倾斜管气液两相流型转化边界

杨伟霞, 梁若渺， 方志刚, 丁 琼, 廖锐全*

(1.长江大学石油工程学院， 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， 武汉 430010；3.中国石油吐哈油田公司工程技术研究院， 哈密 839009； 4.中国石油吐哈油田公司工程技术研究院， 吐鲁番 838000；5.中国石油新疆油田公司工程技术研究院， 克拉玛依 834000)

在石油行业中多相流动是一种常见的流动状态，流型是定义多相流动状态及准确预测压降的重要参考依据[1]。流动型态的不同对两相流动的力学研究以及传热性能等都存在很大的影响，从目前的应用情况来看，气液两相流动状态应用较多。在两相流动状态下，常见的流型有分层流、气泡流、段塞流、搅动流及环状流。

由于影响流型变化的因素多，从不同的研究角度出发，不同的学者得出的流型判别方法并不一致。经过学者们对两相流动的深入研究，发现水平管两相流动机理及规律并不适用于倾斜管[2-8]，后来对水平管和倾斜管分别展开研究。相对于水平管来说倾斜管的研究较少。20世纪80年代，Barnea等[9]研究了-90°～90°倾斜管的流型变换准则，并给出了流型判别标准。后来学者们开始了对倾斜管气液两相流的研究，刘晓娟等[10]从物理机制集成化角度出发建立了倾斜井筒的各种流型的存在准则，但并未给出各流型转化的边界线；马俊等[11]研究倾斜管中泡状流、准弹状流及环状流的流型变化特征，并拟合出相应的流型转化条件；洪文鹏等[12]对垂直管内气-水两相进行可视化研究发现5 mm管的流型转换区域与Mishima-Ishii模型相似，3 mm管的转换边界与Akbar等模型具有一定的一致性；张雪[13]分析了倾斜管中管道倾角变化对流型转变的影响，并用多物理耦合分析软件，对上倾斜管中气液两相流中不同时刻的体积分数进行数值模拟研究,判别气液两相流的流型,分析气相折算速度、液相折算速度和管道倾角对流型的影响；边晓航等[14]利用ICEM(the integrated computer engineering and manufacturing code)对油水两相进行了数值模拟，建立了不同角度的井筒模型；常方圆等[15]对低角度的气液两相模型进行了研究，使用流体体积法模型模拟了倾斜角分别为10°、20°和30°的上倾斜管,得到了不同流动时间的相分布云图，但是缺乏对大角度倾斜管的气液两相模型的研究；吴志成等[16]进行了微倾斜管内气液两相流长气泡形状实验和模型研究，建立了长气泡的理论模型，但此模型仅用于对段塞流的判断。

经过文献调研发现，最近几年大多学者致力于研究低角度倾斜管以及水平管的流型转化研究，对于大角度倾斜管的研究较少，从油田生产实际发展形势来看，选用定向井的数量日益增加，所以倾斜管的两相流动研究意义尤为重要。目前虽然流型判别方法很多，但对气液两相流动机理研究尚不完善，导致不同的学者得出的气液两相流理论模型存在一定的差异，至今为止没有一种通用的倾斜管流型转化准则。

根据大量文献调研以及实验数据对比，发现Barnea等[9]提出的流型判别准则较为全面，但实验条件及影响因素的不同会导致该模型和实验结果存在很大的差异。基于此，针对Barnea流型判别方法对倾角分别为30°、45°、70°、90°的流型转换准则进行研究，使用实验与理论相结合方法验证Barnea模型，修正Barnea模型中泡状流-段塞流及段塞流-搅动流的流型转换关系式，绘制出修正后的流型图，提出倾斜管流型转换化的通用准则。以期为油田的安全生产以及产能的提高提供合理的论依据。

1 倾斜管流型识别方法理论依据

对于倾斜管流型判别机理[16]来说，在已知流体物性、管径、管路角以及气、液相折算速度时，Barnea等[9]提出了流型的判别方法，判别准则如下。

(1)泡状流-段塞流转变判关系式：

(1)

式(1)中：φ为空隙率，取值为0.25；vsl、vsg为液相、气相表观流速，m/s；ρl、ρg分别为液相、气相密度，kg/m3；θ为管道的倾角；σ为表面张力，N/m；g为重力加速度，m/s2。

(2)段塞流-搅动流的判别关系式：

(2)

(3)

式中：dc流型转变时气泡直径，m；H1s间歇流的液塞持液率(Hls≥0.48)；φs为间歇流的液塞空隙；fm混合物摩阻系；σ为表面张力，N/m；vm为气液混合后的速度，m/s;D为管径，m。

2 实验研究及模型验证

2.1 实验平台

实验是在长江大学多相管流实验室完成的。该实验平台能进行气水、气油、油水、油气水等多种流体，在0～90°倾角、常温～90 ℃、常压～3 MPa、液流量0～500 m3/d、液黏度0～1 000 mPa·s、气流量0～50 000 m3/d范围内的多相管流动态研究。

为了便于观察流型，此次实验采用长8 m的有机玻璃管，并结合高速摄像机获取的管内流态的瞬时变化的照片作为流型判别的基础资料。实验所需要的气体流量、液体的流量、入口压力、出口压力、管道温度及持液率等数据由数据采集系统获取。实验装置精度如表1所示，实验系统如图1所示，实验条件及物性参数如表2所示。

表2 实验条件及物性参数

1为在线含水仪，2为过滤器，3为稳压器，4为压力传感器，5为液体流量计，6为控制中心，7为快关阀，8为压力传感器，9为温度压力传感器，10为气液混合气，11为温度传感器，12为离心泵，13为手动阀，14为气动阀，15为测试管段

表1 装置测量精度及范围

本次实验在常温常压(20 ℃，0.101 MPa)的实验条件下进行，实验选用的气相为空气，液相为水，

2.2 实验过程

2.2.1 准备工作

为了保证实验的高效准确，在实验开始之前进行故障排查、设备调试、实验管路扫。调节实验所需的管道倾角和设备参数，对整个系统进行试运行，在保证整个实验能够正常进行的情况下开始实验。

2.2.2 实验步骤

(1)首先进行实验前的准备工作：检查管道气密性，吹扫实验管道，用电动绞车调整实验管道倾角，开启泵机组给管道充液，在正式实验之前对管道系统进行试运行以保证实验的顺利进行。

(2)将管道用绞车调整到离地一定角度，调节柱塞泵的频率来调节管内液体流量的大小，调节气动阀的开度来控制管道的气体流量大小。

(3)等管内的气液流量呈现相对稳定状态时开始记录数据，每隔1 s记录一次，总共记录3 min左右。此时观察管内的流型变化并手动记录，同时，对管道流型进行拍照记录。

(4)不同角度的实验过程如同步骤(1)～步骤(3)，只改变管道的角度。

2.3 数据分析及模型修正

2.3.1 流型特征

在上倾管中，根据Barnea等[9]提出的流型判别模型，设定了气液相流量，分别获取了30°、45°、70°、90°的流型照片、压力及持液率数据。从实验现象中可以观测到倾斜管段的泡状流、段塞流、搅动流、三种流型的变化(从上到下依次为泡状流、段塞流、搅动流，流动方向从左向右)，如图2～图5所示。

(1)泡状流：从图2～图5可以看出，在倾斜管中，由于气量较小，不同形态、大小气泡连续分散在液相中。由于重力作用气泡浮于管道上层区域，随着气量的变化小气泡呈现出不同的状态。角度逐渐增加，气泡逐渐向管道中心移动；在垂直管中，由于气泡的浮力和拖拽力相同，使得气泡均匀分散在液体中液体向上运动。

(2)段塞流：随着小气泡的聚集形成大气泡，大气泡的直径接近管道直径占据了整个过流断面，堵塞液体流动通道，阻碍液体的向上运动，导致管内呈现出气液交替的现象。从图2～图5可以看出，液塞前端有很多小气泡，这是由于液塞前端的液体受到回流的冲击力后，使高速流动的液体到达管道顶部，这部分液体所受的力大于气泡所受的浮力，使得气泡与高速流动的液体相混合，液塞中将包含很多小气泡。

图2 倾角30°泡状流-搅动流流型变化

图3 倾角45°泡状流-搅动流流型变化

图4 倾角70°泡状流-搅动状流流型变化

图5 倾角90°泡状流-搅动流流流型变化

(3)搅动流：从获取的流型照片(图2～图5)上看出搅动流的气相流动状态与段塞流的十分相似，气体向上运动，此时的液体没有堵塞管界面，呈现出聚集下落的现象，后来又被气体举升，出现震荡式向前流动。

2.3.2 模型验证

通过多相流实验平台获取了170组实验数据，对实验数据处理分析，找出数据点的分布规律得出了实验条件下的流型转换界限。根据气液两相速度基本公式(3)、式(4)计算出气液两相的折算速度，以气相折算速度为横坐标，液相折算速度为纵坐标，绘制出30°、45°、70°、90°气液两相流型图(图6)。

图6 不同角度的气液两相流流型图

(4)

(5)

式中：vsg、vsl分别为气液两相折算速度，m/s；Qg、Ql分别为气相和液相的体积流量，m3/s；A过流断面面积，m2。

从图6的流型图可以看出：在任意角度，段塞流总是占据流型图中大部分区域，也就是说段塞流是气液两相流覆盖气液流量范围最广的流型。随着管道倾角的增加，搅动流出现的区域逐渐增大。

随着管道倾角的增加，液体出现回流现象，气体只有通过增加动能才能克服液体的重力向前流动，实现了泡状流-段塞流-搅动流之间的流型转换。实验所得的流型边界与Barnea流型边界对比发现，Barnea等[9]提出的泡状流边界以及段塞流边界与实验条件下所得流型的转换边界均出现误差。经计算得出Barnea模型倾角为30°、45°、70°、90°的泡状流向段塞流流型界限误差分别高达27.0%、40.0%、25.0%、43.0%，段塞流向搅动流流型转换界限误差分别为15%、31.3%、5.8%、37.5%。

根据以上分析，可以得出以下结论：Barnea等[9]提出的倾斜管中泡状流向段塞流及段塞流向搅动流转化边界与40 mm管径实验条件下的结果相比误差较大，流型判别的准确性较低。为了得到较为精确的流型转换边界，将主要针对倾斜管道中泡状流向段塞流及段塞流向搅动流的流型转换边界进行修正，提出了40管径的流型转化条件。

2.3.3 模型修正

通过实验数据处理分析，得出实验条件下40 mm管径的倾斜管的泡状流向段塞流和段塞转向搅动流转换界限并绘制出修正后的流型图。

(1)修正后的泡状流-段塞流转换界限：

(6)

式(6)中:c0为修正系数，取值0.59。

(2)修正后的段塞流-搅动流转换界限：

(7)

式(7)中：C1为修正后的系数，取值为0.62。

(3)修正后的不同角度的流型图如图7所示。

图7 不同角度的泡状流-段塞流-搅动流边界修正后的流型图

从图7中可以看出，修正后的不同角度泡状流-段塞流-搅动流的流型转换界限误差值均在减小。

2.3.4 新模型的验证

为验证本文中提出的新模型的适用性，利用张雪[13]的实验数据以及Ruhaimani等[17]的数据对新模型进行对比分析。

从图8中可以看出，新模型与两位学者所得流型所在区域吻合度很高，说明新模型在管路倾角为30°、90°通用性较好。但由于数据有限仅对30°的泡状流-段塞流的转化以及90°泡状流-段塞流-搅动流的流型转化进行了验证。45°及70°的流型转化无法验证，希望学者们以后可以对本文的新模型加以验证。

图8 张雪的实验数据以及Ruhaimani流型数据与新模型流型图

表3中通过对比经典的Barnea模型中泡状流-段塞流转换边界和新模型的相对误差发现，新模型的误差明显减小。为了证实新模型的普适性，使用张雪[13]和Ruhaimani等[17]的实验数据对新模型进行验证，其精度较高，证明新模型具备较好的适用性。

表3 泡状流-段塞流转换边界误差对比

表4中将Barnea模型中段塞流-搅动流转换边界和新模型对比发现，新模型对搅动流界限具有较高的预测精度，通过对比其他实验数据发现，垂直管中搅动流的预测界限误差较大，主要是不同的实验条件导致误差较大。

表4 段塞流-搅动流转换边界误差对比

综上，本文实验所得新模型预测误差较小，能够为实际工程提供指导，满足工程需要。

2.3.5 不确定度分析

为了保证实验数据的可信度，分析了实验结果的影响因素。造成本次实验误差的主要原因有流型识别以及压力引起的误差。流型识别时由于不同实验人员判别方法不同，可能会引起流型判断出现差异。为了减小流型判别引起的误差，每组实验人员安排同一人判别流型，并在管路系统安装了分辨率较高的美国IDT公司的NX4-S1高速摄像机拍照记录流型，以便与实验人员记录的流型进行对比，减小实验误差。

压力引起的误差主要是压力测量系统误差，为了减小压力引起的误差，采用平均值法计算压差。

3 结论

为了得到40 mm倾斜管流型判别方法，在多相流实验室平台获取了170组实验数据，通过数据分析与模型修正得出以下结论。

(1)在倾角为30°、45°、70°、90°管道中段塞流为主要的流型，角度的改变对泡状流影响较小，对段塞流和搅动流的影响较大。随着管道角度的增加，流型转化需要的气量增加，流型转换界限均向右移。

(2)随着角度增加，段塞流液膜区逐渐变短，回流的液逐渐增加，段塞流转换边界逐渐向右偏移。

(3)在气液流速给定的条件下，Barnea模型的泡状流向段塞流转化边界误差大，随着管道倾角的增加，段塞流向搅动流的转化边界的准确度逐渐提高。

(4)通过实验数据分析改进了Barnea的泡状流-段塞流及段塞流-搅动流的流型转换边界，提出了修正后流型转换关系式，并绘制出新的流型识别图，大大提高了流型预测的精度。

经过不同来源的数据验证，修正后的流型转换关系式能够准确地识别流型，期望能够将修正后的流型图应用于实际生产，为精确计算压降提供重要的理论支撑。