水平管內(nèi)油水兩相分散流反相特性研究

呂宇玲， 何利民， 王安鵬， 何正榜， 羅小明

（中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院，山東青島266555）

油水兩相分散流在管道中流動時，隨著流動參數(shù)、物性參數(shù)的變化，水包油型分散流和油包水型分散流會互相轉(zhuǎn)變，兩種流型的轉(zhuǎn)變臨界含水（油）率稱為反相點。在反相點運行時，兩相流的流體力學特性會突然發(fā)生改變，并伴隨著動量的急劇改變，連續(xù)相和分散相之間以及分散體和系統(tǒng)固體邊界之間有熱量和能量的傳遞，會造成管道壓降急劇增大，嚴重影響管道的正常運行。Laflin G C等［1］進行了油水兩相流的實驗發(fā)現(xiàn)當含水率在30%～50%時壓降發(fā)生大幅度變化。Angeli P等［2］在水平的鋼管和丙烯酸管中進行了反相的實驗研究發(fā)現(xiàn)反相點為含水率37%～41%。Oglesby K D［3］通過實驗觀察到反相時壓降急劇改變，并且壓降改變的幅度隨著混合流速和油品粘度的增加而增加。Selker A H等［4］發(fā)現(xiàn)液液兩相的粘度相等時得到最寬的兩相共存區(qū)。Ioannou K等［5］在大管徑實驗中發(fā)現(xiàn)兩相共存區(qū)寬度隨著混合流速的增大而增大，而在小管徑實驗中并沒有觀察到兩相共存區(qū)。Norato M A等［6］發(fā)現(xiàn)隨著密度比增大兩相共存區(qū)會增大，兩相共存區(qū)隨著表面張力的減小而增大。前人的研究結(jié)果表明，反相點受流體流動特性和流體物性多種因素影響，反相理論和反相特性還很不完善，因此，深入研究油水反相特性和反相過程的各種影響因素，對兩相流的研究具有重要的理論價值，對管道的設(shè)計和生產(chǎn)運行具有重要的指導意義。

1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)由儲罐、雙螺桿泵、質(zhì)量流量計、實驗管段、有機玻璃觀察段和等動量取樣裝置等組成，流程圖如圖1所示。其中實驗管段為內(nèi)徑25.4mm，長約25m的不銹鋼管，在實驗管段上安裝了一段長1m的有機玻璃管。在有機玻璃管段觀察油水兩相的流動過程，通過等動量取樣裝置在線獲取油水混合物樣品，利用高速攝像與顯微鏡結(jié)合拍攝反相前后的液滴。管路沿線布置了P1～P66個Keller壓力傳感器和T1～T44個溫度傳感器采集壓力和溫度；采用Bornemann雙螺桿泵，該泵對油水混合物的剪切作用較小。在整個實驗系統(tǒng)上，有兩臺水浴分別對實驗環(huán)道和儲罐進行伴熱，從而調(diào)節(jié)測試系統(tǒng)中油水混合物的溫度。

Fig.1 The flow chart of oil－water two－phase temperature controlled flow loop圖1 油水兩相控溫實驗環(huán)道流程圖

實驗介質(zhì)［7］：采用3種不同粘度的油品（1＃、2＃和3＃）和水。實驗溫度：20～50℃。

3種白油的粘溫關(guān)系式如下：

式中：μ－動力粘度，mPa·s；

t－溫度，℃。

3種白油與水的油水界面張力和溫度關(guān)系式如下：

式中：σ－油水界面張力，mN／m；

t－溫度，℃。

從關(guān)系式（1）～（6）中可以看出3種油品的粘度明顯不同，并且隨溫度的變化較大，而3種油品的界面張力則相差不大，隨溫度的變化也不大，所以本文重點研究了粘度對反相的影響。

實驗采用連續(xù)性實驗方法，連續(xù)性實驗分為水到油實驗和油到水實驗兩種。其中水到油實驗是指系統(tǒng)初始時為水包油分散體，將油品逐漸加入最終經(jīng)過反相形成油包水分散體；油到水實驗是指系統(tǒng)初始時為油包水分散體，將水逐漸加入最終經(jīng)過反相形成水包油分散體。

2 油水兩相分散流反相特性研究

2.1 不同粘度油品反相過程中壓降特性變化規(guī)律

圖2（a－d）分別是3種油品在溫度30℃、流量2.0m3／h下，水到油實驗和油到水實驗中的壓降梯度與隨含油率的變化曲線。

從圖2（a）中可以看出，水到油實驗中，隨著含油率的增加，壓降梯度緩慢增加，當含油率大于0.7時，壓降梯度開始迅速增加，在含油率達到0.835時壓降梯度增加到最大值，在這一過程中，壓降梯度的升高是一個漫長的過程，稱之為“爬坡段”，而當含油率超過0.835之后，壓降梯度急劇減小，稱這一階段為“跳躍段”，隨著含油率的升高，壓降梯度緩慢降低，且反相時壓降梯度比遠離反相點處大的多；通過圖2（b）可以看出，油到水實驗中同樣存在壓降梯度的“爬坡段”和“跳躍段”；圖2（c）中1＃油品的連續(xù)性實驗中同樣存在壓降梯度的“爬坡段”和“跳躍段”；但圖2（d）中3＃油品的水到油實驗反相前并沒有觀察到“爬坡段”，而是“跳躍段”，在反相之前壓降梯度急劇的升高，反相之后壓降梯度緩慢減小，這主要是由于油水混合物的表觀粘度主要由外相的粘度所決定，因此水包油分散體的表觀粘度比與純油體系小得多，而3＃油品的粘度要比水的粘度大的多，這就造成水包油分散體在反相前壓降梯度并不能逐漸增加到最大值，而是在反相前急劇增加達到最大值，反相后逐漸減小。

Fig.2 Pressure drop vs.oil volume fraction curves圖2 壓降梯度隨含油率的變化規(guī)律

從圖2中還可以看出，3種油品在油到水和水到油實驗中遠離反相點處的壓降梯度相差不大。對于低粘度的1＃油品來說，水到油實驗中反相時壓降梯度比油到水實驗中大的多，Piela K等［8］使用低粘度油品實驗時得到相同的結(jié)果，這主要是由于反相時油水混合物的表觀粘度受分散相粒徑、粒徑分布和含油率等共同作用，水到油實驗反相時比油到水實驗反相時分散體的含油率要大，反相時油滴比水滴難以聚結(jié)，油滴粒徑較小，Pal R［9］認為在分散相的體積分數(shù)相同時，分散體的表觀粘度隨著分散相粒徑的減小而增大，使得水到油實驗中反相時壓降梯度要大一些。并且1＃油品在管路中形成油包水分散體時的壓降梯度只比水包油分散體時略大，這是由于油品粘度相對較小使得管路中形成油包水分散體的粘度較小。

對于高粘度的3＃油品來說：由于高粘油在溫度相對較低的情況下油水粘度比非常大，因此在反相前形成的水包油分散體的表觀粘度還受油品粘度的影響，使得水到油實驗中反相時的壓降梯度與油到水實驗時的壓降梯度幾乎相等；管路中形成油包水分散體時的壓降梯度要比水包油分散體時大的多，這是由于油包水分散體的表觀粘度主要由外相的粘度所決定，并且油相粘度很大，使得油包水分散體的表觀粘度就很大，造成管路中形成油包水分散體時壓降梯度非常大。

2.2 反相現(xiàn)象中兩相共存區(qū)的影響因素分析

2.2.1 混合物流量對兩相共存區(qū)的影響 圖3（a）－（c）分別是1＃、2＃、3＃油品的兩相共存區(qū)隨流量的變化曲線。圖3中上曲線是水到油連續(xù)性實驗中不同流量下反相時含油率；下曲線是油到水連續(xù)性實驗中不同流量下反相時含油率；在兩條曲線之間的區(qū)域被稱為兩相共存區(qū)，油相或水相都可能成為連續(xù)相。從圖3中可以看出，在相同流量下，水到油實驗中反相點較大，油到水實驗中反相點較小，這是由于初始的連續(xù)相有保持其繼續(xù)“連續(xù)”的傾向，水的密度比油的密度大，其慣性力大，在水到油實驗中，水相保持其連續(xù)性更持久，因此水到油實驗中的反相較難發(fā)生，使水到油實驗中反相點較大。

如圖3（a）－（c）所示：1＃油品水到油實驗的反相點隨著混合流量的增加而增大，油到水實驗中的反相點隨著混合流量的增加而減小，兩相共存區(qū)的寬度隨著混合流量的增加而變寬；2＃油品水到油和油到水實驗中反相點隨著流量的增加均減小，兩相共存區(qū)的寬度隨著混合流量的增加變化不大；3＃油品水到油實驗的反相點隨著混合流量的增加略有減小，油到水實驗中的反相點隨著混合流量的增加略有增大，兩相共存區(qū)的寬度隨著混合流量的增加稍有減小。3＃油品隨流量的變化引起反相點的變化幅度很小，流量對反相點的影響不明顯。

Fig.3 Ambivalent range vs.flow rates curves圖3 油品兩相共存區(qū)隨流量的變化曲線

出現(xiàn)以上結(jié)果的原因分析如下：流量的變化對反相點的影響有兩方面，一是隨流量的增大分散相越容易被剪切成更小的液滴，使反相延遲；另一方面隨著流量的增加流體的擾動增大使得分散相液滴的碰撞與聚結(jié)頻率增大，促進反相發(fā)生。流量變化對反相的影響最終取決于液滴的破裂和聚結(jié)哪一方面占主導地位，而液滴的破裂和聚結(jié)又與油品的粘度有關(guān)。1＃油品粘度較小，隨著流量的增加，分散相液滴容易被剪切成更小的液滴，只有繼續(xù)增加分散相的體積分數(shù)才能促進反相現(xiàn)象的發(fā)生，因此1＃油品兩相共存區(qū)的寬度隨著混合流量的增加而變寬。2＃油品粘度較大，對于水到油實驗，分散相被剪切成更小的油滴的難度增大，流量增加產(chǎn)生的擾動使液滴的碰撞聚合占主導地位，隨著流量的增加，反相點減小；對于油到水實驗，油品粘度大，流量增加引起的擾動不明顯，水滴碰撞聚合頻率減小，隨著流量的增加，反相點減小。3＃油品的粘度最高，液滴的破裂和聚合難度增大，混合流量變化引起的分散相粒徑變化不明顯，因此3＃油品的兩相共存區(qū)寬度隨流量的變化不大。

2.2.2 不同油品下兩相共存區(qū)的變化 圖4是連續(xù)性實驗中，流量為2.0m3／h時兩相共存區(qū)隨粘度的變化曲線。從圖4中可以看出水到油實驗中的反相點隨著油品粘度的增加而緩慢增加，油到水實驗中的反相點隨著粘度的增加而迅速增加，兩相共存區(qū)的寬度隨著粘度的增加而減小，油相成為分散相的趨勢增加。液滴的聚合一般分為三個階段：（1）連續(xù)相的湍流驅(qū)動使液滴靠近和碰撞；（2）液滴間的連續(xù)相液膜排液減?。唬?）液膜達到臨界厚度破裂，液滴聚合現(xiàn)象發(fā)生。Norato M A等［6］認為隨著油相粘度的增大，兩個油滴發(fā)生碰撞時膜的排液時間變長導致液滴的聚合頻率變低，只能在更高的含油率才能發(fā)生反相，所以水到油實驗中反相點隨油品粘度的增加而升高。

Fig.4 Ambivalent range vs.viscosity curve圖4 兩相共存區(qū)隨粘度的變化曲線

2.3 反相過程液滴的變化特點

顯微高速攝像測量系統(tǒng)主要由高速攝像機、倒置式顯微鏡、計算機和樣槽組成，其中樣槽與等動量取樣裝置相連接。在實驗中利用顯微高速攝像測量系統(tǒng)對反相前后的液滴進行拍攝，分析反相前后分散相液滴的變化情況。

圖5是連續(xù)性實驗中，1＃油品在溫度為30℃、流量2.0m3／h的水到油實驗中反相前后液滴的變化情況。圖5（a）是反相前液滴的照片，此時含油率為76%，其中的液滴為油滴；圖5（b）是反相后液滴的照片，此時含油率為83%，其中的液滴為水滴?？梢园l(fā)現(xiàn)：反相前油滴的粒徑相對較小，且有部分油滴已經(jīng)變形為橢球體甚至為更不規(guī)則的油滴，油滴中有少量小水滴（二次分散體），稱為多重液滴；反相后水滴粒徑相對較大，且全部為球形水滴，在水滴中還包含有較多更小的油滴。

圖6是連續(xù)性實驗中，1＃油品在溫度為30℃、流量2.0m3／h的油到水實驗中反相前后液滴的變化情況。圖6（a）是反相前液滴的照片，此時含油率為65%，其中的液滴為水滴；圖6（b）是反相后液滴的照片，此時含油率為60%，其中的液滴為油滴。可以發(fā)現(xiàn)：反相前分散相體積分數(shù)大約為35%，此時水滴的粒徑較大，但并沒有觀察到二次分散體的出現(xiàn)；反相后分散相體積分數(shù)為60%，此時產(chǎn)生的油滴粒徑較小，且有部分油滴呈現(xiàn)為不規(guī)則的球體，與水到油實驗中反相前的油滴比較相似，在反相后也沒有發(fā)現(xiàn)二次分散體。Piela K等［8］發(fā)現(xiàn)在水到油實驗中只有在反相后才有多重液滴（油包水包油）；在油到水實驗中多重液滴（油包水包油）僅僅出現(xiàn)在反相前，與本文觀察到的現(xiàn)象不同。

Fig.5 The change of droplets from water continuous flow to oil continuous flow圖5 水到油實驗中液滴的變化情況

Fig.6 The change of droplets from oil continuous flow to water continuous flow圖6 油到水實驗中液滴的變化情況

3 結(jié)束語

1）不同粘度的油品反相時其壓降梯度的“爬坡”和“跳躍”特性不同。對于低粘度的油品，水到油實驗中反相時的壓降梯度比油到水實驗中大的多；對于高粘度的油品，水到油實驗中反相時的壓降梯度與油到水實驗幾乎相等。油品在油到水實驗和水到油實驗中遠離反相點處的壓降梯度相差不大。對于低粘度的油品，管路中形成油包水分散體時的壓降梯度只比水包油分散體時略大；對于高粘度的油品，管路中形成油包水分散體時的壓降梯度要比水包油分散體時大的多。

2）混合流量對兩相共存區(qū)的寬度的影響與油品的粘度有關(guān)，對于低粘度的油品，兩相共存區(qū)的寬度隨著混合流量的增加而變寬；而對于高粘度的油品，兩相共存區(qū)的寬度隨著混合流量變化不大。相同流量下，油品粘度對兩相共存區(qū)寬度的影響在水到油實驗中的反相點隨著油品粘度的增加而緩慢增加，油到水實驗中的反相點隨著粘度的增加而迅速增加，兩相共存區(qū)的寬度隨著粘度的增加而減小。

3）水到油實驗中反相前油滴的粒徑相對較小，且有部分油滴已經(jīng)變形為橢球體甚至為更不規(guī)則的油滴；反相后水滴粒徑相對較大，且全部為球形水滴，但在水滴中還包含有更小的油滴。油到水實驗中反相前水滴的粒徑較大，但并沒有觀察到二次分散體的出現(xiàn)；反相后油滴粒徑較小，且有部分油滴呈現(xiàn)為不規(guī)則的形態(tài)。

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