基于高速攝像與多參數(shù)結(jié)合的油水兩相流流型實(shí)驗(yàn)分析

黃春輝，胡金海，劉興斌，于春娣，羅淑艷

（大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司，黑龍江 大慶163453）

0 引 言

生產(chǎn)測(cè)井儀器集流測(cè)量通道內(nèi)油／水兩相流的流速及含水率隨著產(chǎn)層產(chǎn)液情況的不同而變化，混合流體的流動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜多變，特別是在流型發(fā)生轉(zhuǎn)換的過(guò)渡區(qū)，流型在水為連續(xù)相和油為連續(xù)相之間發(fā)生轉(zhuǎn)變，流動(dòng)狀態(tài)更為復(fù)雜，對(duì)生產(chǎn)測(cè)井的準(zhǔn)確測(cè)量產(chǎn)生很大影響，測(cè)井資料的分析解釋必須考慮到這些影響。油／水兩相流的流型分析是兩相流的一個(gè)重要研究方面。

國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)垂直上升管中油／水兩相流流型轉(zhuǎn)化邊界進(jìn)行了研究。Tulsa大學(xué)的Flores等［1］在內(nèi)徑為50.8mm的垂直上升管中進(jìn)行了觀察，將油水兩相流劃分為水連續(xù)相和油連續(xù)相2個(gè)大類(lèi)共6種流型，其中水連續(xù)相包括油滴分散流（Do／w）、細(xì)小油滴均勻分散流（Dvf，o／w）、油相在水中混狀流（Cf，o／w）；油連續(xù)相包括水相在油中混狀流（Cf，w／o）、水滴分散流（Dw／o）、細(xì)小水滴均勻分散流（Dvf，w／o）。金寧德等［2－3］基于兩相流運(yùn)動(dòng)波理論及微型電導(dǎo)陣列探針流型測(cè)量技術(shù)研究了垂直上升管中油／水兩相流流型轉(zhuǎn)化邊界，尤其是在小管徑中實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到了水包油段塞流、水包油泡狀流、水包油細(xì)小泡狀流、過(guò)渡流、油包水泡狀流等5種典型流型；鐘興福等［4］在內(nèi)徑125mm的垂直上升管中實(shí)驗(yàn)觀察到了油泡流、分散油泡流、混狀流和水泡流等4種流型。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)小直徑管中的流型劃分結(jié)果不能成比例地應(yīng)用到大直徑管中，而且劃分標(biāo)準(zhǔn)或界限也不能按比例放大或縮小。

本文通過(guò)高速攝像法對(duì)內(nèi)徑為20mm的集流測(cè)量通道內(nèi)的高速攝像圖片進(jìn)行考察分析，結(jié)合差壓傳感器及阻抗傳感器在油／水兩相流中的響應(yīng)特性分析，研究了小管徑中油／水兩相流流型轉(zhuǎn)化邊界，其目的在于考察阻抗含水率計(jì)在產(chǎn)液剖面生產(chǎn)測(cè)井中油／水兩相流中的適用范圍。

1 高速攝像拍攝的油水兩相流流型

實(shí)驗(yàn)中，垂直小管徑實(shí)驗(yàn)裝置上安裝有透明的有機(jī)玻璃管段，管道內(nèi)徑為20mm，利用高速攝像機(jī)拍攝透明管段內(nèi)油水兩相流得到高速攝像圖片。油水兩相流的流量范圍為3～80m3／d，不同的流量及含水率下拍攝的油水兩相流流型可分為水包油泡狀流、水包油細(xì)小泡狀流、過(guò)渡流、油包水等4種流型情況。由于實(shí)驗(yàn)總流量下限的限制，沒(méi)有觀察到水包油段塞流的流型（見(jiàn)圖1至圖4）。

（1）水包油泡狀流。水為連續(xù)相，較大的油泡分散在水中，趨于管道中心向上流動(dòng)。主要分布在低流量、高含水范圍。

（2）水包油細(xì)小泡狀流。水為連續(xù)相，細(xì)小的油泡均勻分散在水中。主要分布在高流量、高含水。

（3）過(guò)渡流。高速攝像圖像特點(diǎn)為大塊油泡或大塊水泡交替翻滾向上流動(dòng)，油水呈混狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)，沒(méi)有固定的連續(xù)相，主要分布在含水率20%～35%之間。

（4）油包水。油為連續(xù)相，水滴均勻分散在油中，主要分布在低含水區(qū)域。

圖1 水包油泡狀流（含水率）

圖2 水包油細(xì)小泡狀流（含水率）

圖3 過(guò)渡流

圖4 油包水

2 多傳感器結(jié)合劃分油水兩相流流型

2.1 差壓傳感器油水兩相實(shí)驗(yàn)研究

差壓傳感器油水兩相流實(shí)驗(yàn)在大慶油田測(cè)井試井檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中心多相流實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)裝置下部穩(wěn)流管段為內(nèi)徑125mm的透明有機(jī)玻璃井筒，流體從模擬井筒流入到20mm的集流測(cè)量通道內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了流體的全集流。在集流通道內(nèi)安裝了差壓傳感器以及阻抗傳感器。差壓傳感器測(cè)量的壓差信號(hào)通過(guò)垂直管壁上的2個(gè)取壓孔傳遞給差壓傳感器，2個(gè)取壓孔之間的距離為50cm，管壁材料為光滑的有機(jī)玻璃。差壓傳感器的測(cè)量精度為0.075%，測(cè)量范圍為－19～30kPa；實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為柴油和水，水的密度為1g／cm3，柴油的密度為0.839g／cm3。實(shí)驗(yàn)時(shí)，油水兩相總流量范圍為3～80m3／d，含水率范圍為0～100%。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中先固定某一液相流量，含水率從高到低按10%遞減的順序調(diào)節(jié)含水率，待流量穩(wěn)定后，利用地面采集系統(tǒng)對(duì)差壓傳感器的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行采集。

圖5為差壓傳感器在油水兩相流中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖5中橫坐標(biāo)為油水兩相含水率，縱坐標(biāo)為測(cè)量的差壓值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，流量低于40m3／d時(shí)其差壓值隨含水增加線性單調(diào)遞增；流量高于40m3／d時(shí)其中含水段會(huì)出現(xiàn)突變，突變代表流型發(fā)生了變化；流量越高，突變對(duì)應(yīng)的含水值越高；差壓值出現(xiàn)波峰的含水率范圍可確定為流型轉(zhuǎn)換的過(guò)渡區(qū)域［5］。

圖5 差壓傳感器在油水兩相流中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 阻抗含水率傳感器油水兩相實(shí)驗(yàn)研究

圖6 阻抗傳感器在油水兩相流中的適用范圍

阻抗含水率傳感器工作原理決定阻抗傳感器只能在水為連續(xù)相的情況下正常工作。實(shí)驗(yàn)中，對(duì)阻抗傳感器在全集流下油／水兩相流中的有效測(cè)量范圍進(jìn)行了標(biāo)定（見(jiàn)圖6）。圖6中橫坐標(biāo)為油水兩相含水率，縱坐標(biāo)為油水兩相總流量。標(biāo)定結(jié)果表明，在流量較高時(shí)（30m3／d以上），測(cè)量的有效區(qū)域?yàn)楹?5%以上，隨著流量的降低，含水率測(cè)量下限向低含水方向移動(dòng)。這是由于低流量下，受油水滑脫的影響，水為連續(xù)相的范圍增加，阻抗傳感器能探測(cè)到更低的含水率，流量越低，含水率測(cè)量下限越低。因此，阻抗傳感器含水率測(cè)量下限可確定水為連續(xù)相的范圍。

2.3 基于多參數(shù)結(jié)合的油水兩相流流型圖

將油水兩相流中的高速攝像、差壓傳感器在油水兩相流中的實(shí)驗(yàn)及阻抗含水率傳感器在油水兩相流中的含水率測(cè)量下限實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，通過(guò)綜合分析得到實(shí)驗(yàn)中20mm垂直小管徑油水兩相流流型圖（見(jiàn)圖7）。通過(guò)流型圖可以清楚的劃分出水包油流型、過(guò)渡流型及油包水流型在不同流量及含水率的變化范圍。圖8為金寧德教授課題組研究的垂直上升管中（20mm）油水兩相流實(shí)驗(yàn)流型圖。圖8中，縱坐標(biāo)采用含水率變量致使兩者流型轉(zhuǎn)化邊界不完全一致，但在較高流量時(shí)其滑脫效應(yīng)減小，圖7過(guò)渡流型區(qū)間含水率（25%～35%）與圖8較為吻合。由于實(shí)驗(yàn)總流量下限的局限性，沒(méi)有觀察到如圖8所示的水包油段塞流（Do，s／w）流型。

圖7 垂直管中（20mm）油水兩相流流型圖

圖8 垂直管中（20mm）油水兩相流流型圖［3］

3 結(jié) 論

（1）高速攝像機(jī)拍攝的油／水兩相流中的高速攝像圖片清晰直觀地展現(xiàn)了不同流量及不同含水率下的流型變化規(guī)律，差壓傳感器在油水兩相流中的實(shí)驗(yàn)反映了油水兩相流流型的變化規(guī)律，差壓值出現(xiàn)波峰的含水率范圍可確定為流型轉(zhuǎn)換的過(guò)渡區(qū)域；阻抗含水率傳感器在油水兩相流中含水率測(cè)量下限可確定水為連續(xù)相范圍。

（2）通過(guò)高速攝像與差壓傳感器及阻抗傳感器相結(jié)合，得到了垂直小管徑油水兩相流流型圖。當(dāng)混合流體的流速較高時(shí)，過(guò)渡流型含水率主要分布在25%～35%之間；當(dāng)混合流體的流速較高時(shí)，由于油水之間的滑脫，過(guò)渡流型向低含水區(qū)域偏移。

［1］ Flores J G，Chen X T，Cem Sarica，et al.Characterization of Oil－water Flow Patterns in Vertieal and Deviated Wells［C］∥SPE，38810Presented at the 1997 SPE Annual Technical Conferenee and Exhibition Held in San Antonio，Texas，1997：601－610.

［2］ Jin N D，Nie X B，Wang J，et al.Flow Pattern Identification of Oil／Water Two－phase Flow Based on Kinematic Wave Theory［J］.Flow Measurement and Instrumentation，2003，13：177－182.

［3］ Meng D U，Jin Ning－De，et al.Flow Pattern and Water Holdup Measurement of Vertical Upward Oil－water Two－phase Flow in Small Diameter Pipes［J］.International Journal of Multiphase Flow，2012，41：91－105.

［4］ 鐘興福，黃志堯，呂鵬舉，等.125mm垂直圓管中油水兩相流流型辨識(shí)研究 ［J］.石油學(xué)報(bào)，2001，22（5）：89－94.

［5］ Karolina Ioannou，Ole Jorgen Nydal，et al.Phase Inversion in Dispersed Liquid－liquid Flows［J］.Experiment Thermal and Fluid Science，2005（29）：331－339.