环状流液滴夹带率计算新方法研究

何 显 荣

（长江大学 石油工程学院， 湖北 武汉 430100）



环状流液滴夹带率计算新方法研究

何 显 荣

（长江大学 石油工程学院， 湖北 武汉 430100）

目前国内鄂尔多斯大牛地、苏里格等气田均存在产液量低于1 m3/d的气井，为了探究低液量下气井的流动特征，有必要开展低液量下的环状流液滴夹带规律的研究。通过自行设计的液膜分离装置，开展了不同气、液流量下的液滴夹带实验。发现了液滴夹带刚好出现在环状流形成之时，发生液滴夹带的临界气流速度与液量无关，揭示了环状流形成机理为液滴的连续携带。建立了新的环状流液滴夹带率计算新方法，与同类方法比较，新方法适用的液相雷诺数可低至83，预测结果能够与实验数据较好的吻合，具有一定的可靠性。

低液量；液滴夹带；环状流；新方法；预测结果

环状流型识别对指导气井生产非常重要，一方面它是判断气井积液，指导气井配产的基础；另一方面气井气液比较高，环状流是气井最主要的流型。然而目前关于环状流的形成存在争议，对于液滴、液膜哪一个起主导作用尚无定论。为此本文通过分离液滴、液膜，从环状流形成时机与液滴夹带的关系入手，揭示环状流的形成机理。

液滴夹带率是环状流的一个重要特性参数，它被定义为被夹带至气芯中的液滴占总液量的比值，一般用FE表示。液滴夹带率不仅与环状流的形成条件有关，还关系到气芯流速、气芯持液率、液膜厚度、液膜流速等环状流特性参数的计算。目前的液滴夹带率计算关系式是基于大液量条件下测试得到的，在低液量下的适用性未知。国内鄂尔多斯大牛地气田、苏里格气田、四川新场气田存在许多产液量低于1 m3/d的气井［1］，了解低液量下的环状流液滴夹带规律对于认识这类气井的流动特征具有重要的现实意义。因此，围绕低液量条件开展了液滴夹带率实验，并建立了液滴夹带率计算新方法。

1　实验装置与实验方法

在液膜的分离和收集上，考虑到环状流的液膜沿管壁流动、液滴沿管中部流动，通过在管壁开孔使管壁处液膜溢出，溢出的液膜会四处喷洒，在管外增加一个同心管，形成一密闭环形空间收集液膜，并利用排液口将液体排出。为了保持液滴上升和避免气体窜漏，将同心管内径设计为与装置下部流动管线一致，同时在分离过程中，保持环空液位始终高于排液口，避免气体从排液口窜漏，这时需要将阀门开度调小，降低排液速度。

装置主体由一对同心管组成，其中内管外径40 mm，内径30 mm，钻有密集的小孔，孔径8 mm；而外管外径100 mm，内径90 mm，上下两头由两个圆环封堵住；圆环外径100 mm，其中部开有41 mm内径圆孔，供同心管通过。其工作原理为：当环状流通过装置后，液膜会沿内管的小孔溢到环空中，积聚在环空底部，并通过底部排液口排出，排液口处阀门用于控制排液速度，避免环空液位降到排液口以下，造成气流从排液口窜漏；而液滴会被高速气流携带至管子顶部，如此实现液滴与液膜的分离，分离后的液滴、液膜可以分别进行计量。图1为液膜分离装置结构图。

图1　液膜分离装置结构图Fig.1 Liquid membrane separation device structure

实验中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。

2　实验结果与分析

目前的液滴夹带率计算关系式都是根据实验得到的，利用液膜分离装置对不同气、液流速下的液滴夹带率进行了测定。液滴沿液膜分离装置的内管向上运动，液膜沿内管小孔溢出，在装置上部可收集液滴，装置下部排液口则收集液膜，液滴量和总液量之比即为液滴夹带率。

图2为实验测试不同气、液流速下的液滴夹带率。从图中可知，气流速度越高，环状流液滴夹带率越高，这是由于气流对液膜的剪切作用增大所致；液流速度越高，液滴夹带率越高，这说明并非气液比越高，液滴夹带率越高，只有当气、液流速同时都很高时，才可能获得较高的液滴夹带率；当气流速度增加刚好形成环状流时，才出现液滴夹带，而当气流速度低于14.0 m/s（非环状流时），不产生液滴，即液滴夹带率是伴随环状流同时产生的，可以将液滴的出现作为环状流识别的依据，同时也意味着环状流的形成可能由液滴的连续携带引起。

图2　不同气、液流速下的液滴夹带率Fig.2 Droplet entrainment rate under different gas and liquid velocity

3　液滴夹带率的计算新方法

3.1常用液滴夹带率方法评价

对科莱恩新型催化剂的活性的分析中，测试了维持64%的转化率所需的入口温度（T64），且与对标催化剂（见图3）进行比对。如果所需温度降低，则表明催化剂活性更高。

目前常用的液滴夹带率计算模型或者关系式都是基于实验而建立，它们都尽量满足简单、显式方程或不含量纲条件，便于工程应用。下面给出三种典型的液滴夹带率计算关系式。

Wallis［2］（1969年）最早提出了FE关系式，它是关于无因次量φ的函数

Ishii & Grolmes ［3］ （1975年）研究表明，在低黏度液体中（例如水），液膜表面扰动波的剪切破碎产生了液滴。基于该机理，Ishii & Mishima ［4］（1989年）提出了适用于环状流的液滴夹带率预测关系式

其中液相雷诺数LRe、修正韦伯数MWe分别按下式计算

上述关系式为无因次显式方程；但它是气/水两相在低压实验条件下得出的。Assad（1998年）曾利用高压气-水在很高流速下的实验数据对上述相关式进行了分析，结果发现，当时，该式与实验结果不符，因为该式没有考虑如下现象：即使在气流速很高的情况下，液膜也不可能全部形成液滴，即FE的极限值远小于1。

Pan & Hanratty［5］（2002年）考虑到FE存在一个极限值，而日极限值不可能达到 1，提出以下液滴夹带率关系式

式中：FEmax—最大（极限）液滴夹带率；kA、kd—分别为雾化和沉积系数。

上述关系式考虑了液滴夹带率的极限值。然而经验系数kA、kd与流动参数和物性参数的关系目前还并不明确，例如在 9.5 mm 管径、条件下，以及在31.8 mm管径、条件下测试发现该相关式不能得出极限液滴夹带率。

Sawant［6］（2008年）在宽的压力和流动条件下开展了液滴夹带实验，采用修正韦伯数MWe和液相雷诺数LRe对液滴夹带率进行了拟合，提出了新的液滴夹带率关系式和最大液滴夹带率关系式，表达式分别为

其中修正韦伯数MWe与Ishii & Mishima的定义略有不同，其表达式为

采用之前的实验数据对以上3种液滴夹带率计算方法进行评价，将液流速度 vsL表示为更通用的液相雷诺数ReL形式，将气流速度 vsg表示为反映液滴破碎条件的修正韦伯数WeM的形式，评价结果如图3-5所示。

由图3-5评价结果可知，Wallis关系式、Ishii & Mishima关系式、Sawant关系式均无法同时满足这三点，也不吻合实验数据。分析原因有以下两点：

（1）实验发现，非环状流条件下（图中WeM＜500）不含液滴，而目前的方法没有考虑当气流速低于临界气流速度时不存在液滴的情况；

图3　Wallis方法评价结果Fig.3 Evaluation results of Wallis method

图4　Ishii & Mishima方法评价结果Fig.4 Evaluation results of Ishii & Mishima methods

图5　Sawant方法评价结果Fig.5 Evaluation results of Sawant method

（2）随液膜雷诺数LRe的降低，液滴夹带率降低，而目前的方法多是基于高液膜雷诺数实验条件得到的，不适用于低雷诺数条件。

3.2液滴夹带率计算新方法

为了反映临界气流速度对液滴夹带的影响，本文引入Pan & Hanratty的研究成果，他们曾提出一个简化关系式以描述临界气流速度和表面张力对液滴夹带的影响，其表达式为

上式无法直接求解液滴夹带率，还需要计算极限液滴夹带率。Al-Sarhi（2012年）提出了一个适用于较低液量的极限液滴夹带率关系式，并指出其适用的液膜雷诺数范围可低至450，表达式为

式中：FEmax,lim—最大液滴夹带率的极限值（渐近线），实验确定的常数，取1；Re*L—临界液相雷诺数，由实验确定的常数，取值1 400。

联立两式可得到新的液滴夹带率计算方法，它既考虑了气流速低于临界携液流速时不存在液滴的情况，又考虑了液量减少对极限液滴夹带率的影响，新关系式为

利用实验数据对新关系式进行评价，如图6所示。由图可知，新关系式预测结果与实验数据吻合度最高，液滴夹带率FE随液相雷诺数LRe的减小而减小，并且在修正韦伯数低至 500时，预测的FE也降至0，与实验趋势完全一致。与同类方法相比发现其适用的液相雷诺数范围可低至83。

（1）利用专门研制的液膜分离装置，测试了不同气、液流速下环状流的液滴夹带率，实验结果表明，液滴夹带刚好出现在环状流形成之时，而且发生液滴夹带的临界气流速度与液量无关，从新的角度揭示了环状流形成机理为液滴的连续携带。

（2）分析了液滴夹带率随气流速的变化规律，提出了新的环状流液滴夹带率计算新方法，与同类方法相比，考虑了临界气流速对液滴夹带率的影响，而且适用于液相雷诺数范围可低至83，通过实验数据验证了本文新计算方法的可靠性。

图6　新液滴夹带率计算方法评价结果Fig.6 Evaluation results of new droplet entrainment rate calculation method

4　结 论

［1］ 李士伦.天然气工程 ［M］. 第二版. 北京：石油工业出版社，2008.

［2］ Wallis， G B. One Dimensional Two-Phase Flow［M］. McGraw-Hill Book Co. Inc.， New York：USA， 1969.

［3］ Ishii， M.， Grolmes， M.A. Inception Criteria for Droplet Entrainment in Two-Phase Concurrent Film Flow［J］. AIChE.lournal. 1975， 21（2）： 308-318.

［4］ Ishii， M. ， Mishima， K. Droplet Entrainment Correlation in Annular Two-Phase Flow［J］. International.Iournal of Heat and Mass Transfer， 1989， 32（10）： 1835-1846.

［5］ Pan， L. ， Hanratty， T.J. Correlation Pipes［J］. International Journal ofMultiphase of Entrainment for Annular Flow in Vertical Flow， 2002， 28（3）： 363-84.

［6］ Sawant， P.， Ishii， M.， ， Mori， M. Droplet Entrainment Correlation in Vertical Upward Co-Current Annular Two-Phase Flow［J］. Nuclear Engineering and Design， 2008， 238（6）：1342-1352.

A New Calculation Method of Annular Flow Droplet Entrainment Rate

HE Xian-rong
（College of Petroleum Engineering,Yangtze University, Hubei Wuhan 430100，China）

There are some gas wells whose liquid yield is less than 1 m3/d in current domestic gas fields such as Ordos Daniudi and Sulige.In order to explore the flow characteristics of gas wells under lower amount of liquid, it is necessary to carry out annular flow droplet entrainment law research. A liquid membrane separation device was designed to carry out droplet entrainment experiment under different gas and liquid flow. The results show that the droplet entrainment just appears when the annular flow is formed; the critical air velocity of droplet entrainment is not affected by the amount of fluid, which reveals the formation mechanism of annular flow is continuous carrying of liquid drops. At last, a new method to calculate the annular flow droplet entrainment rate was established, and it was compared with the similar methods. The new method can be used for liquid whose Reynolds number is as low as 83, the predicted results are in good agreement with the experimental data.

low fluid volume; droplet entrainment; annular flow; new method; predicted result

何显荣（1992-），男，湖北省荆州市人，在读研究生，2014年毕业于长江大学工程技术学院石油工程专业，研究方向：从事多相管流流动及传质传热工作。E-mail：laizipolanxiong@foxmail。

TQ 018

A

1671-0460（2016）05-1075-04

2016-01-12