泡沫排水采气井筒流动规律实验研究

王贵生，张宇豪，王志彬 ，王 翔，王锦昌

1.中国石化华北分公司采气一厂，陕西 榆林 719000；2.西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，陕西 西安 710049；3.油气藏地质及开发工程全国重点实验室·西南石油大学，四川 成都 610500；4.中国石化华北分公司工程技术研究院，河南 郑州 450006

引言

气井在生产过程中，伴随气体流入井筒的游离水或烃类凝析液不能被气流连续带出井口，将在井底形成积液[1]，严重影响气井稳定生产。泡沫排水采气工艺[2-4]因成本低、施工方便及见效快在国内外各大气田尤其是低渗透气田广泛应用。

通过实验准确揭示气井泡排过程中井筒气液两相流型分布规律、压降规律及携液规律对于优选泡排剂种类和优化泡排剂浓度、评价泡排工艺效果、提高泡排工艺管理水平有重要意义。早在20 世纪50 年代，美国就将起泡剂运用在气井的生产中。Alves[5]对井筒中泡沫流型进行粗略划分。Blauer 等[6]根据雷诺数将泡沫流分为层流、过渡流和湍流，并计算了管道中泡沫流的摩擦损失。Christiansen[7]在ϕ50.8 mm 垂直管中发现加入起泡剂后的临界携液气相流速略有下降。Duangprasert 等[8]在ϕ19.0 mm 垂直管内实验研究发现加入起泡剂对环状流和搅动流的过渡条件没有明显改变。Saleh 等[9]在ϕ25.4 mm垂直管内研究发现起泡剂可显著提高段塞流的稳定性，降低压力波动幅度。后来多位学者测试了起泡剂对流型转变和流型特征的影响规律[10-13]。

近20 a，泡沫携液和泡沫压降规律逐渐成为研究热点[14-18]。Lioumbas 等[19]在15◦倾斜管内研究了起泡剂对倾斜管气液两相流的影响，发现起泡剂抑制了小型湍流和旋涡的发展。Xia 等[20]在ϕ59.0 mm 小倾斜管内研究发现起泡剂可以显著降低段塞流和环状流的压力梯度。Yushkov 等[21]发现加入质量分数为0.1%起泡剂后气井临界携液气相流速降低。Nimwegen 等[22]研究了管道直径对泡沫流动特性的影响，发现举升管路内径由34 mm 更换为80 mm 后举升效率下降，需要通过提高起泡剂浓度来维持同样的举升压力梯度。上述研究大多是在单一角度或者小范围角度内开展的，起泡剂对流型过渡界限的影响尚未明确，对泡沫流动特性和泡排效果的影响方式还缺乏研究，很多关于泡沫携液和压降的研究也不成熟[23-27]。为此，本文搭建了一套高8 m、内径30 mm、大角度范围的可视化有机玻璃管实验装置，开展不同倾角、起泡剂浓度及气液流速下的流型、压力梯度、持液率和临界携液气相流速等流动特性的实验研究，揭示了泡沫排水采气井井筒压降及携液规律。

1 实验装置及实验方法

实验装置主要由供给系统、实验管段和测控系统组成。实验管段为ϕ40 mm×5 mm 有机透明玻璃管、总高8 m、内径30 mm，安装在可调节倾角的实验台架上，角度可调范围为0◦∼90◦。压差测试段长2.15 m，两端安装有一组三通球阀，三通球阀由连杆控制开关。测试段两端安装压差传感器，测试底端预留一小孔，用于排出待测液以计算持液率。实验流程如图1 所示。

图1 实验流程示意图Fig.1 Diagram of experimental procedure

实验以起泡剂溶液作为主要实验介质，空气-清水作为对照组，起泡剂溶液从水箱中抽出，通过调节阀调节至实验目标液流量，由液体流量计测定液流量；空气压缩机供给气体，经气体流量计测量气流量，气、液在三通处混合产生泡沫，并流入有机玻璃管部分；当流动状态稳定后，控制拉杆关闭测试段两端三通球阀，并将旁路打开作为流动通道。待测液体由测试段底部软管排出，经量杯收集用电子天平称量，得到泡沫体积和液体重量数据，以此计算持液率。混合流体通过实验管路后，进入废液罐进行沉淀消泡和气液分离。本研究开展了不同的气流量、液流量、起泡剂浓度和倾角下的流动实验，并测量持液率、压力等数据。实验的气相流速为0∼20 m/s，液相流速为0.01∼0.20 m/s；空气压缩机出口压力为0∼2 MPa；起泡剂为UT-11C（植物皂甙复合表面活性剂），质量分数为0.05%；实验测试倾角为0◦∼90◦，基本涵盖泡排井生产的参数范围。

2 实验现象分析

在30 mm 内径有机玻璃管内开展了垂直管泡沫流型实验，通过与常规气液两相流流型对比，定性分析起泡剂对流型的影响。

2.1 泡状流

图2a 为清水条件下泡状流流动情况，液相为连续相，大量小气泡分散于液相中，小气泡之间碰撞聚结，合并形成大气泡，直径略小于管径，形似帽状，在连续液相中缓慢上升，大气泡尾部夹杂少量小气泡，呈现气泡在液体中螺旋上升的流动情景。起泡剂加入后泡状流如图2b 所示，液相仍为连续相，气泡数量明显增多，气泡直径变小且较为分散，没有大量聚集形成泡沫。

图2 起泡剂加入前后泡状流流动情况对比Fig.2 Bubble flow pattern before and after surfactant addition

2.2 段塞流

随着气相流速增大，气泡直径变大，逐渐过渡到泰勒气泡-液塞交替上升的段塞流。图3 为段塞流典型流动情况，两部分组成了一个完整的段塞体单元。其流型特征为：泰勒气泡与液塞交替上升，泰勒气泡头部较为圆润光滑，形似子弹头，周围的液膜回流，尾部是夹带小气泡的液塞。

图3 典型段塞流Fig.3 Typical slug flow pattern

加入起泡剂后的段塞流如图4 所示，与清水条件不同，泰勒气泡和管壁之间的液膜被许多小气泡占据。泰勒气泡的底部是密集的泡沫产生区域，随后是大量的小气泡群。小气泡形状不均匀，但仍呈球形。同时，由于气体能量不足，液体回流引起管内的震荡和搅动，而产生大气泡，泰勒气泡被这些大气泡占据，内部呈现分层的排列方式。

图4 加入起泡剂的段塞流发展过程Fig.4 Developing process of slug flow with surfactant

2.3 搅动流

随着气相流速的进一步增加，气液搅动加剧，泰勒气泡头部轮廓开始消失，液塞被气流冲散，沿管壁回落、聚集，形成新的液塞，而后又被气流举升。这时的气相分布与段塞流有些相似，但更加紊乱复杂。这种无序的、震荡式的液体运动正是搅动流的特征，如图5 所示，其特征为：气窜和液塞交替上升，气窜头部是被冲散的液塞，气窜周围是回流的液膜，气窜尾部是下一个液塞，液塞内部夹杂有大量气体。

图5 典型搅动流Fig.5 Typical churn flow pattern

加入起泡剂后的流动如图6 所示，在搅动流中，起泡剂使液相的运移方式由块状结构的夹带转变为不稳定波状结构的附壁爬升。相当部分气体进入液相中，并分解成气泡。小气泡会留在液膜中，而大泡沫会迅速破裂，这一过程会产生大量泡沫。与典型搅动流类似，回落的液体与上行气流产生冲击搅动，但搅动产生的细小泡沫对气液间的摩擦与回落产生的冲击起到了良好的缓冲作用。

图6 起泡剂加入后搅动流发展过程Fig.6 Developing process of churn flow pattern with surfactant

2.4 环状流

当气相流速大到足以连续携带液体时，气体突破液相形成连续相—气芯，气芯中携带少量液滴，而大部分液相以连续的液膜形式沿管壁向上运移，典型流型如图7a 所示。而在加入起泡剂后，由于高气相流速，管壁与气芯之间由一层致密泡沫形成的泡沫膜取代纯液膜附在管壁四周，这层泡沫膜几乎静止，如图7b 所示。起泡剂促使液相的运移方式由液滴夹带和液膜携带转变为周向和轴向分布相对均匀的稳定泡沫波运移，膜上的泡沫波以一定的频率向上输送液体，这种情况下起泡剂促进了气泡夹带，同时抑制液滴夹带，从而完全改变液相的分布和运移特性。气泡夹带导致液膜密度显著降低，这更有利于液相被气相携带。与搅拌流作用下液膜上的不稳定波相比，起泡剂使泡沫波能够持续携带液体向上运动。因此，携带液体的效率显著提高。

图7 加入起泡剂前后环状流流型对比Fig.7 Annular flow pattern before and after surfactant addition

将以上泡沫流动现象总结为4 类，如图8 所示，泡沫环状流是4 种流型中结构最稳定的流型，泡沫环状流能形成由致密泡沫组成的稳定泡沫膜，膜上的泡沫波呈现一定的频率向上输送液相，气泡夹带逐渐取代液滴夹带。泡沫段塞流和泡沫搅动流可视为气液交替上升的间歇流型，但泡沫搅动流的间歇性稍弱，其气窜、液塞长度不停发生变化，流动极不稳定，其不稳定波伴随液膜回落搅动产生大量泡沫；而泡沫段塞流的间歇性最为明显和规则，泡沫段塞流的泰勒气泡被大气泡占据，泰勒气泡和管壁之间的液膜被小气泡占据，泰勒气泡的尾部泡沫密集。泡沫泡状流出现在较低的气流速下，由于起泡剂的加入，低气相流速下形成的小气泡很容易聚集结合形成一个缓缓上升的子弹头状的大气泡。泡沫泡状流与清水泡状流流动特性较为相近，主要区别在于：1）泡沫泡状流的气泡短而小，直径小于清水泡状流的直径；2）泡沫泡状流气泡数量多、尺寸比较均匀；3）泡沫泡状流到泡沫段塞流的过渡界限向右偏移。

图8 泡沫流型划分Fig.8 Flow pattern with surfactant

通过实验现象及数据分析，将不同流型对应的气液表观流速绘制在对数坐标中，得到如图9 所示的流型转换图。

图9 起泡剂对垂直管气液两相流流型转换边界的影响Fig.9 Surfactant effect on transition border of gas-liquid two phase flow in vertical pipe

可以看出，起泡剂的加入缩小了间歇流动的气相流速区间，显著加速泡沫段塞流向泡沫搅动流、泡沫搅动流向泡沫环形流的转变，降低了流型转化的气相表观流速。其主要原因是起泡剂的加入降低了气液界面张力，气体更加容易溶入液相，泡沫段塞流的液体段塞或搅动流的液块中嵌入了大量小气泡，使得液体段塞或液块的表观密度和强度大幅降低，段塞容易被气流突破，液块容易被气流破碎雾化，为此流型转化所需的气相流速降低。同时，由于液体段塞或液块的表观密度降低，与气流的密度差减小，为此泡沫流的稳定性变好。

3 实验结果分析

3.1 压差的影响因素分析

3.1.1 起泡剂质量分数的影响

图10 给出了液相表观流速vsl=0.05 m/s，气相表观流速vsg=1.21∼15.80 m/s 下压差随起泡剂质量分数的变化。当气相表观流速低时，常规气液两相流动以发展中的泡沫段塞流为主，压差呈周期性波动，每隔一段时间，就会出现一个峰值，说明此时测压点刚好有液体段塞经过。由于是发展中的泡沫段塞流，每个周期内长气泡和液塞长度各不相同，所以每个周期的波峰和波谷对应的压力与下一个周期有所不同。而加入起泡剂后，管道内的搅动得到了抑制，在起泡剂质量分数为0.5% 时，压力波动大大减小。随着起泡剂质量分数的增加，压差波动越来越小，如图10a所示。

图10 不同气相表观流速及起泡剂质量分数下压降动态变化规律Fig.10 Dynamic pressure drop affected by superficial gas velocity and surfactant concentrations

使用起泡剂的气井作业需要初步选择最佳起泡剂质量分数。最佳质量分数能产生相对稳定的泡沫，而气相流速继续增大会促使气泡破裂，形成更小更致密的泡沫，这样不仅使得泡沫膜中携带更多的液体，同时气体和黏性泡沫膜之间的界面摩擦增加，泡沫之间形成附加粗糙度，从而导致摩阻压降显著增加，如图10d 所示。当气相流速较小时，如图10a、图10b 所示，压降随起泡剂质量分数增加而降低，其原因是加入起泡剂后气液间的滑脱减小，混合物密度降低，重力压降减小，总压降减小。而当气相流速逐渐增加，流型过渡到环状流时，如图10c、图10d 所示，压降随起泡剂质量分数增加而增加，其原因是加入起泡剂后，泡沫段塞流或搅动流向环状流转化的气相流速减小，流型提前过渡到环状流，此时摩阻压降增加，而泡沫流体的摩阻压降远大于清水流体的摩阻压降，故总压降增加。

3.1.2 气相表观流速的影响

图11 为起泡剂质量分数在0∼0.3%，液相表观流速vsl=0.01∼0.20 m/s，气相表观流速vsg=0∼20 m/s下，平均压差随气相表观流速下的变化。可以看出，起泡剂加入前后总体变化不大，但平均压降最低点对应的气相流速却有很大不同。对比图11a、图11b和图11c，加入起泡剂之后平均压差最低点前移，平均压降大幅降低，气相流速在5∼10 m/s 尤为明显，说明起泡剂的加入改善了流动的压降规律。而随着气相表观流速的增加，流型向环状流发展，平均压差随流速的增大而增大，这表明降低气液流速可显著增大起泡剂的助排作用。与清水相比，加入0.3%起泡剂可将vsl=0.01 m/s 和vsl=0.05 m/s 在低气相流速的平均压差分别降低94%和68%。

图11 不同起泡剂质量分数条件下测试压降随气相表观流速的变化规律Fig.11 Pressure drop affected by superficial velocityand surfactant concentrations

3.1.3 倾角的影响

图12 为起泡剂质量分数0 和0.1%，液相表观流速为0.05 m/s，气相表观流速为2∼20 m/s 下压降随着倾角的变化。在空气-水流动中，高气流能够连续携液，压降几乎不受倾角的影响，而在低气相流速下，倾角的影响则较显著。在大倾角（50◦∼75◦）下，倾斜管底部液膜较厚，加入起泡剂不能形成稳定的泡沫膜，泡沫含液量较大，故底部液膜向上运移需要较大的摩擦。当倾角小于50◦时，由于重力项分量gsinθ 减小，压降随着倾角的减小而降低，如图12a。加入起泡剂后压降在高气相流速下受倾角的影响较小，但在vsg=2∼10 m/s，起泡剂大幅降低了所有倾角的压降，说明起泡剂有效抑制了段塞流-搅动流区域内的压降，如图12b 所示。

图12 不同倾角下测试压降变化规律Fig.12 Averaged pressure drop affected by inclination angle

3.2 持液率的影响因素分析

3.2.1 起泡剂质量分数和表观流速的影响

图13 为液相表观流速vsl=0.01∼0.20 m/s，气相表观流速vsg=0∼20 m/s 下持液率随起泡剂质量分数的变化，可以看出，低气相流速下，持液率随着质量分数的增加而降低，其主要原因是气液间的滑脱效应减弱。但高气相流速下，持液率随起泡剂质量分数的变化趋于稳定，这表明处于环状流下，起泡剂质量分数对持液率影响不大。对比图13a、图13b 和图13c，不论是清水，还是泡沫流体，随液相表观流速增大，进液量增大，持液率略微增大。而随着液相表观流速减小，起泡剂质量分数对持液率的影响趋于一致，说明液相表观流速较小时，起泡剂降低持液率的效果较好，这反映起泡剂可显著增强小液量的助排效果。

图13 不同气相表观流速及起泡剂质量分数下的持液率Fig.13 Liquid holdup affected by superficial gas velocities and surfactant concentrations

3.2.2 倾角的影响

图14 为起泡剂质量分数0 和0.1%、液相表观流速为0.05 m/s，气相表观流速为0∼20 m/s 下持液率随倾角的变化，从图14a 中可看出，在相同气相表观流速下，随着倾角的增大，持液率减小。图14b中可以看出，起泡剂加入后，持液率大大降低。在低气相流速区域，持液率受倾角影响的程度较大，而在高气相流速区域，倾角对持液率的影响减弱。这是由于起泡剂在低气相流速下泡沫有效地抑制了管道内的搅动，同时降低了携带液膜所需要的气流速，因此，起泡剂的加入减弱了倾角对持液率的影响程度。

图14 不同气相表观流速及倾角下持液率变化规律Fig.14 Liquid holdup affected by superficial gas velocities and inclination angle

3.3 临界携液气相流速的影响因素分析

3.3.1 倾角和起泡剂质量分数的影响

图15 为起泡剂质量分数0∼0.5%，vsl=0.05 m/s下临界携液气相流速随倾角及起泡剂质量分数的变化，可以看出，临界携液气相流速随倾角的增加先增加后减小，这是因为倾斜管中液体主要以液膜的形式运移，液膜的受力主要包括自身重力、管壁支撑力和气流与液膜的界面摩擦力。在垂直段，液膜所受管壁支撑力为零，此时重力对液膜反转影响最大；随着倾角变小，重力影响减小，气体与液膜的界面摩擦增加，同时管壁支撑力增大，液体反转受重力、气液界面摩擦力和管壁支撑力的共同影响，导致临界携液气相流速最大值出现在50◦左右。同时，临界携液气相流速随起泡剂质量分数的增大而减小，在加入质量分数为0.5%的起泡剂后可以使临界携液气相流速最大降幅超过40%。

图15 临界携液气相流速随倾角及起泡剂质量分数的变化Fig.15 Critical gas velocity affected by different inclination angle and surfactant concentration

随倾角变小，液膜重力在流动方向上的分量逐渐减小，对临界携液气相流速的影响逐渐减弱。但是，随着倾角变小，液膜厚度在周向上分布的不均匀性增强，倾斜管底部的液膜更厚，顶部液膜更薄；底部液膜携带所需的气流速增加；在两者的综合作用下，倾斜管底部液膜的重力在流动方向上的分量随倾角减小是增加后减小，在倾角50°的位置达到最大。

总的来说，加入起泡剂能降低临界携液气相流速，在倾角50° 左右的倾斜管段效果尤为明显。通过对比可以看出，加入起泡剂后，临界携液气相流速大幅降低；0.1%情况下的临界携液气相流速降低幅度为20.25%；0.3% 的临界携液气相流速降低幅度为30.35%，0.5% 的临界携液气相流速降低幅度为35.40%；临界携液气相流速降低幅度并不随起泡剂质量分数增加而呈线性增加，液膜的重力也不再线性下降。这说明起泡剂对临界携液气相流速的降低幅度是有限制的，起泡剂的加入并不能无限度降低临界携液气相流速。综合起泡剂自身成本和助排效果，存在一个理论最佳质量分数。对于具体气井，起泡剂用量应从井筒可用的举升压降和气井产气量来确定。

3.3.2 液相表观流速的影响

图16 为起泡剂质量分数0∼0.5%，临界携液气相流速随液相表观流速变化，可以看出，临界携液气相流速随液相表观流速增大而略微增大，表明液量越大管内液膜越厚，气体推动管壁液膜向上运动的阻力增加，临界携液气相流速增加。

图16 不同液相表观流速及倾角下临界携液气相流速Fig.16 Critical gas velocity affected by different superficial liquid velocity and inclination angle

4 结论

1）对比加入起泡剂前后流型的特征，泡沫流流型可划分为4 种：泡沫泡状流、泡沫段塞流、泡沫搅动流和泡沫环状流，基于实验数据绘制了垂直管泡沫流型图。

2）起泡剂的加入对搅动流和环形流的气液分布特性与流动结构有显著影响，促进了泡沫段塞流向泡沫搅动流、泡沫搅动流向泡沫环形流的转变，而降低了流型转化的气体表观流速。主要是泡排剂降低了气液界面张力，气体更加容易溶入液相，段塞流的液体段塞或搅动流的液块中嵌入了大量小气泡，使得液体段塞或液块的表观密度和强度大幅降低，段塞容易被气流突破，液块容易被气流破碎雾化。

3）加入起泡剂后，减小了流动的压力波动幅度，流动的稳定性增强。起泡剂的加入显著降低了泡沫泡状流、泡沫段塞流和泡沫搅动流的压力梯度，抑制管道内产生搅动，并在低气相流速下使流动更加规则。随着质量分数的增加，气泡破裂，形成致密泡沫，导致环状流压力梯度显著增加。

4）加入起泡剂能够很大程度降低持液率。气相流速较高时，气流能够连续携带，持液率随起泡剂质量分数的变化趋于稳定。

5）通过对临界携液气相流速的影响因素分析发现：临界携液气相流速随倾角先增加后减小。加入起泡剂后，临界携液气相流速急剧降低，在50◦左右的倾斜管段效果尤为明显，最大降幅超过40%。对于水平井和定向井，泡排剂加注位置在倾角50◦井段泡排效果最佳。