油水兩相管流測量方法應用進展*

1中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室·城市油氣輸配技術北京市重點實驗室

2中國石油國際勘探開發有限公司

在石油開采和運輸過程中，油水兩相混合流動的現象普遍存在。近年來，隨著經濟增長陸地能源不斷消耗，石油資源開發利用已逐漸轉向海灘、沙漠、極地等自然環境極其惡劣的區域，對于油氣水的分離運輸，無論是分離設備及管道的建設，還是技術條件的要求，不僅代價高，而且難以實現。采用混輸管路，將油井產出液輸送至集中處理終端，可大幅度降低基礎投資及相關輔助設施的運營維護費用。目前，陸地及海洋集輸系統廣泛采用混和輸送工藝，開展針對油水兩相流動規律的研究對于油田集輸管線的設計及運行具有重要意義。例如，成功實現混輸油水流型的控制可防止管路的腐蝕及結垢，而控制外相為水環的環狀流動可以成倍地降低壓降損耗，極大地提高輸送效率，經濟收益顯著。

油水混輸過程中，由于油水兩相密度接近，界面自由能小，因而易發生兩相動量及質量的交換，在管道中形成復雜的局部摻混，增加了油水流動規律研究的難度，使得開展流型觀察及壓降規律研究變得極為復雜[1-2]，因而實現油水流動參數的測量對油水復雜混輸體系流動規律的研究至關重要。20世紀六七十年代，學者們在小尺寸的玻璃管或有機玻璃管內進行了油水流型觀察及壓降規律研究，由于主要依靠肉眼分辨不同流型，對于油水兩相流動規律認知的客觀性值得商榷。

1 電導探針

1.1 基本測量原理

電導探針由于其工作原理簡單，制作工藝方便等優勢被國內外學者廣泛使用。目前，應用最廣泛的電導探針主要有雙平行探針[3]（圖1a）、環形平行探針[4]（圖1b）及侵入式探針[4]（圖1c）。電導探針的工作原理主要是利用油水兩相電導率的差異，當探針與水相接觸時，回路電流較大，阻抗值較小，而當其與油相接觸時則回路電流較小，阻抗值較大，通過對探針之間回路電流、電壓或阻抗值等輸出信號的處理，結合實驗前針對輸出信號與截面相分率等參數的標定，實現對實際管流流動條件下流經雙探針之間兩相流體的識別。

1.2 油水兩相流動中的應用

LOVICK[5]和ANGELI[6]采用侵入式探針對雙流體流型下的橫截面局部相分率進行測量時發現：油水界面曲率與含油率相關，低入口含油率向下彎曲，中高入口含油率向上彎曲，隨著混合流速的增加，油水界面逐漸模糊，不再存在清晰的油水界面；LAWRENCE等[7]采用雙平行探針和環形探針測量分層流動油水界面的高度及界面形狀，發現不同實驗條件下油水界面均向上彎曲；部分學者采用雙平行探針對分層流動的界面波動特性進行了統計測量，發現流速越小，界面波動越規則，相同含水率下，隨混合流速的增加，界面波動幅度增加，波動不規則，而隨著含水率的上升，油水界面波動幅度增大；與此同時，還嘗試采用環形電阻探針對管流半分散、完全分散體系進行平均持水率及局部相分率的測量，得出了不同流型下的阻抗和平均含水率關系曲線；NGAN[4]與PLASENCIA[8]采用環形平行探針成功地對管壁處連續相流體進行識別，高電流值代表水連續，而低電流值則代表油連續。

綜上所述，電導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、兩相界面波動及管壁處連續相流體判別等方面，集中體現在對于分層光滑流、分層波浪流及雙流體流型下油水界面高度、形狀及界面不穩定性的測量及對分散體系平均相分率的估算上。與此同時，不同的電導探針存在測量適用范圍的差異，雙平行探針多用于管道橫截面相分率平均值的測量及截面界面波動特性的捕捉，而侵入式探針原則上可進一步識別管道橫截面任一位置的相分率，環形探針則測量兩環探針之間的管道流體柱的平均相分率，同時可識別管壁處連續相流體。在實際測量中，多基于研究目標而將其中兩種探針組合使用。

1.3 技術的局限性

電導探針存在應用的局限性，一方面來源于信號處理的技術要求，難以建立輸出信號與持液率之間準確的關系；另一方面在于無法準確測量管道截面瞬時局部相分率，大多僅僅是對于平均相分率的描述。目前僅僅在部分高?；蛘呖蒲袡C構實驗室內部環道油水流動實驗測量中得到應用。最近，NGAN[4]采用英國ITS（Industrial Tomography Systems）研制的高精度電阻層析成像儀（圖1d），基于多探針采集，成功實現了對瞬時油水局部相分率的測量。

2 FBRM聚焦光束反射測量儀

2.1 基本測量原理

圖1 電導探針技術Fig.1 Conductivity probe technology

FBRM聚焦光束反射測量儀也稱粒度儀（圖2a），其主要作用是對油水分散體系中分散液滴尺寸及數量在線高精度、高靈敏度的實時監測。粒度儀的工作原理主要是利用其探頭內的激光光源纖維發射激光，激光進入光束分裂器分裂，分裂后的激光束再經過高速旋轉的棱鏡，使得光束路徑偏離中心軸并且聚焦，形成光“焦點”（“焦點”在探頭外附近），隨著鏡光片的高速旋轉，激光束路徑以及“焦點”也不斷地在中心軸方向以恒定速率回旋，“焦點”射在待測樣中，激光在顆粒表面發生散射，一定比例散射光會返回進入探頭，最后到達探頭探測器，儀器自動進行數據信號分析，統計液滴顆粒的弦長，并給出不同弦長的數量累計分布（圖2b）。

2.2 油水兩相流動中的應用

粒度儀最先應用于攪拌罐及反應釜內油水分散體系穩定性及微觀液滴分布形態的研究，學者們通過其在不同條件下的分布特性表征含水率體積分數[9]、外部慣性力[10]及活性劑濃度[11]等因素對油水分散體系穩定性的影響。對于油水兩相管流而言，學者們[3，4，12，13]發現雙流體及分散流動過程中，油水兩相之間的相互摻混及分布極大地影響油水體系的有效黏度和流動的穩定性。近些年，已有學者陸續采用FBRM開展管流液滴分布測量的研究。

KHATIBI[14]采用雙FBRM探頭對含水率為10%的油水不穩定分散體系上游及下游的液滴進行測量，探究混合流速對于液滴分布的影響，結果發現：上下游液滴分布的尺寸和分布范圍存在差異，進而集中體現了管流分散體系中的不穩定性，而活性劑的添加降低了不同混合流速下的液滴分布差異，增強了油水分散體系的穩定性。PLASENCIA[8]采用FBRM對不同性質的六種原油分散體系液滴進行測量，結果發現：原油物性極大地影響了液滴的分布情況，集中體現為原油內活性物質（比如瀝青質）及黏度等因素對油水體系乳化程度的影響的差異化，同時認為大液滴的形成是反相發生的誘導因素，液滴聚并及反相的發生不僅僅取決于連續相黏度的大小，還與界面活性物質有關。PLASENCIA[15]采用Span80乳化的Exxsol D80 mm模擬油進行不同混合流速下的液滴分布測量，其固定含水率為83%，發現低流速下液滴分布變化很小，而在此流速區間上的有效黏度則逐漸降低；而在高流速下區間內，液滴尺寸隨混合流速的增加逐漸減小，有效黏度逐漸增大。除此之外，采用上述乳化體系，觀察16、32、60、90 mm 4種不同管徑下反相前后液滴分布的變化發現：含水率固定的條件下，液滴尺寸隨混合流速的增加逐漸增大直至反相前，反相后液滴尺寸驟然變小。

除FBRM能對液滴分布進行測量統計以外，顆粒錄影顯微鏡技術PVM（Particle Video Microscope）通過提供高顯微質量實時在線記錄顆粒的圖象信息，對于圖像的處理也能夠實現分散體系液滴尺寸及數目的統計及測量，然而其大多應用于反應釜中，鮮有關于其在管流油水分散體系中的使用。相比于FBRM，PVM由于其直接對液滴圖片進行分析，避免了弦長向粒徑轉化帶來的誤差，因而對液滴尺寸的測量更為準確，但對于小液滴尺寸（＜5 μm）無法有效測量，體系平均粒徑尺寸測量值高于FBRM，兩種測量方法可基于實驗數據和對數正態分布相互建立關聯轉化模型，提高單個設備的測量精度。

圖2 聚焦光束反射測量儀Fig.2 Focused beam reflection meter

目前液滴分布的研究主要集中在以下方面：微觀液滴分布與乳化體系穩定之間的關系；不同管流條件下液滴分布的影響變化規律；液滴分布對半分散、分散體系中有效黏度及壓降變化規律的影響，旨在建立較為準確的壓降計算模型。

2.3 技術的局限性

FBRM和PVM的應用仍存在些許問題，其中最大的缺陷在于粒度儀探頭為侵入式測量，會對管流流場造成干擾，進而影響液滴分布統計的準確性，同時由于油水分散體系的不均勻性，管道橫截面不同空間位置處的液滴分布也難以保證具有相同的統計規律。因而在粒度儀使用時，建議一方面合理設計粒度儀在管道中的位置，避免影響其他參數的測量；另一方面建議針對不同空間位置的液滴分布進行試測、比較，以空間體積加權的方式得出具有代表性的管截面液滴分布。

3 光學測量設備

3.1 基本測量原理

高速攝像作為最先應用于油水兩相流動的光學測量設備，由于其自身較高的采樣頻率及直觀的圖像表征形式，已成功代替目測法，實現了油水管流流型判別及其對流型轉化過程中油水結構瞬時變化規律的研究，集中體現為對油水相間不同摻混程度的定性比較。激光多普勒測速儀LDV/LDA（Laser Droppler Velocimeter/Laser Droppler Anemometry）作為一種非接觸式激光測量設備，能夠實現油水流動過程中瞬時速度的準確測量，并且其反應迅速，數據采集頻率高，具備較高的解析力和較寬的測量范圍。ELSETH[16]采用LDA成功測量了油水兩相流動過程中的局部平均速度及湍流強度。但是，LDA技術限制于單點測量，無法同時描述整個流場的流動信息，也缺乏對于同時刻油水兩種介質不同流動行為的追蹤。

粒子圖像測速技術PIV（Particle Image Velocimetry）[17-18]（圖3a）克服了LDA單點測量的局限性，已逐漸被學者們用于油水管流流場的測量，作為一種非接觸在線激光全場測量技術，其能夠捕捉測量區域內全部的速度矢量。完整的PIV系統由激光發射器、PIV相機、同步器、示蹤粒子及流場分析處理軟件構成。其測量原理主要通過激光發射器一瞬間發出兩個激光脈沖，經柱透鏡片光源鏡頭組后，形成片狀激光，照亮事先加入流場中的示蹤粒子，通過PIV專用相機的雙曝光功能，一瞬間獲得兩次曝光，并且通過同步器確保激光發出的兩個脈沖分別落入相機的兩次曝光中，使相機獲得一瞬間示蹤粒子在流場中位移前后兩幀的圖像，通過對兩幀圖像的互相關處理，獲得全場速度矢量分布[19]（圖3b）。平面激光誘導技術PLIF（Planar Laser Induced Fluorescence）[20-22]（圖4a）多用于測量兩相相間形態的變化。其測量原理與PIV測量原理類似，添加在油水兩相中某一相的熒光粒子受一定波長的激光激發后，向外發射波長高于激發波長的光，光經相機鏡頭偏光片的過濾后，記錄在相機感光元件上，以此呈現出所測相的形態，借助于高頻激光發射器及高速攝像機，能夠實現對油相或者水相微觀形態瞬時變化的動態捕捉（圖4b）。

3.2 油水兩相流動中的應用

圖3 粒子圖像測速技術Fig.3 Particle image velocimetry technology

近些年來，國內外對于油水兩相管道流動的研究較少，因而對于光學測量設備的應用，尤其是PIV與PLIF的使用較少，目前相關應用主要集中在挪威泰勒馬克大學學院及英國帝國理工學院。PIV主要用來探究混合流速、持液率及管道傾角等因素對油水兩相管流流場的影響。KUMARA[17]同時采用PIV及LDA進行了油水分層流動實驗觀察，其通過單相水管流PIV實驗驗證了PIV測量的準確性。在油水分層流動流場測量實驗中則發現：軸向與徑向速度波動與單相流動分布規律類似，界面附近一定區域的雷諾應力變化極小，且值普遍較小，并將這種現象歸結為油水界面在重力作用下的壁面抑制作用。基于PIV速度場發現：水平管道及上傾管道實驗中，油相速度大于水相速度，并且隨著傾角的增加，兩相速度滑差增大，下傾管道中則成相反趨勢，管壁附近速度波動及雷諾應力最強，隨傾角增大，油水界面波動增強，界面附近區域速度脈動及雷諾應力也逐漸增強，并逐漸接近管壁附近的脈動強度。

圖4 平面激光誘導技術Fig.4 Planar laser induced fluorescence rechnology

平面激光誘導技術PLIF主要用來研究流型轉化過程中油水兩相微觀形態演變過程。LIU L[21]采用PLIF技術對分散流動中的液滴形態變化進行了詳細觀察，其將流型圖劃分為O/W油包水分散流動、水包油W/O分散流動及其中間的過渡流動，并佐證了過渡流型區間內存在局部O/W流型與W/O流型的共存和O/W/O油包水包油和水包油包水W/O/W二次分散流動的現象，并給以圖片記錄；此外，其還對高速攝像采樣的圖片進行處理，依靠兩相各占圖像的面積計算出瞬時相分率及平均相分率，并對分散相液滴尺寸及其分布進行了統計。

PIV與PLIF測量原理類似，均采用激光或反射或激發流體中示蹤粒子的軌跡完成測量，不同點在于前者側重速度的捕捉，后者觀察形態的演變，原則上兩者可耦合使用。MORGAN[23]采用PILF結合PIV測量手段觀察油水流型、局部相分率、油水界面變化、液滴分布及油水流場變化。其測量結果基于PIV實現了流場測量；基于PLIF圖像的二值化處理，清晰地識別及計算油水兩相分布，完成了流型劃分；統計白色液滴在圖像上所占區間及面積，計算流動過程中液滴的數目及尺寸，以此得出兩相流動中的液滴分布。結合PIV對油水速度的測量及PLIF對兩相物理行為的捕捉，發現了速度滑移比增大，油水摻混區域增大[24]。

總結得出，光學設備目前主要用于對油水管流實驗中分層流、雙流體流、半分散及完全分散流型的識別、流型轉化過程中宏觀與細觀形態及流場變化，捕捉油水摻混過程中物理形態及內部流場變化，記錄細觀液滴行為變化。

3.3 技術的局限性

光學測量設備在油水兩相中的應用仍存在局限，一方面在于目前應用的設備均為二維測量設備，對于解析三維流動特性存在一定的片面性；另一方面在于部分光學測量設備對被測液體有嚴格的要求，如LDA與PIV設備要求所測液體嚴格透明，以便激光能穿透所測液體，點亮示蹤粒子，避免光線自激光器到示蹤粒子及示蹤粒子至相機傳遞路線的扭曲，影響測量準確性，因而實驗無法對不透明原油在流動過程中進行流場測量。目前實驗室大都采用無色透明的模擬油進行油水兩相管流實驗，而油水兩相折射率的差異往往會造成流動過程中出現因油水界面彎曲或油水兩相局部分散導致的模糊及不透明現象。為解決此問題，學者們多采用向水相添加高折射率物質，例如添加丙三醇，使其與油折射率匹配，然而，即便調平折射率，在分散流動中仍會出現模糊的現象，因而PIV及LDA多用于分層及雙流體流動，而分散流動僅適用于低分散相體系。耦合PIV及PLIF的綜合使用原則上能夠同時獲得油水摻混過程中的相間形態變化與流場信息，然而由于熒光粒子尺寸一般較小，即使采用長焦鏡頭或顯微鏡頭完成對其所添加相局部流場信息的捕捉，放大倍數的提高會使得測量范圍減小，造成所測流動區間減小，無法解析出全場流動信息，難以描述整體相間的相互作用。

4 伽瑪相分率儀

4.1 基本測量原理

伽瑪相分率儀[16]（圖5）主要依靠伽馬射線對介質較強的穿透能力，利用介質對伽馬射線吸收率的不同，介質密度大吸收射線多，密度小吸收少，以此實現對不同介質相分率的非接觸式測量。實驗中一般將伽馬射線源與檢測探頭放置管道兩側，當伽馬射線通過流經管道的油水混合物時，探頭便可檢測到射線的強度（計數），結合實驗前伽馬射線對油水單相強度單獨的標定，即可得出混合體系油水的相分率[25]。

根據Beer定律，假設射線源強度為Io，當其穿過已知厚度為lo（mm）的單相介質時，其強度變化為

對于油水體系，假設其分別通過線性吸收系數μw、厚度lw的水層及線性吸收系數μ0、厚度l0的油層，其強度變化為

其中水相和油相的吸收系數可在標定實驗中經公式（1）計算得出。結合標定實驗中油水兩相各自測量的強度Io及Iw，耦合公式（1）與（2），經簡單推導即可得出含水率εw的計算公式

4.2 油水兩相流動中的應用

ELSETH[16]結合高速攝像，采用伽瑪相分率儀對水平管道軸向截面不同徑向位置的時間平均相分率進行測量（圖5），實現了對于分層光滑流、分層波浪流、局部分散流動及完全分散流動含水率的測量，發現高混合流速及高入口含水率易促成穩定的分散體系。KUMARA[17]采用單能伽瑪相分率儀探究傾角對局部平均含水率的影響，結果發現上傾管道含水率一般大于水平及下傾管道，而隨著混合流速的增加，傾角對局部含水率的影響減小。AMUNDSEN[26]利用伽瑪相分率儀研究傾角對油水流型的影響，發現傾角增強了油水兩相的摻混，并擴大了其局部油水分散區間。以上研究發現，伽瑪相分率儀多用于固定位置平均相分率的計算。對比其與電導探針對相分率的測量，其優勢在于非侵入式測量不會對多相流動造成干擾，采用多發射源同時測量的方法可實現對管道不同軸線位置相分率的測量；缺點在于無法實現對分層流動界面波動特性的測量，單純依托伽馬相分率已無法實現非透明管道的流型識別。由于伽馬源放射性問題，目前相關設備使用受限。

圖5 伽瑪相分率儀Fig.5 Gamma phase divider

4.3 技術的局限性

伽馬相分率儀的局限性一方面在于油水密度差較小，對于伽瑪射線的吸收差異較小，影響其測量的準確性；另一方面在于需要較長的采樣時間，同時其測量參數為平均局部相分率，無法滿足對油水兩相復雜多變流動特性的測量要求。近些年來，為及時有效捕捉油水流動隨時間變化的規律，HU[27]開發設計X射線層析成像技術，能夠實現對氣液分層及段塞流動界面結構及流動特性的瞬時測量，并能對油氣水三相界面進行識別，然而通過文獻調研，發現該項技術并未在油水流動特性的測量實驗中得到廣泛應用。

5 結束語

由于先前研究受制于測量設備的能力，難以對流動過程中油水兩相相間行為變化及細觀兩相流場演變等方面進行準確的觀察及測量，更缺乏對宏觀流動現象背后的細觀及微觀機理解讀，因而無法做出對影響流型轉化、壓降變化規律等測量參數變化的因素進行理論分析，難以建立完善的理論。建議如下：

（1）兩相流動流場信息測量。借助于以上儀器，能夠實現對瞬時復雜流場的測量，獲得準確的油水兩相之間及各自與管壁之間的速度滑移比，清晰地描述管道軸向兩相速度分布，從細觀流動結構上確定影響油水兩相相間作用的決定性因素，建立新的流型轉化機理，進而確定不同流型下的壓降計算模型。

（2）油水界面捕捉。油水界面的捕捉包括油水分層流下界面的波動，雙流體流下相間的摻混，分散流下液滴的分布。開展此類研究能夠確定油水界面摩擦因數，因局部及完全分散引起的有效黏度變化趨勢及其對壓降規律的影響，進而完善壓降計算模型，提高壓降預測精度。