垂直管內兩相流流型的實驗研究

韓悅 李夢杰

摘 要：為正確預測氣井井筒氣液兩相流動規律，在多相流實驗平臺上開展了不同管徑（28、60 mm）和不同壓力（0.10、0.50 MPa）下空氣/水兩相流流型實驗，利用高速攝像機再現了泡狀流、段塞流、攪動流和環狀流的流型結構和過渡現象，繪制了實驗流型圖，對比了管徑、壓力對流型過渡的影響以及分析了環狀流形成與液滴夾帶的關系，在氣液兩相流實驗的基礎上，以環狀流形成過程為例，從流型的物理現象著手，對環狀流形成的機理進行了定義和數學建模，從而建立了產液氣井兩相流流型轉變組合機理模型。將該組合機理模型和不同管徑、不同壓力下的實驗結果進行對比，發現新模型均能正確預測各流型間的轉變條件，具有一定的通用性。

關 鍵 詞：兩相流；流型；物理現象；實驗；預測

中圖分類號：TQ 000 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）08-1697-04

Abstract： In order to correctly predict the flowing law of gas liquid two-phase flow in gas wells， the flow pattern and liquid membrane separation experiments of gas/water two-phase flow were carried out on the experimental platform of multi-phase flow in different pipe diameters（28， 60 mm） under different pressures（0.10， 0.50 MPa），the flow pattern and transition phenomena of bubble flow， slug flow， stirring flow and annular flow were reproduced by high speed camera， the flow pattern map of the experiment was plotted， and the influence of tube diameter and pressure on the flow pattern transition was contrasted， and the relationship between annular flow formation and droplet entrainment was analyzed； On the basis of the experiment of gas liquid two phase flow， taking the annular flow formation process as an example， from the physical phenomenon of the flow pattern， the annular flow formation mechanism was defined and the mathematical model was established， therefore the comprehensive mechanism model of the two-phase flow pattern transition in liquid gas wells was established. Compared with the experimental results of different diameters and pressures， its found that the new model can correctly predict the changing conditions of different flow patterns and has a certain generality.

Key words： two phase flow； flow pattern； physical phenomenon； experiment； prediction

目前，國內外許多氣田都已進入生產中后期，絕大部分氣井都存在不同程度的產液現象，由產液帶來的井底回壓增加、井筒氣液滑脫加劇、氣井難以穩產的問題日益突出[1-3]。為了減小井筒氣液滑脫、延長氣井穩產期，大部分氣井急需開展井筒動態分析和排液采氣工藝設計，而正確預測氣井井筒氣液兩相流動規律則是基礎。本文突破傳統建模思想，以氣液兩相流實驗為基礎，從物理現象出發，運用機理模型方法對兩相流流型發生和各流型間轉變的機理進行了定義和數學建模，該方法能夠解釋流型產生的原因和現象，還能預測流型的結構參數和特性參數，具有廣闊的發展前景。

1 實驗部分

本文在28 mm內徑有機玻璃管中開展小管徑氣液兩相流流型實驗及環狀流液滴夾帶實驗；在60 mm內徑有機玻璃管中開展大管徑氣液兩相流流型實驗和高壓（0.50 MPa）、低壓（0.10 MPa）流型對比實驗。

實驗由供給系統、舉升系統、測試系統組成：實驗用水由水罐中抽出，然后經液泵增壓、穩壓、計量后再與壓縮氣體混合進入測試管段，最后經氣液分離器分離氣體后回到水罐。液體在實驗過程中循環利用。由高速攝像儀拍攝和肉眼觀察相結合的方法進行流型的觀察和判斷。液滴夾帶實驗裝置主體由一對同心管組成，其中內管內徑為28 mm，鉆有均勻的密集小孔，外管內徑80 mm。實驗裝置流程圖如圖1所示。

實驗中首先調整試驗井筒段達到90°，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，待試驗管段內流動狀態穩定后采集相關實驗數據。一組實驗后，改變液體體積流量進行下一組工況的實驗。

2 實驗結果與分析

圖2為不同管徑條件下的氣液兩相流流型圖。由圖上可知，不同管徑下攪動流與環狀流的過渡界限均為一豎直直線，且兩條直線幾乎重合，說明環狀流的形成只與氣流速度有關，而與液流速度和管徑變化無關；段塞流與攪動流的過渡界限受管徑的影響比較顯著，隨著管徑的增大，過渡界限發生右移，使得攪動流的分布區域隨之變窄，說明大管徑下的攪動流較難形成；泡狀流與段塞流的過渡界限受管徑的影響很大，小管徑下幾乎不形成泡狀流，而在大管徑下才能觀察到完整的泡狀流，這是大氣泡和小氣泡上升速度的差異造成的。

圖3為不同壓力條件下的氣液兩相流流型圖。由圖3可知，形成環狀流時所需要的氣流速度受壓力的影響非常顯著，隨著管內壓力的增加，攪動流與環狀流的過渡界限發生左移，即高壓下形成環狀流所需的氣流速度減小了；

段塞流與攪動流的過渡界限在較高的氣液流速條件下受壓力的影響也較為顯著，隨著管內壓力的增加，過渡界限也發生左移，并且由于高壓下攪動流與環狀流的過渡界限也發生左移，且左移的程度較大，使得高壓下的攪動流分布區域隨之減小，說明高壓下的攪動流也較難形成；泡狀流與段塞流的過渡界限在高氣液流速條件下同樣受壓力的影響較為顯著，隨著管內壓力的增加，過渡界限明顯向左彎曲。

3 環狀流形成機理研究

3.1 液滴的連續攜帶模型

由實驗可知環狀流的形成通常伴隨著液滴的連續攜帶，并且環狀流形成所需的氣流速度與液流速度無關，因此推測環狀流的形成是由液滴的連續攜帶所致。根據Turner[4]模型建立了液滴能夠連續攜帶的力學模型。

小液滴同時受到自身的重力和氣流的曳力，液滴所受的重力為

3.2 液膜的不穩定回落模型

通過實驗發現環狀流還能夠維持液膜的穩定上升，而在非環狀流條件下，會出現液膜回流的現象，由此推測環狀流的存在還可能與液膜有關。當氣流速度較低時，氣流對液膜的剪切應力不足以維持液膜穩定上升時，液膜會發生回流，堵塞氣芯，形成攪動流或段塞流。1987年，Barnea[5]基于環狀流流型結構，建立了簡化分相流模型，得到了氣芯對液膜的剪切應力表達式為：

4 流型轉變組合機理模型建立

新的流型判別綜合機理模型充分考慮了流型的物理現象，比傳統的經驗流型圖更具通用性，當流動條件改變時，其受到的影響不明顯。其性能也能通過實驗進行了驗證，圖4～圖6為本文三組實驗對新模型的評價結果。結果表明，隨流動條件的改變，新模型均能正確預測各流型間的轉變條件。

5 結 論

（1）借助多相流實驗平臺，開展了不同管徑（28、60 mm），不同壓力（0.10、0.50 MPa）下空氣/水兩相流流型實驗，獲得了泡狀流、段塞流、攪動流和環狀流相關流型，并繪制了實驗流型圖，為流型機理模型研究提供了實驗數據。

（2）段塞流與攪動流過渡界限隨管徑的增大而增大，隨壓力的增加而減小；泡狀流僅出現在60 mm大管徑中，在28 mm小管徑中沒有出現；環狀流形成時的氣流速受管徑的影響不大，但隨壓力的增大而明顯減小。

（3）建立的兩相流流型轉變機理新模型不僅能對不同管徑、不同壓力下的環狀流、攪動流、段塞流和泡狀流流型進行正確預測，還能夠解釋各流型間過渡的原因和現象，比經驗流型圖更具物理意義，適用范圍更寬。

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