水平及微倾斜管内油气水三相流流型特性.pdf

第 2 7卷第 3期 2 0 0 6年 5月 石 油 学 报 ACTA PETROLEI SI NI CA Vo1 ． 27 No ．3 M a y 20 06 文 章 编 号 0 2 5 3 2 6 9 7 2 0 0 6 0 3 0 1 2 0 0 6 水 平及微倾斜管 内油气 水三相流流型特性 刘文红Ⅲ 郭烈锦 程 开河 韩新利 赵新伟 杨 龙 1 ． 中国石油天然气集 团公 司管材研究所陕西西安7 1 0 0 6 5 ； 2 ． 西安交通大学动力工程多相流国家重 点实验室陕西西安7 1 0 0 4 9 3 ． 中国石油塔里木油田分公 司开发事业部新疆库尔勒8 4 1 0 0 0 摘要 以 4 6号机 械油、 自来水和 空气为实验介质 ， 对水平及 微倾 斜有机玻璃管 内油 气水 三相流 的流 型及其 转变特性进行 了实验研 究。采用观察法和流型识别仪相结合的方法 ， 按 照油、 水两相的关 系以及气液界面 总体特征 ， 将 管内油气水 三相流 的流 型进行 了划 分， 并给 出了相应的流型结构及 流型图。以实验 数据 为基 础提 出了考虑流动参数变化影响的反相点预测 关联 武。按 照现有的关于 气液两相流 的流 型转变准则 以及考虑流动条件 的油水乳状液 的变化规律 ， 对管 内油气水三相流各流型之 间的相互 转变进行 了预测 和分 析， 结果表明， 气相 的作用使 油水分布发 生了很 大变 化， 不 同流动条件下的油水混合物的物性变化也很大。 关键 词油气水三相流 ； 流型； 水平管 ； 倾斜 管； 油水混合物； 反相 ； 实验研 究 中 图分 类 号 TE7 3 文 献标 识 码 A Cha r a c t e r i s t i c s 0 f o i l g a s - wa t e r t hr e e - p ha s e f l o w pa t t e r n i n h o r i z o n t a l a nd s l i g ht l y i nc l i n e d pi p e s Li u W e n h o n g ’ Gu o L i e j i n Ch e n g k a i h e Ha n Xi n l i Z h a o Xi n we i Ya n g l o n g 1 、Tu b u l a rGo o d s Re s e a r c h Ce n t e r o f CNPC，Xi a n 7 1 0 0 6 5 ， Ch i n a；2 ．St a t eKe y La b o r a t o r y o f Mu l t i p h a s e Fl o w i n Po we r En g i n e e r i n g，Xi a n J i a o t o n g Un i v e r s i t y，Xi a n 7 1 0 0 4 9，Ch i n a； 3 ． De v e l o pme n t De p a r t me n t o f Pe t r o Ch i n a Ta r i m Oi l f i e l d Co mp a n y， Ku e r l e ， 8 4 1 0 0 0， C hi n a Ab s t r a c t Ta ki ng No． 4 6 me c h a ni c a l oi l ，a i r a n d t a p wa t e r a s wor ki ng f l u i ds，t he f l ow p a t t e r ns a n d t h e i r t r a ns i t i o n p r ope r t y o f oi l ga s wa t e r t hr e e - pha s e f l ow i n t he h or i z on t a l a n d s l i ght l y i nc l i ne d pi pe s we r e e xp e r i me nt a l l y s t ud i e d by v i s u a l i z a t i o n me t h od a nd f l o w pa t t e r n i d en t i f i c a t i o n i n s t r ume nt ． The o i l g a s wa t e r t hr e e pha s e f l ow pa t t e r n s i n t he h or i z on t a l a n d s l i ght l y i nc l i n e d p i p e s s y s t e m we r e d e f i n e d a n d di s t i n gui s h e d b y t he s igna l s o f p r es s ur e s a n d pr e s s u r e di f f er e n t i a l t r a ns duc e r ． Ac c or di n g t o oi l a nd wa t e r di s t r i bu ～ t i on i n pi pe s a nd t h e t ot a l c h a r a c t er i s t i c s of ga s l i q ui d i n t er f a c e，t h e pa t t e r n s of oi l ga s wa t e r t hr e e - pha s e f l ow we r e c l a s s i f i e d，a n d t he f l ow p a t t er n ma p s we r e gi v e n．A ne w c or r e l a t i on f or pha s e f r a c t i on o f o i l - wa t e r mi xt u r e s wa s pr o pos e d on t he ba s i s o f e x pe r i me n t a l da t a ． Th e t r a ns i t i o n me c ha ni s ms b e t we e n di f f e r e nt f l ow r e g i me s we r e a na l yz e d b y us i n g t h e f l o w p at t e r ns t r a ns i t i o n c r i t e r i ons f o r t r a d i t i o na l ga s l i qu i d t wo - ph a s e f l ow c o mbi n e d wi t h di f f e r e nt v i s c os i t y mo de l s d e ve l o pe d f or di f f e r e nt f l ow c o nd i t i o ns ．The r e s ul t s ho ws t h a t t he di s t r i b ut i on o f o i l a nd g as c h a ng e s gr e at l y un de r a c t i o n of a i r ．Th e p r o pe r t y of oi l wa t e r mi xt ur e c h a ng e s gr e a t l y un de r di f f e r e nt f l ow c on di t i ons ． Ke y wo r d so i l ga s wa t e r t h r e e - p ha s e f l o w ；f l ow pa t t e r n；h or i z o nt a l p i p e；i n c l i n e d pi p e；o i l - wa t e r mi x t ur e；p ha s e i n ve r s i on；ex pe r i me n t a l s t u dy 在 油气水 混合 物 的 多相 流 动 中， 流 体 的相 互 作 用 和分散 程度 对流 动形 态 的影 响很 大 ， 所 以油 气水 三 相 流 的流 型 比气液两 相 流 复杂 得 多 ， 出现 了不 少新 的流 型 。此 外 ， 目前学 者们对 流 型 的研究 结 论 ， 在 有些 方面 存在 相 当大 的分歧 L 1 ] 。同 时 由 于那 些 适用 于气 液 两 相流 的流型 划分 法[ 3 中只考 虑 了单 一 液相 的特 征 ， 并 不 能准 确地 预测油 气水 三相 流流 型 的全 部变 化 。笔者 对水平 以及微 倾斜 长 直圆管 内油气 水 三相流 的流 型及 其相互 转变 进行 了相关 的实 验研究 。 1 实验装置及实验方法 实 验是 在西 安交 通大 学动力 工 程多相 流 国家重 点 实验室 的油 气 水 实 验 回路 上 进 行 的[ 4 ] 。实 验 管 段 由 内径相 同的有机 玻璃 管 和 不 锈 钢 管并 联 组 成 ， 两 管 的 内径均 为 4 0 l n m， 长 度 为 2 0 1T I ， 该 实 验 段 可 以实 现 管 段 不 同倾 角时 的实验 研究 。实 验系 统和 实验段 装置 的 详细介绍请见文献[ 1 ] 。 实 验 开 始前 ， 首先 启 动空 压 机 ， 对 管 路进 行 吹 扫 ； 基金项 目； 国家 自然科学 基金项 目 No ． 1 0 1 7 2 0 6 9和 N o ． 5 0 3 2 3 0 0 1 资助 。 作者简介； 刘文红 ， 男 ， 1 9 7 2年 9月生 ， 2 0 0 4年获西安交通 大学博士学位 ， 现为 中国石油天然 气集团公司管材研 究所博士后研究人 员 ， 主要从事 石油 工程 、 多相流及其工程应用方 面的研究 。E - ma i l wh - l i u s o h u ． c o m 维普资讯 旃 划 卫 ≮ 水平 墁傲颂斜管 油 L 水 一 l 潍流 动 水采 将 气 液 丹 离 行 进 i 管 危 球 ； 然 后 动 泉 先确 定 f } 水 比半 ． 定 水 蚋 流 ． 然 节 水 流 量倮持 定 ． I h小到夫政变气 体流瞄 缛 丰 H 流域 降揶棚 埘稳定扁 i 婧秉氍符补 l 数据 ； 同时 观察 ． 求 每 个 I 扰 F的流 型 气 达 到 最 人 岳 ， } J} 改 变 油水比丰． 片 堑 述 r - f1 ． 2 反 及反卡 日 点 的确定 实 蝓观 察 发 观 ． 绝 大 音 Ij j ’ 管 汕 i水 汽 础 下的柏水 台物足 l I乳状 被或 乳状 涨状 怠 仃 的 j匝常情抛 卜． 【i _ 于f l{i 、 水混 弁物连续 lf f{ 不同 ． 讪包 水 乳 状 液 的 书 0 J王 c大大 高 于 水 也 油 乳 状 馊 的 帖 崖 ． 特I } lf 挂 n J 互相点 附近仔在 一个突 此 确定管 内i l}I 动情搋 l、 J 乏 1 血蚋他 l舒戈谜 惜助 局拂驭砰 的 实 川洲 鲢 时管 内-,．1 11 水‘ 捌 流功 拳 什 F汕 水 混 合物 应桕点进行了坝j Ijlj 。 。 。 ． Ⅲ r 折萌 之 迷I I-f ． j 取 样 I }l寸 洲 得到f I“J f 『} i 水眦 物的 钋度 }lJ 毓结 果 根艄 尉 取样的 耍制洲 量 褂刮管 f【 水二{ f1 流动条 下 汕水混台柳发 J互牛 H 【 l、f 的悼积 含水率 1 l j ～I } 肄件的反1I 协陧取 决于 I 水混合物 流速 以 乏 折 算 i 速呐 lln．1 fli n油水妣 物f1勺J_三七 点会随 符 琏 的增大J ⋯i一 禽水丰埔 』 n ㈨潦穆 发生这 种 象的 主碍原 址随 荇流动条 件 变化． 气 州成 为5 } 黻 在 汕 水 中 H I f I m 分 散 泡 ． 这 舒 敞 L 池 艘上 { 丁 分 散 荆I 液确之h IJ 的聚坫 台片． 此 械 蛭 商的分敞 州 浓度 以 帷 相 I 触媚 泡掺入n 0 影] ． _n 『 使得油 、 水 荆1 之 问发 I 新的聚 -I 。 台 ． 从I村他僻』 王f 【 j 点l ；1J 虹高 的 水； 瞽 移 动 ． 圳即 _f lj 取 样 洲 鲢 得刊 的 柑 发 实 骑 数 据 逊 } t M I,I t ． 可以斟刮 柏 i 1I I L 水 1 漉 情 的ff 水 混 物发 匣Ilj 1 l l寸 』 界体 l 水 的 走逃』 ℃1| ]。 1 I }c I q9 25 『I 一4 ．1 UI I“ I W ⋯ ． f ， 』 ， ． ” ’’ 、 f I 1 小 W e f “ 。 I U n 。 。 i 2 巾【 为f l}I t 水泥音物速度 ． 旬 h 水 帐 lh』 I 1 靴 I 】 以 州 管 I J,l 流 动 情 I、 的 瓜 州 进 定 蕈 顶删 “ ， 油 水 弁 幸 蚵为水 包 汕 ． 水 连 续 州 ； 蜘反 地 ． q ≠ II - ． 油水 混 合 物 l向汕 包 水 ． 亦 口 fI 汕 为连 续 这 样 就 南 确 地 厂 ≮舟 俏 出 混 什物类。 以照研究 M油水舒敞作系的滟 动觇律挺 供 J 方 便 3 油气 水三卡 H 流流型 3 ． 1 流 型 的划 分 及 其 定 义 采刚观察法和流 l 别仪 。1l1 结 舟n 勺 法时管 内 油 L 水 二Hl 流动时 的流J 进 f l 别．．刊 r油 t 水 相 流l 时流动的’ 龇． 【{ { 于气们的掺人 ． 油水两中 口的流 j 没有出现史献 1 和 史献[ 4 ] 所定 义的所有流 针 对这种-惰} ． 将油 水 二辩； 仃时 ． j1{ l 水丽杷的 关系区 抒 匀j 离 f l制、 水Il 【1 均连续 部分分散 水艏I 连续． 汕 敞 和究 分散 f i 1J J f H、 水中 均 琏续 3种形 式 气液 面总体特f iI 微J{ c i 分 流 、 泡状流 、 段寒 流、 掸状 漉雨I 流蟮率类 进i 卜 丹 ．．川此 ． 水平 硬近水平 管 油 水 川流 的流 至 少疗 一 直 闰 I 新 的【， 种 蔓 ■■■ 】油气水 i帮井 离讣层渡 h 】 水基离触 波状分层流 【 i 乳 诛 状环 状 流 空 气_ 水I油l 油 水 乳 状 掖 图 I 水平管内油气水三相流部分流型结构 图 Fi g I Sk et c h 卜Ei - 日I r i hr ee phas e rI l l 、 pa t t er ns i n hor i z m I al I i pe 粪 、 观察 抒睡I ll‘ f流动 向自 l 立时 ． 图 【l 卜分驯 勺水、F硬做 恤斜 符l f l{{ 水 f }1 瓶 徘丹梳 型的 储敏 、 ll l}i 税 图 I 泊 t 出 _押 { 分 离 分层 流 j 湖 气 水 流 动 I 一；；一_ ～瓣 一I I 一 一一 一_ 一圈 一一 一 一 一一 ◆ ◆ 黪 够 0 维普资讯 1 2 2 石 油 学 报 2 0 0 6年第 2 7卷 的流 速都 较低 ， 而且 管径 足够 大时 ， 就会 出现 水相位 于 管道 底部 、 油相 位 于水相 上部 成层 流动 、 而气 相则 形成 连续 气相 的现 象 ， 这样 在 管 内就 会形 成 气 、 油 、 水 三 相 自上而 下分离 成 层 的流 动 ， 流 型结 构 如 图 1 a 所 示 。 由于实验条件的限制 ， 无论是水平管还是下降管均 没 有 实现 此种 流型 。 2 水 基离散 波 状分 层流 当油气 水 三 相有 合适 配 比时 ， 就会 出现如 图 1 b 所示 的水 基 离散 波状 分层 流， 此时油水混合物形成混合液相与气相的分层流动 ， 此种 流型 在笔者 试验 范 围 内得 到 了实现 。特别 是在 倾 斜下降管中， 只要选择合适 的油水 比以及气液 比即可 实 现此种流 型 。 同样 当油 为 主 导相 时 ， 相应 的流 型 即 为油基 离散 波状 分层 流 。 3 油水 混合初 期 泡状 流 当主 流液 体 流速 较 低 时 ， 且 气量 极小 时 ， 气 体 以孤 立 的 小气 泡 随液 体 流 动 。 由于油水 两相 液速 很低 而 呈 现 波状 分 层 流 动 ， 随着 油 水 流速 的增加 ， 或者 气体 流量 的增 大 ， 油水 界 面处 开始 出现少量 液滴 ， 孤立 气泡 有加速 合 并现象 ， 其形 式 为追 尾合并 。 4 油水混合初期段塞流 当主流速度仍然较低 时 ， 随着 气量 的增 大 ， 气 泡 自然 合 并 的几 率 急 剧 增 大 ， 气 泡发 生变形 ， 成 为长 的变 形 气 泡 ， 气 泡 头 部 变 大 ， 向 管 底部靠 近 。油水 界 面处 液 滴 明 显增 多 ， 气 弹运 动 速 度加速显著 ， 气弹过后油水两相相对静止， 油水界面油 珠 变小 。界 面上有 两 种颜 色 深 浅 不 一 的液 滴 ， 气 弹 有 拖尾以及断开现象。气 弹长度约 为 4 0 ～1 0 0 c m。随 ’ 着气相 速度 的增 大 ， 气 弹的尾 部变 短 ， 界 面上 油滴则 进 一 步变 小 。 5 水基油滴分层泡状流 随着液相混 和速度的 增 大 ， 且 气量 较小 时 ， 气 泡周 围附 有 小气 泡 ， 气 泡 自然 合并更加频繁。油滴进一步变小 ， 油滴分散层进一步 扩散 ， 油水呈滴状分层。随着折算气速的增大， 气泡变 长， 头部变大， 逐渐向管下部方向发展 ， 合并更为频繁 ， 并伴有明显的气 泡加 速， 气泡沿管轴线方 向 运动方 向 的分布不 均匀 ， 并逐渐 发 展为油 滴 分散 的段塞 流 。 6 水基离散泡状流高液速时 ， 气体呈 团簇状 聚集 ， 气 泡数 目较 少 ， 有 时气 泡会 合 并成 大 的单 气 泡 ， 但气泡仍为类球形 。大的气泡较周 围的附着小气泡团 运动快 ， 油以滴状分布 ， 几乎 占据整个管截面。但是在 同一截面上 ， 仍然存在不 同层面上的不均匀性 。进一 步提高折算液速 ， 气泡团簇状聚集更为明显 ， 较大变形 气泡突然加速 ， 周 围小气泡脱落。随着折算气速 的增 大 ， 气泡 从分散 的小气 泡 向大 的变 形气 泡发展 。同样 ， 当油为主导相时 ， 相应的流型即为油基离散泡状流。 7 水基油滴分散段塞流 当液相混合速度较大 时 ， 随着气 相速 度的 进一步增 大 ， 变形 气 泡发展 为段 塞 流 。气 弹头 部 变大 、 变 长 ， 气 弹 明 显 加速 并 发 生 合并 。 折算气速越高 ， 气相对液相 的扰动进一步加强。油滴 变小 ， 油水分散程度变大 。随着折算液速的增大， 油滴 在气相的扰动作用下向管顶部扩散 ， 管壁面有轻微污 染， 油水混合物的分布逐渐趋于不明显 ， 壁面挂液沿管 壁 面下滑 ， 相邻气弹之间夹有微小的气泡 团。高液速 时， 气 弹频率增大 ， 合并现象明显 ， 气 弹大小沿轴线方 向上分布不均匀， 相邻气弹之间散 布有大量小的气泡 团， 气相的扰动加剧 ， 壁面污染， 管道壁面挂液显著， 油 以滴 状 分布 ， 几乎 占据 整个 管截 面 ， 但是 在不 同层 面上 仍 然存 在不 均匀性 。同样 ， 当油 为主 导相 时 ， 相应 的流 型 即 为油基 离散段 塞 流 。 8 乳 沫状 弹 状 流 进 一 步增 大气 量 ， 油水 混合 物的乳化更为明显， 油水混合物 的乳化更充分 。随着 油 水体 积 比的增 大 ， 管 壁面 的污 染也逐 渐增 大 ， 管 内混 合 物 的流动 看起来 象 油气两 相 流流 动 。把 这种 强湍 动 的流动 称为 乳沫 状 流动 。当 水 为 主 导相 时 ， 即为 水 基 乳 沫状 弹状 流 ； 当油 为主导 相时 ， 相应 的 流型 即为油 基 乳 沫状 弹状 流 。 9 乳沫状环状流 当气相速度很高时， 长的气 泡 首尾 相接 ， 形成 气 芯 流 动 。液 相 则 沿 管壁 周 向形 成 一 层液膜。由于重力的作用， 液膜在管底部较厚 ， 气速 较 高时 ， 在气 芯 中也 常 携 带 一定 量 的细 小 液滴 。 由于 油 、 水 比率 的不 同 ， 加 之 气 相 掺 入 的影 响 ， 油 水 乳 化 作 用 明显 ， 上 管壁 液膜为 絮状 沉积 物 ， 而越靠 近管 底部 的 液 膜则 呈现 出一 种强 湍动 的乳 沫状 流动 状态 。 当水 为 主导相 时 ， 相应 的流 型 即为水基 乳 沫状环 状 流 ； 当油为 主导 相时 ， 相应 的流 型 即为油基 乳 沫状环 状流 。 3 ． 2 油气 水 三相流流 型 图 水 平管 内油 水 比为 1 2 和 1 3 时 的 油气 水 三 相 流 的流 型见 图 2 。油 水 比为 1 1 和 1 2 时在 倾 斜 上 升 管 的油气 水 三相 流的流 型见 图 3 。这 些 流 型 图都 是 基 于 油水 体积 比恒定 及气 速改 变 的情况 下而得 到 的 。 可 以看 出 ， 对于不 同的总液 流量 亦 即折算 液 速 ， 随着折算气速的变化 ， 管内油气水三相流呈 现出与气 液两相流类似的流型。但是由于存在着互不相溶的液 液两相， 其相互作用和分散程度对流型影响很大， 所 以 油气水 三相 流 的流 型 比气 液 两 相 流 复杂 得 多 ， 出现 了 不 少新 的流型 。但流 型研 究 的最终 目的是为 了更 准确 有效地建立依据流型的多相流计算 的数学物理模型， 从而进行精确的油气水三相流流动和传热计算， 因此 流型 的划分 并 不是越 细越好 。只要这 种 划分 能满 足流 动模 型 的条 件 ， 就完 全 可 以将 具 有 基 本 相 同 流动 特征的流型合并在一起 。 因此， 以后应以气液界面总体 维普资讯 等 ． 啦 t m f L i i 州 许 L H ⅢL U ， m ’ 目 2 平管 _ 由气 水三 相濂 流 c 2 t r ’ d oi l E u t r l h r c e p I l ‘ p l l { , r l i s i n h o i z o nt a l p i p e UE， m 目 微倾 斜上 升 管油气 水 相蘸 流型 F ， ‘ m P r v 【 l ”， 1 ．1 ⋯1 r ⋯ph a s e nI pm1 c r f - 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wa t e r t h r e e - p h a s e f l o w t h r o u g h h e l i c a l l y c o i l e d t u b e s [ J ] ． I n t ． J ． o f Mu l t i p h a s e F l o w， 1 9 9 9 ， 2 5 6 ／ 7 1 0 5 3 1 0 7 2 ． [ 3 3 Ma n d h a n e J M， G r e g o r y G A， A z i z K A fl o w p a t t e rn ma p f o r g a s - li q u i d f l o w i n h o ri z o n t a l p i p e s E J ] ． I n t ． J ． Mu l t i p h a s e Ho w， 1 9 7 4 ， 1 4 5 3 7 5 5 3 ． [ 4 ] L i u We n h o n g ， Gu o L ie j i n ， Wu T e j u n ， e t a1 ． A n e x p e ri me n t a l s t u d y o n t h e fl o w c h a r a c t e ri s t ic s o f o i l- wa t e r t wo - p h a s e fl o w i n h o r iz o n tal s t r a i g h t p ip - e s [ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f C h e m i c a l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 3 ， 1 1 5 4 9 1 - 4 ％． E 5 ] 刘文红 ， 郭烈锦， 张西 民， 等． 水