting the experimental flow pattern, the gas-liquid two-phase flow in a horizontal pipe flow pattern was divided into stratified flow, bubble flow, slug flow and annular flow, and they were compared with the typical Mandhane flow pattern map. In addition, pressure drop gradient change rules of several typical flow patterns were studied. The results show that pressure drop gradient in the bubble flow area decreases with the increase of gas velocity, pressure drop gradient in the slug flow area slowly increases with the increase of gas velocity, and the pressure drop gradient in the annular flow area gradient increases with the increase of gas velocity.

high transport volume; gas-liquid two-phase; flow pattern; pressure drop

E-mail：pengzh1230@163.com。

TQ 028

A

1671-0460（2016）05-0897-03

2016-01-07

彭壮（1990-），男，湖北武汉人，硕士研究生，2014年毕业于长江大学油气储运工程，研究方向：从事多相管流的研究。