油水两相管流测量方法应用进展*

1中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室·城市油气输配技术北京市重点实验室

2中国石油国际勘探开发有限公司

在石油开采和运输过程中，油水两相混合流动的现象普遍存在。近年来，随着经济增长陆地能源不断消耗，石油资源开发利用已逐渐转向海滩、沙漠、极地等自然环境极其恶劣的区域，对于油气水的分离运输，无论是分离设备及管道的建设，还是技术条件的要求，不仅代价高，而且难以实现。采用混输管路，将油井产出液输送至集中处理终端，可大幅度降低基础投资及相关辅助设施的运营维护费用。目前，陆地及海洋集输系统广泛采用混和输送工艺，开展针对油水两相流动规律的研究对于油田集输管线的设计及运行具有重要意义。例如，成功实现混输油水流型的控制可防止管路的腐蚀及结垢，而控制外相为水环的环状流动可以成倍地降低压降损耗，极大地提高输送效率，经济收益显著。

油水混输过程中，由于油水两相密度接近，界面自由能小，因而易发生两相动量及质量的交换，在管道中形成复杂的局部掺混，增加了油水流动规律研究的难度，使得开展流型观察及压降规律研究变得极为复杂[1-2]，因而实现油水流动参数的测量对油水复杂混输体系流动规律的研究至关重要。20世纪六七十年代，学者们在小尺寸的玻璃管或有机玻璃管内进行了油水流型观察及压降规律研究，由于主要依靠肉眼分辨不同流型，对于油水两相流动规律认知的客观性值得商榷。

1 电导探针

1.1 基本测量原理

电导探针由于其工作原理简单，制作工艺方便等优势被国内外学者广泛使用。目前，应用最广泛的电导探针主要有双平行探针[3]（图1a）、环形平行探针[4]（图1b）及侵入式探针[4]（图1c）。电导探针的工作原理主要是利用油水两相电导率的差异，当探针与水相接触时，回路电流较大，阻抗值较小，而当其与油相接触时则回路电流较小，阻抗值较大，通过对探针之间回路电流、电压或阻抗值等输出信号的处理，结合实验前针对输出信号与截面相分率等参数的标定，实现对实际管流流动条件下流经双探针之间两相流体的识别。

1.2 油水两相流动中的应用

LOVICK[5]和ANGELI[6]采用侵入式探针对双流体流型下的横截面局部相分率进行测量时发现：油水界面曲率与含油率相关，低入口含油率向下弯曲，中高入口含油率向上弯曲，随着混合流速的增加，油水界面逐渐模糊，不再存在清晰的油水界面；LAWRENCE等[7]采用双平行探针和环形探针测量分层流动油水界面的高度及界面形状，发现不同实验条件下油水界面均向上弯曲；部分学者采用双平行探针对分层流动的界面波动特性进行了统计测量，发现流速越小，界面波动越规则，相同含水率下，随混合流速的增加，界面波动幅度增加，波动不规则，而随着含水率的上升，油水界面波动幅度增大；与此同时，还尝试采用环形电阻探针对管流半分散、完全分散体系进行平均持水率及局部相分率的测量，得出了不同流型下的阻抗和平均含水率关系曲线；NGAN[4]与PLASENCIA[8]采用环形平行探针成功地对管壁处连续相流体进行识别，高电流值代表水连续，而低电流值则代表油连续。

综上所述，电导探针主要用于两相流动流型检测、管道横截面平均及局部相分率测量、两相界面波动及管壁处连续相流体判别等方面，集中体现在对于分层光滑流、分层波浪流及双流体流型下油水界面高度、形状及界面不稳定性的测量及对分散体系平均相分率的估算上。与此同时，不同的电导探针存在测量适用范围的差异，双平行探针多用于管道横截面相分率平均值的测量及截面界面波动特性的捕捉，而侵入式探针原则上可进一步识别管道横截面任一位置的相分率，环形探针则测量两环探针之间的管道流体柱的平均相分率，同时可识别管壁处连续相流体。在实际测量中，多基于研究目标而将其中两种探针组合使用。

1.3 技术的局限性

电导探针存在应用的局限性，一方面来源于信号处理的技术要求，难以建立输出信号与持液率之间准确的关系；另一方面在于无法准确测量管道截面瞬时局部相分率，大多仅仅是对于平均相分率的描述。目前仅仅在部分高校或者科研机构实验室内部环道油水流动实验测量中得到应用。最近，NGAN[4]采用英国ITS（Industrial Tomography Systems）研制的高精度电阻层析成像仪（图1d），基于多探针采集，成功实现了对瞬时油水局部相分率的测量。

2 FBRM聚焦光束反射测量仪

2.1 基本测量原理

图1 电导探针技术Fig.1 Conductivity probe technology

FBRM聚焦光束反射测量仪也称粒度仪（图2a），其主要作用是对油水分散体系中分散液滴尺寸及数量在线高精度、高灵敏度的实时监测。粒度仪的工作原理主要是利用其探头内的激光光源纤维发射激光，激光进入光束分裂器分裂，分裂后的激光束再经过高速旋转的棱镜，使得光束路径偏离中心轴并且聚焦，形成光“焦点”（“焦点”在探头外附近），随着镜光片的高速旋转，激光束路径以及“焦点”也不断地在中心轴方向以恒定速率回旋，“焦点”射在待测样中，激光在颗粒表面发生散射，一定比例散射光会返回进入探头，最后到达探头探测器，仪器自动进行数据信号分析，统计液滴颗粒的弦长，并给出不同弦长的数量累计分布（图2b）。

2.2 油水两相流动中的应用

粒度仪最先应用于搅拌罐及反应釜内油水分散体系稳定性及微观液滴分布形态的研究，学者们通过其在不同条件下的分布特性表征含水率体积分数[9]、外部惯性力[10]及活性剂浓度[11]等因素对油水分散体系稳定性的影响。对于油水两相管流而言，学者们[3，4，12，13]发现双流体及分散流动过程中，油水两相之间的相互掺混及分布极大地影响油水体系的有效黏度和流动的稳定性。近些年，已有学者陆续采用FBRM开展管流液滴分布测量的研究。

KHATIBI[14]采用双FBRM探头对含水率为10%的油水不稳定分散体系上游及下游的液滴进行测量，探究混合流速对于液滴分布的影响，结果发现：上下游液滴分布的尺寸和分布范围存在差异，进而集中体现了管流分散体系中的不稳定性，而活性剂的添加降低了不同混合流速下的液滴分布差异，增强了油水分散体系的稳定性。PLASENCIA[8]采用FBRM对不同性质的六种原油分散体系液滴进行测量，结果发现：原油物性极大地影响了液滴的分布情况，集中体现为原油内活性物质（比如沥青质）及黏度等因素对油水体系乳化程度的影响的差异化，同时认为大液滴的形成是反相发生的诱导因素，液滴聚并及反相的发生不仅仅取决于连续相黏度的大小，还与界面活性物质有关。PLASENCIA[15]采用Span80乳化的Exxsol D80 mm模拟油进行不同混合流速下的液滴分布测量，其固定含水率为83%，发现低流速下液滴分布变化很小，而在此流速区间上的有效黏度则逐渐降低；而在高流速下区间内，液滴尺寸随混合流速的增加逐渐减小，有效黏度逐渐增大。除此之外，采用上述乳化体系，观察16、32、60、90 mm 4种不同管径下反相前后液滴分布的变化发现：含水率固定的条件下，液滴尺寸随混合流速的增加逐渐增大直至反相前，反相后液滴尺寸骤然变小。

除FBRM能对液滴分布进行测量统计以外，颗粒录影显微镜技术PVM（Particle Video Microscope）通过提供高显微质量实时在线记录颗粒的图象信息，对于图像的处理也能够实现分散体系液滴尺寸及数目的统计及测量，然而其大多应用于反应釜中，鲜有关于其在管流油水分散体系中的使用。相比于FBRM，PVM由于其直接对液滴图片进行分析，避免了弦长向粒径转化带来的误差，因而对液滴尺寸的测量更为准确，但对于小液滴尺寸（＜5 μm）无法有效测量，体系平均粒径尺寸测量值高于FBRM，两种测量方法可基于实验数据和对数正态分布相互建立关联转化模型，提高单个设备的测量精度。

图2 聚焦光束反射测量仪Fig.2 Focused beam reflection meter

目前液滴分布的研究主要集中在以下方面：微观液滴分布与乳化体系稳定之间的关系；不同管流条件下液滴分布的影响变化规律；液滴分布对半分散、分散体系中有效黏度及压降变化规律的影响，旨在建立较为准确的压降计算模型。

2.3 技术的局限性

FBRM和PVM的应用仍存在些许问题，其中最大的缺陷在于粒度仪探头为侵入式测量，会对管流流场造成干扰，进而影响液滴分布统计的准确性，同时由于油水分散体系的不均匀性，管道横截面不同空间位置处的液滴分布也难以保证具有相同的统计规律。因而在粒度仪使用时，建议一方面合理设计粒度仪在管道中的位置，避免影响其他参数的测量；另一方面建议针对不同空间位置的液滴分布进行试测、比较，以空间体积加权的方式得出具有代表性的管截面液滴分布。

3 光学测量设备

3.1 基本测量原理

高速摄像作为最先应用于油水两相流动的光学测量设备，由于其自身较高的采样频率及直观的图像表征形式，已成功代替目测法，实现了油水管流流型判别及其对流型转化过程中油水结构瞬时变化规律的研究，集中体现为对油水相间不同掺混程度的定性比较。激光多普勒测速仪LDV/LDA（Laser Droppler Velocimeter/Laser Droppler Anemometry）作为一种非接触式激光测量设备，能够实现油水流动过程中瞬时速度的准确测量，并且其反应迅速，数据采集频率高，具备较高的解析力和较宽的测量范围。ELSETH[16]采用LDA成功测量了油水两相流动过程中的局部平均速度及湍流强度。但是，LDA技术限制于单点测量，无法同时描述整个流场的流动信息，也缺乏对于同时刻油水两种介质不同流动行为的追踪。

粒子图像测速技术PIV（Particle Image Velocimetry）[17-18]（图3a）克服了LDA单点测量的局限性，已逐渐被学者们用于油水管流流场的测量，作为一种非接触在线激光全场测量技术，其能够捕捉测量区域内全部的速度矢量。完整的PIV系统由激光发射器、PIV相机、同步器、示踪粒子及流场分析处理软件构成。其测量原理主要通过激光发射器一瞬间发出两个激光脉冲，经柱透镜片光源镜头组后，形成片状激光，照亮事先加入流场中的示踪粒子，通过PIV专用相机的双曝光功能，一瞬间获得两次曝光，并且通过同步器确保激光发出的两个脉冲分别落入相机的两次曝光中，使相机获得一瞬间示踪粒子在流场中位移前后两帧的图像，通过对两帧图像的互相关处理，获得全场速度矢量分布[19]（图3b）。平面激光诱导技术PLIF（Planar Laser Induced Fluorescence）[20-22]（图4a）多用于测量两相相间形态的变化。其测量原理与PIV测量原理类似，添加在油水两相中某一相的荧光粒子受一定波长的激光激发后，向外发射波长高于激发波长的光，光经相机镜头偏光片的过滤后，记录在相机感光元件上，以此呈现出所测相的形态，借助于高频激光发射器及高速摄像机，能够实现对油相或者水相微观形态瞬时变化的动态捕捉（图4b）。

3.2 油水两相流动中的应用

图3 粒子图像测速技术Fig.3 Particle image velocimetry technology

近些年来，国内外对于油水两相管道流动的研究较少，因而对于光学测量设备的应用，尤其是PIV与PLIF的使用较少，目前相关应用主要集中在挪威泰勒马克大学学院及英国帝国理工学院。PIV主要用来探究混合流速、持液率及管道倾角等因素对油水两相管流流场的影响。KUMARA[17]同时采用PIV及LDA进行了油水分层流动实验观察，其通过单相水管流PIV实验验证了PIV测量的准确性。在油水分层流动流场测量实验中则发现：轴向与径向速度波动与单相流动分布规律类似，界面附近一定区域的雷诺应力变化极小，且值普遍较小，并将这种现象归结为油水界面在重力作用下的壁面抑制作用。基于PIV速度场发现：水平管道及上倾管道实验中，油相速度大于水相速度，并且随着倾角的增加，两相速度滑差增大，下倾管道中则成相反趋势，管壁附近速度波动及雷诺应力最强，随倾角增大，油水界面波动增强，界面附近区域速度脉动及雷诺应力也逐渐增强，并逐渐接近管壁附近的脉动强度。

图4 平面激光诱导技术Fig.4 Planar laser induced fluorescence rechnology

平面激光诱导技术PLIF主要用来研究流型转化过程中油水两相微观形态演变过程。LIU L[21]采用PLIF技术对分散流动中的液滴形态变化进行了详细观察，其将流型图划分为O/W油包水分散流动、水包油W/O分散流动及其中间的过渡流动，并佐证了过渡流型区间内存在局部O/W流型与W/O流型的共存和O/W/O油包水包油和水包油包水W/O/W二次分散流动的现象，并给以图片记录；此外，其还对高速摄像采样的图片进行处理，依靠两相各占图像的面积计算出瞬时相分率及平均相分率，并对分散相液滴尺寸及其分布进行了统计。

PIV与PLIF测量原理类似，均采用激光或反射或激发流体中示踪粒子的轨迹完成测量，不同点在于前者侧重速度的捕捉，后者观察形态的演变，原则上两者可耦合使用。MORGAN[23]采用PILF结合PIV测量手段观察油水流型、局部相分率、油水界面变化、液滴分布及油水流场变化。其测量结果基于PIV实现了流场测量；基于PLIF图像的二值化处理，清晰地识别及计算油水两相分布，完成了流型划分；统计白色液滴在图像上所占区间及面积，计算流动过程中液滴的数目及尺寸，以此得出两相流动中的液滴分布。结合PIV对油水速度的测量及PLIF对两相物理行为的捕捉，发现了速度滑移比增大，油水掺混区域增大[24]。

总结得出，光学设备目前主要用于对油水管流实验中分层流、双流体流、半分散及完全分散流型的识别、流型转化过程中宏观与细观形态及流场变化，捕捉油水掺混过程中物理形态及内部流场变化，记录细观液滴行为变化。

3.3 技术的局限性

光学测量设备在油水两相中的应用仍存在局限，一方面在于目前应用的设备均为二维测量设备，对于解析三维流动特性存在一定的片面性；另一方面在于部分光学测量设备对被测液体有严格的要求，如LDA与PIV设备要求所测液体严格透明，以便激光能穿透所测液体，点亮示踪粒子，避免光线自激光器到示踪粒子及示踪粒子至相机传递路线的扭曲，影响测量准确性，因而实验无法对不透明原油在流动过程中进行流场测量。目前实验室大都采用无色透明的模拟油进行油水两相管流实验，而油水两相折射率的差异往往会造成流动过程中出现因油水界面弯曲或油水两相局部分散导致的模糊及不透明现象。为解决此问题，学者们多采用向水相添加高折射率物质，例如添加丙三醇，使其与油折射率匹配，然而，即便调平折射率，在分散流动中仍会出现模糊的现象，因而PIV及LDA多用于分层及双流体流动，而分散流动仅适用于低分散相体系。耦合PIV及PLIF的综合使用原则上能够同时获得油水掺混过程中的相间形态变化与流场信息，然而由于荧光粒子尺寸一般较小，即使采用长焦镜头或显微镜头完成对其所添加相局部流场信息的捕捉，放大倍数的提高会使得测量范围减小，造成所测流动区间减小，无法解析出全场流动信息，难以描述整体相间的相互作用。

4 伽玛相分率仪

4.1 基本测量原理

伽玛相分率仪[16]（图5）主要依靠伽马射线对介质较强的穿透能力，利用介质对伽马射线吸收率的不同，介质密度大吸收射线多，密度小吸收少，以此实现对不同介质相分率的非接触式测量。实验中一般将伽马射线源与检测探头放置管道两侧，当伽马射线通过流经管道的油水混合物时，探头便可检测到射线的强度（计数），结合实验前伽马射线对油水单相强度单独的标定，即可得出混合体系油水的相分率[25]。

根据Beer定律，假设射线源强度为Io，当其穿过已知厚度为lo（mm）的单相介质时，其强度变化为

对于油水体系，假设其分别通过线性吸收系数μw、厚度lw的水层及线性吸收系数μ0、厚度l0的油层，其强度变化为

其中水相和油相的吸收系数可在标定实验中经公式（1）计算得出。结合标定实验中油水两相各自测量的强度Io及Iw，耦合公式（1）与（2），经简单推导即可得出含水率εw的计算公式

4.2 油水两相流动中的应用

ELSETH[16]结合高速摄像，采用伽玛相分率仪对水平管道轴向截面不同径向位置的时间平均相分率进行测量（图5），实现了对于分层光滑流、分层波浪流、局部分散流动及完全分散流动含水率的测量，发现高混合流速及高入口含水率易促成稳定的分散体系。KUMARA[17]采用单能伽玛相分率仪探究倾角对局部平均含水率的影响，结果发现上倾管道含水率一般大于水平及下倾管道，而随着混合流速的增加，倾角对局部含水率的影响减小。AMUNDSEN[26]利用伽玛相分率仪研究倾角对油水流型的影响，发现倾角增强了油水两相的掺混，并扩大了其局部油水分散区间。以上研究发现，伽玛相分率仪多用于固定位置平均相分率的计算。对比其与电导探针对相分率的测量，其优势在于非侵入式测量不会对多相流动造成干扰，采用多发射源同时测量的方法可实现对管道不同轴线位置相分率的测量；缺点在于无法实现对分层流动界面波动特性的测量，单纯依托伽马相分率已无法实现非透明管道的流型识别。由于伽马源放射性问题，目前相关设备使用受限。

图5 伽玛相分率仪Fig.5 Gamma phase divider

4.3 技术的局限性

伽马相分率仪的局限性一方面在于油水密度差较小，对于伽玛射线的吸收差异较小，影响其测量的准确性；另一方面在于需要较长的采样时间，同时其测量参数为平均局部相分率，无法满足对油水两相复杂多变流动特性的测量要求。近些年来，为及时有效捕捉油水流动随时间变化的规律，HU[27]开发设计X射线层析成像技术，能够实现对气液分层及段塞流动界面结构及流动特性的瞬时测量，并能对油气水三相界面进行识别，然而通过文献调研，发现该项技术并未在油水流动特性的测量实验中得到广泛应用。

5 结束语

由于先前研究受制于测量设备的能力，难以对流动过程中油水两相相间行为变化及细观两相流场演变等方面进行准确的观察及测量，更缺乏对宏观流动现象背后的细观及微观机理解读，因而无法做出对影响流型转化、压降变化规律等测量参数变化的因素进行理论分析，难以建立完善的理论。建议如下：

（1）两相流动流场信息测量。借助于以上仪器，能够实现对瞬时复杂流场的测量，获得准确的油水两相之间及各自与管壁之间的速度滑移比，清晰地描述管道轴向两相速度分布，从细观流动结构上确定影响油水两相相间作用的决定性因素，建立新的流型转化机理，进而确定不同流型下的压降计算模型。

（2）油水界面捕捉。油水界面的捕捉包括油水分层流下界面的波动，双流体流下相间的掺混，分散流下液滴的分布。开展此类研究能够确定油水界面摩擦因数，因局部及完全分散引起的有效黏度变化趋势及其对压降规律的影响，进而完善压降计算模型，提高压降预测精度。