油水兩相管流宏微觀流動特性進(jìn)展研究*

劉瑩瑩 李曉平 劉楠楠， 宮敬 李愚 李立

1中國石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2中國石油國際勘探開發(fā)有限公司

在陸地及海底石油開采和集輸系統(tǒng)中，油水混合輸送普遍存在。流動過程中，由于油水兩相密度差小，界面自由能小，兩相易發(fā)生動量及質(zhì)量的傳遞，在管道中形成復(fù)雜的局部摻混或分散流動，加上原油本身含有的諸如膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等天然物質(zhì)的乳化作用，極大地復(fù)雜化了油水混合液物性及其流動規(guī)律，對集輸管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及安全運(yùn)行均造成了極大的挑戰(zhàn)[1]。因此，全面深入地了解并進(jìn)行油水混輸流動規(guī)律的研究具有重要價值和意義。

關(guān)于油水流動特性的研究，早期多集中于宏觀規(guī)律。通過實(shí)驗(yàn)研究，學(xué)者建立了較為一致的流型判別方法，結(jié)合理論研究提出了流型轉(zhuǎn)化準(zhǔn)則和壓降計(jì)算模型，然而由于油品物性和實(shí)驗(yàn)方法的差異，研究結(jié)果不盡相同，模型普適性差，難以準(zhǔn)確地描述流動中的混合液物性及物理流動過程[2-4]。

為揭示油水宏觀流動規(guī)律下的微觀變化，近些年來，部分學(xué)者嘗試借助于先進(jìn)測量設(shè)備，研究局部相含率、瞬時流速、湍流強(qiáng)度和微觀液滴分散形態(tài)等局部微觀流動結(jié)構(gòu)及流動信息與管流宏觀物理量之間的關(guān)系[5-15]，目前研究仍處于起步階段，尚未得出一致的研究規(guī)律。

基于此，通過閱讀大量國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，對油水兩相流動測量方法、流型與壓降、微觀流場、摻混特性和分散特性五個方面的宏微觀研究進(jìn)展進(jìn)行簡要綜述，寄希望于能夠啟發(fā)研究思路，為揭示油水流動微觀特性及宏微觀之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)提供認(rèn)知基礎(chǔ)。

1 測量方法應(yīng)用進(jìn)展

上世紀(jì)六七十年代，因測量技術(shù)的限制，學(xué)者們主要依靠肉眼分辨不同的油水流型，對油水兩相流動規(guī)律認(rèn)知存在局限性[1]。隨著技術(shù)的發(fā)展，大量基于電學(xué)及光學(xué)基礎(chǔ)的測量設(shè)備逐漸應(yīng)用于定量描述油水兩相流動規(guī)律的研究當(dāng)中，其中主要包括電阻探針、聚焦光束反射測量儀（FBRM）、激光測速設(shè)備與伽瑪相分率儀等。電阻探針主要用于兩相流動流型檢測，管道橫截面平均及局部相分率測量[2]，界面波動捕捉和分散流連續(xù)相流體判別等方面[3]，集中體現(xiàn)在對于分層光滑流、分層波浪流及雙流體流型下油水界面高度、形狀[3-5]、界面不穩(wěn)定性的測量[1，6]及對分散體系平均相分率的估算上。FBRM主要用于測量分散流動的液滴分布，相關(guān)研究主要集中在探究微觀液滴分布與乳化體系穩(wěn)定性之間的關(guān)系，研究不同管流條件對液滴分布的影響變化規(guī)律和分散體系中有效黏度及壓降變化規(guī)律的影響上[7-8]。光學(xué)設(shè)備主要包括高速攝像、平面激光誘導(dǎo)技術(shù)（PLIF）、激光多普勒測速儀（LDA）和粒子圖像測速技術(shù)（PIV）。目前主要用于對油水管流實(shí)驗(yàn)中分層流、雙流體流動和分散流等流型的識別及流型轉(zhuǎn)化過程中微觀形態(tài)和流場變化[9-16]的捕捉上。伽瑪相分率儀用于流型的判別及固定位置平均相分率的測量[9-11]。綜上所述，對于測量技術(shù)及方法的衍進(jìn)有助于基于實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)合理選取相應(yīng)設(shè)備，為流動機(jī)理研究奠定了基礎(chǔ)。

2 流型與壓降研究進(jìn)展

TRALLERO 等[17]基于水平管道內(nèi)油水流動實(shí)驗(yàn)，將流型劃分為分離流型和分散流型。分離流型：分層光滑流型（ST）及分層摻混流型（ST&MI）；分散流型：水連續(xù)的分散流型〔下層水層+上層水包油分散流（DO/W&W），水包油乳狀液（O/W）〕，油連續(xù)的分散流型〔油包水+水包油分散流（DW/O&DO/W），油包水乳狀液（W/O）〕。學(xué)者[5-18]對分離流型進(jìn)行了細(xì)分，并引入雙流體流型的描述，即連續(xù)流動中同時存在局部水包油及油包水分散的流型。姚海元[19]在高黏度、高密度油品實(shí)驗(yàn)中觀察到了部分新流型，如：外環(huán)水包油分散、內(nèi)核油包水分散（DO/W環(huán)+DW/O核）及外環(huán)油包水分散、內(nèi)核水包油分散（DW/O環(huán)+DO/W 核）及伴有段塞的過渡流型。基于高黏白油/水和稠油/水的兩相流型實(shí)驗(yàn)對比，學(xué)者王瑋[20]認(rèn)為白油/水分散穩(wěn)定性差，難以形成如稠油/水般穩(wěn)定的分散體系，因而將白油/水分散流動的流型命名為分散流，而將稠油/水分散的流動稱為乳狀液流動。EDOMWONYI-OUT 和ANGELI[4]在小管徑透明玻璃管內(nèi)觀察到一種新的流型：小溪流。目前，油水兩相流型因受管壁屬性（管徑、粗糙度和潤濕性等因素）、油品物性和流動邊界條件的影響難以形成統(tǒng)一的劃分準(zhǔn)則，不同實(shí)驗(yàn)體系均存在特征流型，為普適性流型判別方法提出了挑戰(zhàn)。

學(xué)者[1，19，21]在中高黏度（28～510 mPa·s）模擬油分散流壓降實(shí)驗(yàn)中均發(fā)現(xiàn)，隨著分散相含量的增加壓降升高。PLASENCIA 等[7-8]通過向模擬油添加活性劑的方式研究油水穩(wěn)定分散乳狀液流動壓降與純油水分散體系下的壓降差異，其結(jié)果表明，相同流動條件下乳狀液壓降大于純油水體系，對于穩(wěn)定乳狀液體系而言，壓降均隨分散相含量的增加而增大。他們還針對6 種不同黏度的原油（油品黏度4.8～23.5 mPa·s）進(jìn)行了分散流壓降研究，發(fā)現(xiàn)油包水分散流壓降均隨含水率的增加而增加，姚海元[19]針對稠油的壓降實(shí)驗(yàn)結(jié)果與之類似。而部分學(xué)者[2，5，18]在不同管徑水平或垂直管道進(jìn)行的低黏度（＜10 mPa·s）模擬油的壓降測量中則發(fā)現(xiàn)，向連續(xù)油相添加水相（或向連續(xù)水相添加油相）均存在明顯的流動減阻現(xiàn)象，而N?DLER 和MEWES[22]同樣發(fā)現(xiàn)壓降隨含水率的增加而逐漸下降（油品黏度22～29 mPa·s，管徑59 mm）。PAL[23]推測產(chǎn)生此類流動減阻的原因在于油水分散的不穩(wěn)定性，并歸因于液滴行為對流場及黏度的影響。

3 微觀流場研究進(jìn)展

激光測速方法已廣泛應(yīng)用于湍流流動及減阻流動特性的測量，對油水兩相流場的研究集中于分層流速度分布的測量和波動的統(tǒng)計(jì)分析。ELSETH[9]基于LDA 測量設(shè)備，發(fā)現(xiàn)油水兩相以界面為邊界，速度均呈拋物線分布；中低含水率下，管道軸向最大速度出現(xiàn)在油相中，并且油相速度普遍大于水相，隨著含水率的增加，水相速度逐漸接近并大于油相；油水兩相在低流速下的軸向速度脈動均大于單相值，而隨混合流速增加，遠(yuǎn)離壁面區(qū)域軸向速度波動值逐漸小于單相值；油水界面附近軸向速度波動值較大，且隨混合流速的增加，波動越明顯。PIV因其自身的非侵入性和對全場瞬時速度矢量的捕捉而得到廣泛應(yīng)用。KUMARA等[10，12]發(fā)現(xiàn)雷諾應(yīng)力在距管壁附近一段距離處絕對值最大，管中心及油水界面處較小。MORGAN等[15-16]則發(fā)現(xiàn)含油率在38%～75%區(qū)間內(nèi)，油層及油連續(xù)分散層中的速度均大于水層。學(xué)者通過調(diào)平油水兩相折射率的方法，采用PIV對稀分散相體系流場進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)分散相的引入會增大流場中的湍流動能及能量耗散率，同時發(fā)現(xiàn)引入過多的分散相會導(dǎo)致體系視野模糊，無法捕捉示蹤粒子軌跡[24]，其實(shí)驗(yàn)體系臨界分散相體積分?jǐn)?shù)為1.3%。由于分散流場實(shí)驗(yàn)測量的局限性，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）越來越多地被學(xué)者用于油水分散體系的湍流特性研究中。對于液滴分布的耦入，學(xué)者通常采用兩種方法進(jìn)行處理：耦入液滴群平衡理論（PBE），實(shí)現(xiàn)與多相流模型的耦合[25-26]；采用液滴經(jīng)驗(yàn)預(yù)測關(guān)系式或?qū)?shí)驗(yàn)測量液滴分布值耦入[27]。

綜上所述，光學(xué)測量等實(shí)驗(yàn)方法的應(yīng)用能夠?qū)Ψ謱恿鲃泳植苛魉偌八俣炔▌舆M(jìn)行直接或間接測量，但對分散體系流場測量仍存在一定局限性。

4 摻混特性研究進(jìn)展

油水流動過程中，隨著流速的增加，油水逐漸由分層流動向雙流體流動轉(zhuǎn)化，伴隨出現(xiàn)油相與水相的局部摻混，這將會影響壓降及持液率的預(yù)測。作為一種油水流動體系中常見的流型，雙流體流動中的摻混特性研究并未得到廣泛關(guān)注。LOVICK 和ANGELI[2，5]、VALLE 和KVANDAL[28]均進(jìn)行了不同混合流速下的雙流體流動摻混實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)壓降與油水分散特性及相分率分布有關(guān)，同時給出了液滴出現(xiàn)摻混的臨界混合流速。ELSETH[9]、SOLEIMANI[29]及HUSSAIN[30]對管道徑向方向不同位置的相分率進(jìn)行了測量，但沒有反應(yīng)液滴分布的形態(tài)變化。Al-WAHAIBI 和ANGELI[31]針對雙流體流動液滴分布的研究發(fā)現(xiàn)：液滴數(shù)目及弦長隨空間位置與油水界面之間距離的增大而逐漸減小，分散油滴粒徑大于水滴；增加水相折算速度會使大液滴數(shù)密度減小，而增加油折算速度對其沒有顯著的影響；分散水滴流速大于油層，而分散油滴流速無一致規(guī)律；遠(yuǎn)離界面的位置，液滴尺寸越小。MORGAN等[15-16]采用PILF觀察油水摻混過程中的液滴分布變化規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨油相體積分?jǐn)?shù)增加或隨混合速度的增大，液滴平均粒徑均呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，在高流速下，小液滴數(shù)目降低；在不同油相體積分?jǐn)?shù)下，液滴分布規(guī)律相似，油相體積分?jǐn)?shù)越高，分布越均勻。綜上所述，目前實(shí)驗(yàn)研究多集中于混合流速和含水率對摻混形成后界面形態(tài)、液滴分布及液滴速度的測量，對摻混產(chǎn)生的機(jī)理研究仍待深入。對模型的探索，學(xué)者[32]多借鑒氣液環(huán)狀流動[33]穩(wěn)定性判斷準(zhǔn)則及摻混模型。

5 分散特性研究進(jìn)展

分散特性的研究主要集中于針對油水分散形態(tài)的微觀研究和反相、分散乳狀液黏度的宏觀研究領(lǐng)域。

針對微觀研究，目前多集中于攪拌釜內(nèi)油水分散形態(tài)觀察和液滴分布測量的實(shí)驗(yàn)研究，分析分散相體積分?jǐn)?shù)[34]、慣性力[35]及活性劑濃度[36]等因素的影響。對油水兩相分散管流而言，學(xué)者們[37-38]發(fā)現(xiàn)分散程度極大地影響流動的穩(wěn)定性。近些年，已有學(xué)者[7，8，39]陸續(xù)采用FBRM 開展管流液滴分布的在線測量研究。

KHATIBI[39]采用FBRM 對管內(nèi)分散流動上游及下游的液滴進(jìn)行測量，研究混合流速對其分布的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)上下游液滴分布存在差異；同時分析了不同表面活性劑濃度下的油水分散液滴分布，結(jié)果發(fā)現(xiàn)活性劑的添加縮小了不同混合流速下液滴分布的差異。PLASENCIA 等[7]采用FBRM 對于不同性質(zhì)的6 種原油分散體系進(jìn)行液滴測量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：原油物性極大地影響液滴的分布情況，并歸結(jié)于原油中活性物質(zhì)（膠質(zhì)和瀝青質(zhì)）的作用；其認(rèn)為大液滴的形成是反相發(fā)生的誘導(dǎo)因素，故液滴聚并及反相的發(fā)生不僅僅取決于連續(xù)相黏度，更與界面活性物質(zhì)有關(guān)。PLASENCIA[8]采用Span 80 乳化的Exxsol D80 白油進(jìn)行不同混合流速下的液滴分布測量，其將有效黏度的變化歸因于流動及分散特性的共同作用。除此之外，采用上述乳化體系，觀察4種不同管徑（16～90 mm）下反相前后液滴分布的變化，發(fā)現(xiàn)液滴尺寸在不同管徑流況下均隨分散相含量的增加而增加，隨混合速度的增加而減小；在固定含水率，通過增加混合流速達(dá)到油水反相的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨著混合流速的增加，液滴尺寸逐漸增大直至反相前，反相后液滴尺寸驟然變小。綜上所述，以上研究驗(yàn)證了FBRM對液滴分布在線測量的可行性，并為相關(guān)實(shí)驗(yàn)的開展提供了很好的借鑒。

而對于油水分散液滴分布的預(yù)測，近年來集中圍繞液滴群平衡（Population Balance Equations，PBE）理論的方法。HU[40]認(rèn)為液滴分布變化受三方面因素影響：①控制體內(nèi)液滴的流入及流出；②連續(xù)相與分散相之間的質(zhì)量傳遞或化學(xué)反應(yīng)引起的液滴聚集與生長；③受湍流場及流體物性影響的液滴破裂與聚并作用。不同學(xué)者針對研究條件進(jìn)行了不同程度的簡化：KOSTOGLOU 和KARABELAS 采用一維PBE模型對低分散相管流條件下的最大液滴尺寸進(jìn)行了預(yù)測，忽略了聚并作用和重力方向與軸向湍流擴(kuò)散的影響，認(rèn)為分散相液滴完全均勻分散在管道軸向及徑向截面各個位置；其進(jìn)一步將聚并作用耦合進(jìn)入PBE模型，計(jì)算結(jié)果表明低分散相體系下，液滴分布軸向變化較小[42]。GNOTKE 等[43]假設(shè)分散流動在整個管道軸向位置處于穩(wěn)定狀態(tài)，即認(rèn)為整個管道為一個封閉區(qū)間。HU[40]假設(shè)分散相在管道徑向截面上分布均勻，兩相之間流動不存在相間速度滑差，液滴分布僅受破裂及聚并作用影響，以此建立隨軸向位置變化的PBE模型。

對于破裂與聚并模型的發(fā)展，學(xué)者多結(jié)合了分散相含量、黏度和表面活性劑等因素的影響。具體研究情況如下：基于湍流分析，不同學(xué)者[44-47]提出了適用于低分散相分散體系的破裂與聚并模型，學(xué)者WANG等[34]認(rèn)為分散相的引入會增加湍流場能量耗散率，并以此為依據(jù)修正湍流分區(qū)模型，由此較好地預(yù)測了高分散相油水體系的液滴分布。對于活性劑體系，B?K和PODGóRSKA[48]認(rèn)為活性劑對于液滴破裂的影響集中在對液滴界面張力的降低和液滴受流場形變致使表面活性劑分子重排造成界面的剪切作用，并以此修正液滴破裂模型；同時提出了液滴聚并模型，認(rèn)為活性劑的引入會影響其臨界液膜厚度的變化。劉楠楠[49]基于實(shí)測單相能量耗散率分布，提出管流液滴破裂與聚并區(qū)間的劃分方法，在考慮油滴和水滴聚并效率差異的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對管輸水包油和油包水分散液滴分布的有效預(yù)測；同時，合理引入活性劑濃度、液滴尺寸和數(shù)目對流場的綜合作用，修正液滴破裂模型，結(jié)合不同活性劑濃度下液滴聚并的界面移動特性，實(shí)現(xiàn)液滴群平衡方程對乳狀液體系液滴分布計(jì)算的擴(kuò)展預(yù)測。目前仍缺乏對不同表面活性劑物質(zhì)的適用性分析。

目前，針對反相、分散乳狀液黏度的實(shí)驗(yàn)研究和理論模型較為廣泛，影響管流反相的主要因素包括油水兩相黏度、溫度、入口含水率、混合流速、液滴尺寸和分布、流態(tài)和表面張力等[50]。YEH等[51]較早地提出了反相預(yù)測的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停罄m(xù)部分學(xué)者[1]采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸反相預(yù)測模型的方法考慮了含水量、油品黏度、混合流速和流態(tài)的影響，但由于相關(guān)式多是針對某一性質(zhì)的油品數(shù)據(jù)回歸而成，對其他油品的適用性較差。不同于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停壳拜^為流行的理論模型為流動乳化理論[22]和系統(tǒng)自由能理論[52-53]，其中后者被更多學(xué)者所接受。系統(tǒng)自由能理論中，學(xué)者認(rèn)為反相是一種自發(fā)產(chǎn)生的現(xiàn)象，多相體系里存在著巨大的相界面面積從而具有很大的界面能量，當(dāng)混合系統(tǒng)處于動力穩(wěn)定狀態(tài)時，如果一種分散相體系的自由能比另一分散相體系高，則系統(tǒng)將會自發(fā)地轉(zhuǎn)變自身結(jié)構(gòu)，最終達(dá)到總自由能最小。部分學(xué)者以此為基礎(chǔ)或建立了考慮分散相和連續(xù)相的密度和黏度的反相預(yù)測模型[54]，或耦合液滴群平衡理論進(jìn)行液滴尺寸預(yù)測，進(jìn)而完成界面自由能的計(jì)算和反相的判別[38]。目前已開展大量反相實(shí)驗(yàn)及預(yù)測模型的研究，但針對原油、水兩相管流，特別是高黏含水乳化原油的反相仍將是今后研究的重點(diǎn)。

影響乳狀液黏度的因素主要包括含水量、溫度、蠟及膠質(zhì)瀝青質(zhì)、流型、油及水的黏度、油的物性及油水界面特性、界面剪切及能量耗散、乳狀液的制備等[50]。預(yù)測模型由愛因斯坦較早地提出，其假設(shè)分散相濃度低且無相互作用，無雙電層、范德華力、布朗運(yùn)動等，顆粒為規(guī)則球形，其適用于剛性小球懸浮體系。由于愛因斯坦模型具有一定的局限性，后續(xù)學(xué)者基于自身研究體系，通過引入諸如相間壓縮系數(shù)[55]、剪切率[56]、毛細(xì)管數(shù)、顆粒雷諾數(shù)[57]、非牛頓系數(shù)[58]和有效介質(zhì)理論[59]等修正方法，提出了或考慮分散相濃度影響或考慮表面活性分子等多因素影響的一系列適用于牛頓和非牛頓體系的計(jì)算模型[60]，均取得了不錯的預(yù)測結(jié)果。目前針對乳狀液黏度的研究較為深入，然而實(shí)際原油體系由于成分復(fù)雜，膠質(zhì)瀝青質(zhì)、高聚物、纖維等影響因素繁多[61]，完善乳狀液黏度本構(gòu)方程的理論意義和預(yù)測準(zhǔn)確性仍是難點(diǎn)和需要繼續(xù)思考的問題。

6 結(jié)束語

對油水兩相流動測量方法、流型與壓降、微觀流場、摻混特性和分散特性五個方面的宏微觀研究進(jìn)展進(jìn)行了簡要綜述，同時認(rèn)為未來科研應(yīng)以國內(nèi)外學(xué)者實(shí)驗(yàn)和理論為基礎(chǔ)，借助攪拌和室內(nèi)環(huán)道等相關(guān)儀器設(shè)備，針對油水兩相流動的流型判別，分層、摻混及分散流場特性，管流分散體系和乳狀液微觀形態(tài)幾個方面開展研究，從宏觀及微觀兩個角度探究油水混輸流動規(guī)律的內(nèi)在機(jī)理，同時建立流型轉(zhuǎn)化準(zhǔn)則、摻混量計(jì)算和分散液滴預(yù)測的數(shù)學(xué)模型。