大流量下傾斜管氣液兩相流實(shí)驗(yàn)研究

周世忠 朱琳 張陽波 等

摘 要：在較高的氣液范圍內(nèi)，以水和空氣為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，在多相流實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行了傾斜向上的高產(chǎn)量氣液兩相流模擬實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)采用內(nèi)徑為40 mm、長8 m的透明有機(jī)玻璃管，并利用高速攝像儀記錄實(shí)驗(yàn)過程中的流型。對實(shí)驗(yàn)流型進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了傾斜管中低氣流速下的一種新的流型-振蕩沖擊流，并研究了表觀氣、液流速和傾斜角對氣液兩相流動中壓降的影響，建立氣/液膜流動模型來分析表觀氣、液流速對壓降梯度的影響作用，實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明：在高氣液量范圍內(nèi)，傾斜管中觀察到的氣液兩相流型主要為振蕩沖擊流、過渡流和環(huán)狀流，并且傾角對流型轉(zhuǎn)變邊界的影響不顯著；振蕩沖擊流壓降隨氣流速的增加而降低，環(huán)狀流壓降隨氣流速的增加而增加，過渡流壓降梯度最小；傾斜管壓降梯度隨著傾斜角度的增加而增大。

關(guān) 鍵 詞：高氣液量；振蕩沖擊流；流型；壓降梯度；傾斜角

中圖分類號：TQ 028 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）03-0504-03

Abstract： Water and air were used as the experimental medium to make the experiment of high output gas liquid two-phase flow on the experimental platform. The transparent organic glass tube with inner diameter of 40 mm and length of 8 m was used， and the flow pattern was recorded by high-speed camera. Based on the analysis of flow pattern， we found a new type oscillatory impulse flow in inclined tube under low gas velocity， and the effect of superficial gas and liquid velocities and tilt angle on pressure drop in gas-liquid two-phase flow was investigated， a gas / liquid film flow model was built to analyze the influence of apparent gas and liquid flow velocity on the pressure drop gradient. The experimental results show that， in the range of high gas and liquid flow， the flow pattern of gas-liquid two-phase flow in the inclined tube is mainly the oscillating impulse flow， the transitional flow and the annular flow， and the influence of the angle of the inclined tube is not obvious， the pressure drop of the oscillating impulse flow decreases with the increase of gas flow rate， the pressure drop of the annular flow increases with the increase of gas flow rate， the pressure drop gradient of the transitional flow is the smallest， and the pressure drop gradient increases with the increase of the inclination angle.

Key words： High gas/liquid flow； Oscillatory impulse flow； Flow pattern； Pressure gradient； Inclination

近年來，雖然在氣液兩相流動方面的研究不少，得到了大量關(guān)于流型、壓降和持液率計(jì)算方面的規(guī)律，但是大多數(shù)研究都是針對的水平流動和垂直流動，而關(guān)于傾斜管氣液兩相流動方面的研究卻很少。隨著傾斜井?dāng)?shù)量的日益增多，準(zhǔn)確地預(yù)測傾斜井筒中壓降變化，研究傾斜管流型及其轉(zhuǎn)變規(guī)律，研究傾角對壓降和持液率的影響，是進(jìn)行油井自噴、人工舉升產(chǎn)量預(yù)測和參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和依據(jù)，也是進(jìn)行油氣田高效開發(fā)的關(guān)鍵因素之一[1]。

Beggs-Brill[2]（1973年）基于理論和實(shí)驗(yàn)研究得到了持液率和阻力系數(shù)的相關(guān)規(guī)律，是目前在傾斜氣液兩相管流方面較全面的研究成果。而Mukherjee-Brill（1985年）在Beggs-Brill研究的基礎(chǔ)上提出了傾斜管氣液兩相流動壓降的預(yù)測模型。國內(nèi)的韓洪升[3]（1990年）通過實(shí)驗(yàn)研究提出的DPI流動型態(tài)法，分別給出了不同型態(tài)下孔隙率和壓差的計(jì)算公式。但是，現(xiàn)有的氣液兩相流壓降計(jì)算方法大多為經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)方法，并且進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究均只考慮了低產(chǎn)量的情況，存在較大的局限性，特別是對于傾斜井筒大產(chǎn)量條件下的實(shí)驗(yàn)研究還處于空白[4-6]。因此，開展高產(chǎn)量下不同傾斜角度多相管流實(shí)驗(yàn)研究，以便更加準(zhǔn)確的掌握高產(chǎn)量下不同傾斜角度油井的氣液兩相的流動規(guī)律，優(yōu)選出適合于高氣液量下的傾斜管氣液兩相流壓力梯度計(jì)算方法，對于油氣田制定合理工作制度和優(yōu)化開發(fā)方案具有重要的指導(dǎo)意義[7-10]。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

圖1所示為實(shí)驗(yàn)裝置流程圖。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括試驗(yàn)井筒段、水循環(huán)回路和空氣回路三部分。實(shí)驗(yàn)用水由水罐中抽出，然后經(jīng)液泵增壓、穩(wěn)壓、計(jì)量再與壓縮氣體混合進(jìn)入測試管段，最后經(jīng)氣液分離器分離氣體后回到混合罐。液體在試驗(yàn)過程中循環(huán)利用。測試管段能測量壓力、壓差、溫度等參數(shù)。由高速攝像儀拍攝和肉眼觀察相結(jié)合的方法進(jìn)行流型觀察和判斷。通過快關(guān)閥來測量試驗(yàn)的持液率，集中控制臺通過傳感器將壓力、溫度、壓差等傳回并記錄。

試驗(yàn)井筒段為0～90°內(nèi)可調(diào)的透明有機(jī)玻璃管。管內(nèi)徑40 mm，管長8 m， 其中壓差測量段長6m。試驗(yàn)在室溫條件下分別進(jìn)行了傾斜向上15°、30°、45°、60°和75°的氣液兩相流試驗(yàn)，試驗(yàn)介質(zhì)為水和空氣；氣體流量范圍為5 000～48 000 m3/d，液體流量范圍為50～480 m3/d，壓力范圍為0～1 MPa。

實(shí)驗(yàn)中首先調(diào)整試驗(yàn)井筒段到達(dá)預(yù)定的傾角，然后采用固定液體體積流量，從小到大改變氣體體積流量的方法。一組實(shí)驗(yàn)后，改變液體體積流量進(jìn)行下一組工況的實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 傾斜管內(nèi)兩相流型轉(zhuǎn)變及其流型圖

在實(shí)驗(yàn)過程中，結(jié)合高速攝像儀及肉眼觀察，測試了不同傾角狀態(tài)下，表觀氣流速7.5～200.0 m/s，表觀液流速0.20～1.96 m/s范圍內(nèi)的流型分布。通過觀測，在表觀氣流速較低時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一種新的流型—振蕩沖擊流。振蕩沖擊流中由于氣體的舉升作用以及液體的回落，導(dǎo)致液相處于不穩(wěn)定狀態(tài)，上下來回振蕩，流型變化表現(xiàn)出周期性。與常規(guī)間歇流不同的是，該振蕩流出現(xiàn)沖擊流間隔時(shí)間長，沖擊流液段數(shù)量少，是一種特殊的間歇流。

通過對實(shí)驗(yàn)過程中的流型進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在本試驗(yàn)流量范圍內(nèi)，傾斜狀態(tài)下的流型主要為振蕩沖擊流，過渡流和環(huán)狀流，沒有出現(xiàn)泡狀流和彈狀流。根據(jù)采集到的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制了不同傾角下的流型圖如圖2所示。從圖中可以看出，在同一表觀液流速下，隨著表觀氣流速的增加，不同傾斜角度下的試驗(yàn)管中的流型轉(zhuǎn)變趨勢均為振蕩流—過渡流—環(huán)狀流。

2.2 表觀氣、液流速對壓降梯度的影響

測得不同液流速、氣流速下傾斜管段的壓降梯度變化曲線如圖3所示。由圖可看出，壓降梯度隨液流速的增大而呈現(xiàn)增大的趨勢。而在同一液流速下，測試管段的壓降梯度在低氣流速區(qū)域隨氣流速的增大而逐漸降低；在高氣流速區(qū)域，壓降梯度隨氣流速的增大而增大。并且從曲線圖中觀察到，壓降梯度在氣流速為20～40 m/s時(shí)最小。

為了更好的解釋壓降梯度的這種變化規(guī)律，我們建立氣/液膜流動模型，從液膜受力的角度來進(jìn)行分析。

在高氣流速區(qū)域，管段中的氣體和液膜開始同向流動，氣流速 和液流速 均向上，這時(shí)產(chǎn)生的流型為環(huán)狀流，其中液膜的受力情況見圖4。

傾斜井筒中的液膜在運(yùn)動過程中受氣流對其施加的剪切力 、管壁剪切力 、自身的重力以及管壁對其的支持力。其中，管壁剪切力 方向?yàn)檠毓鼙谙蛳拢瑲饬魉?越大，剪切力 也越大，從而摩阻壓降越大；同時(shí)，隨著氣流速 的增大，氣芯中所夾帶的液體量增多，管段中氣液混合物的密度增大，平行于管壁方向的重力壓力降變大，垂直于管壁方向的重力分量也將增多，從而進(jìn)一步增大管壁對流體的剪切力 。因此，在高氣流速區(qū)域，隨著氣相流速的增加，管中流體的壓降梯度也逐漸增大，如圖3所示。

在低氣流速區(qū)域，管段中的氣體與液膜出現(xiàn)逆向流動，此時(shí)會產(chǎn)生液膜的回流現(xiàn)象，在我們的實(shí)驗(yàn)中該現(xiàn)象也得到了很好地驗(yàn)證，這時(shí)的流型便是低氣速條件下的振蕩沖擊流，液膜的受力情況見圖5。

回流現(xiàn)象導(dǎo)致液膜在管壁處的短暫堆積，液膜厚度增大，當(dāng)液膜厚度增大到一定程度后即會發(fā)生坍塌形成小液滴分散在氣相中。因此，當(dāng)氣流速 越大時(shí)，液膜回流比例越小，氣流所夾帶的液體量減少，管段中氣液混合物密度降低，重力壓力降降低，從而造成壓降梯度的降低，如圖3所示。

當(dāng)液膜在管壁中的流動方向處于由上向下或由下向上的臨界狀態(tài)時(shí)，此時(shí)為環(huán)狀流轉(zhuǎn)化為過渡流的臨界點(diǎn)。在該流動狀態(tài)下，管壁處的液膜停滯不動，管壁與液膜間的剪切力為零，壓力降最小，氣流量在小范圍內(nèi)變化時(shí)，壓降基本不變。

2.3 傾斜角度對壓降梯度的影響

傾斜角是傾斜管的一個(gè)重要參數(shù)，也是影響氣液兩相流動規(guī)律的重要因素，因此，將不同角度下的壓降梯度折算到垂直方向上進(jìn)行對比，見圖6。從圖可看出，在相同的氣流速、液流速下，隨著傾斜角度的增加，管段中垂直方向上的壓降梯度也隨之增加，并且傾斜角度對壓降梯度的影響比較顯著，傾斜角為75°時(shí)的壓降梯度最大。

3 結(jié) 論

針對目前傾斜井筒高產(chǎn)量下氣液兩相流動實(shí)驗(yàn)以及理論研究的欠缺，在多相流實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行高產(chǎn)下傾斜井筒氣液兩相流動實(shí)驗(yàn)研究，通過對本

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到以下結(jié)論：

（1） 通過對低氣流速下的流型進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了一種特殊的間歇流—振蕩沖擊流。振蕩沖擊流中由于氣體的舉升作用以及液體的回落，導(dǎo)致液相處于不穩(wěn)定狀態(tài)，上下來回振蕩，流型變化表現(xiàn)出周期性；

（2） 高產(chǎn)量下的傾斜管氣液兩相流動過程中出現(xiàn)的流型主要為振蕩沖擊流、過渡流和環(huán)狀流，不再出現(xiàn)泡狀流和彈狀流，對比發(fā)現(xiàn)傾斜角度的變化對流型轉(zhuǎn)變邊界的影響不大；

（3） 實(shí)驗(yàn)測試了傾斜管壓力梯度與氣流速、液流速以及傾斜角的關(guān)系。結(jié)果表明：振蕩沖擊流壓降隨氣流速的增加而降低，環(huán)狀流壓降隨氣流速的增加而增加，過渡流壓降梯度最小；對比不同傾斜角度下的壓降梯度，發(fā)現(xiàn)同一氣流速、液流速下，壓降梯度隨傾斜角度的增大而增大。

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