大流量下傾斜管氣液兩相流實驗研究

周世忠，朱 琳，張陽波，鄭 為

（1. 長江大學 石油工程學院, 湖北 武漢 430100； 2. 華東石油大學，山東 黃島 266000）

大流量下傾斜管氣液兩相流實驗研究

周世忠1，朱 琳2，張陽波1，鄭 為1

（1. 長江大學 石油工程學院, 湖北 武漢 430100； 2. 華東石油大學，山東 黃島 266000）

在較高的氣液范圍內，以水和空氣為實驗介質，在多相流實驗平臺上進行了傾斜向上的高產量氣液兩相流模擬實驗研究。實驗采用內徑為40 mm、長8 m的透明有機玻璃管，并利用高速攝像儀記錄實驗過程中的流型。對實驗流型進行分析，發現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，實驗研究結果表明：在高氣液量范圍內，傾斜管中觀察到的氣液兩相流型主要為振蕩沖擊流、過渡流和環狀流，并且傾角對流型轉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。

高氣液量；振蕩沖擊流；流型；壓降梯度；傾斜角

近年來，雖然在氣液兩相流動方面的研究不少，得到了大量關于流型、壓降和持液率計算方面的規律，但是大多數研究都是針對的水平流動和垂直流動，而關于傾斜管氣液兩相流動方面的研究卻很少。隨著傾斜井數量的日益增多，準確地預測傾斜井筒中壓降變化，研究傾斜管流型及其轉變規律，研究傾角對壓降和持液率的影響，是進行油井自噴、人工舉升產量預測和參數優化設計的基礎和依據，也是進行油氣田高效開發的關鍵因素之一[1]。

Beggs-Brill[2]（1973年）基于理論和實驗研究得到了持液率和阻力系數的相關規律，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研究的基礎上提出了傾斜管氣液兩相流動壓降的預測模型。國內的韓洪升[3]（1990年）通過實驗研究提出的DPI流動型態法，分別給出了不同型態下孔隙率和壓差的計算公式。但是，現有的氣液兩相流壓降計算方法大多為經驗、半經驗方法，并且進行的實驗研究均只考慮了低產量的情況，存在較大的局限性，特別是對于傾斜井筒大產量條件下的實驗研究還處于空白[4-6]。因此，開展高產量下不同傾斜角度多相管流實驗研究，以便更加準確的掌握高產量下不同傾斜角度油井的氣液兩相的流動規律,優選出適合于高氣液量下的傾斜管氣液兩相流壓力梯度計算方法，對于油氣田制定合理工作制度和優化開發方案具有重要的指導意義[7-10]。

1 實驗裝置與實驗方法

圖1所示為實驗裝置流程圖。該實驗系統包括試驗井筒段、水循環回路和空氣回路三部分。實驗用水由水罐中抽出，然后經液泵增壓、穩壓、計量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混合罐。液體在試驗過程中循環利用。測試管段能測量壓力、壓差、溫度等參數。由高速攝像儀拍攝和肉眼觀察相結合的方法進行流型觀察和判斷。通過快關閥來測量試驗的持液率，集中控制臺通過傳感器將壓力、溫度、壓差等傳回并記錄。

試驗井筒段為 0～90°內可調的透明有機玻璃管。管內徑40 mm，管長8 m, 其中壓差測量段長6m。試驗在室溫條件下分別進行了傾斜向上15°、30°、45°、60°和 75°的氣液兩相流試驗，試驗介質為水和空氣；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。

實驗中首先調整試驗井筒段到達預定的傾角，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。一組實驗后，改變液體體積流量進行下一組工況的實驗。

圖1 實驗裝置流程圖Fig.1 Flow chart of experimental device

2 實驗結果與分析

2.1 傾斜管內兩相流型轉變及其流型圖

在實驗過程中，結合高速攝像儀及肉眼觀察，測試了不同傾角狀態下，表觀氣流速7.5～200.0 m/s，表觀液流速0.20～1.96 m/s范圍內的流型分布。通過觀測，在表觀氣流速較低時，發現了一種新的流型—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，導致液相處于不穩定狀態，上下來回振蕩，流型變化表現出周期性。與常規間歇流不同的是，該振蕩流出現沖擊流間隔時間長，沖擊流液段數量少，是一種特殊的間歇流。

通過對實驗過程中的流型進行分析，發現在本試驗流量范圍內，傾斜狀態下的流型主要為振蕩沖擊流，過渡流和環狀流，沒有出現泡狀流和彈狀流。根據采集到的大量實驗數據，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管中的流型轉變趨勢均為振蕩流—過渡流—環狀流。

圖2 傾角為30°時的流型圖Fig.2 Flow pattern map at 30 degree

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域隨氣流速的增大而逐漸降低；在高氣流速區域，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時最小。

圖3 傾角為30°時的壓降梯度Fig.3 The pressure drop gradient under angle of 30°

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

在高氣流速區域，管段中的氣體和液膜開始同向流動，氣流速ug和液流速uf均向上，這時產生的流型為環狀流，其中液膜的受力情況見圖4。

圖4 同向環狀流示意圖Fig.4 Synthetic annular flow diagram

傾斜井筒中的液膜在運動過程中受氣流對其施加的剪切力it、管壁剪切力tw、自身的重力以及管壁對其的支持力。其中，管壁剪切力tw方向為沿管壁向下，氣流速ug越大，剪切力it也越大，從而摩阻壓降越大；同時，隨著氣流速ug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，從而進一步增大管壁對流體的剪切力tw。因此，在高氣流速區域，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。

在低氣流速區域，管段中的氣體與液膜出現逆向流動，此時會產生液膜的回流現象，在我們的實驗中該現象也得到了很好地驗證，這時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。

圖5 逆向振蕩沖擊流示意圖Fig.5 Reverse oscillation impact flow diagram

回流現象導致液膜在管壁處的短暫堆積，液膜厚度增大，當液膜厚度增大到一定程度后即會發生坍塌形成小液滴分散在氣相中。因此，當氣流速ug越大時，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時，此時為環狀流轉化為過渡流的臨界點。在該流動狀態下，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，氣流量在小范圍內變化時，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重要參數，也是影響氣液兩相流動規律的重要因素，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°時的壓降梯度最大。

3 結 論

針對目前傾斜井筒高產量下氣液兩相流動實驗以及理論研究的欠缺，在多相流實驗平臺上進行高產下傾斜井筒氣液兩相流動實驗研究，通過對本實驗數據分析得到以下結論：

圖6 不同傾斜角度下垂直方向的壓降梯度對比Fig.6 Comparison of pressure gradient under different inclination angle in the vertical direction

（1） 通過對低氣流速下的流型進行分析，發現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，導致液相處于不穩定狀態，上下來回振蕩，流型變化表現出周期性；

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

（3） 實驗測試了傾斜管壓力梯度與氣流速、液流速以及傾斜角的關系。結果表明：振蕩沖擊流壓降隨氣流速的增加而降低，環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，發現同一氣流速、液流速下，壓降梯度隨傾斜角度的增大而增大。

［1］ 李穎川.采油工程[M].北京：石油工業出版社,2002-02:41-43.

［2］ Beggs H D, Brill J P. A Study of Two Phase Flow in Inclined Pipes[J]. J Pet Tech,1973(5):607-617.

［3］ 韓洪升，陳家瑯. 油井內多相流動壓力分布的計算方法[J]. 大慶石油地質與開發,1990,9(2):49-59.

［4］ Orkiszewski J. Prediction Two-phase Pressure Drops in Vertical Pipe[J]. J Pet Tech, 1967,(6):829-838.

［5］ Aziz K.Govier G W, Fogarasi M. Pressure Drop in Wells Producing Oil and Gas[J]. J Cdn Pet Tech,1972,(7):38-48.

［6］ 廖銳全，汪崎生，張柏年.井筒多相管流壓力梯度計算新方法[J].江漢石油學院學報,1998,20(1):59-63.

［7］ 曹夏昕，閻昌琪. 傾斜管內氣液兩相流流型的實驗研究[J]. 核動力工程,2005,26(6):572-575.

［8］ 許晶禹，吳應湘，李東暉. 液相物性對氣液兩相管流流型和壓降影響的研究[J]. 應用基礎與工程科學學報,2005,13(2)：111-119.

［9］Zhang Hongquan , Wang Qian , Cem Sarica et al. A Unified Mechanistic Model for Slug Liquid Holdup and Transition Between Slug and Dispersed Bubble Flows[J].International Journal of Multiphase Flow, 2003, 29(1):97-107.

［10］王琦. 水平井井筒氣液兩相流動模擬實驗研究[D].成都：西南石油大學,2014.

Experimental Study of Two-phase Flow in Inclined Pipe Under High Gas-Liquid Flow

ZHUO Shi-zhong1, ZHU Lin2, ZHANG Yang-bo1, ZHENG Wei1
（1. College of Petroleum Engineering ,Yangtze University, Hubei Wuhan 430100, China; 2. China University of Petroleum, Shandong Huangdao 26600, China）

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.

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

TQ 028

A

1671-0460（2016）03-0504-03

2015-12-15

周世忠（1992-），男，山東東營人，在讀碩士研究生，研究方向：采油采氣工藝研究工作。E-mail：279782723@qq.com。