垂直管內(nèi)兩相流流型的實驗研究

韓悅 李夢杰

摘 要：為正確預測氣井井筒氣液兩相流動規(guī)律，在多相流實驗平臺上開展了不同管徑（28、60 mm）和不同壓力（0.10、0.50 MPa）下空氣/水兩相流流型實驗，利用高速攝像機再現(xiàn)了泡狀流、段塞流、攪動流和環(huán)狀流的流型結構和過渡現(xiàn)象，繪制了實驗流型圖，對比了管徑、壓力對流型過渡的影響以及分析了環(huán)狀流形成與液滴夾帶的關系，在氣液兩相流實驗的基礎上，以環(huán)狀流形成過程為例，從流型的物理現(xiàn)象著手，對環(huán)狀流形成的機理進行了定義和數(shù)學建模，從而建立了產(chǎn)液氣井兩相流流型轉變組合機理模型。將該組合機理模型和不同管徑、不同壓力下的實驗結果進行對比，發(fā)現(xiàn)新模型均能正確預測各流型間的轉變條件，具有一定的通用性。

關 鍵 詞：兩相流；流型；物理現(xiàn)象；實驗；預測

中圖分類號：TQ 000 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）08-1697-04

Abstract： In order to correctly predict the flowing law of gas liquid two-phase flow in gas wells， the flow pattern and liquid membrane separation experiments of gas/water two-phase flow were carried out on the experimental platform of multi-phase flow in different pipe diameters（28， 60 mm） under different pressures（0.10， 0.50 MPa），the flow pattern and transition phenomena of bubble flow， slug flow， stirring flow and annular flow were reproduced by high speed camera， the flow pattern map of the experiment was plotted， and the influence of tube diameter and pressure on the flow pattern transition was contrasted， and the relationship between annular flow formation and droplet entrainment was analyzed； On the basis of the experiment of gas liquid two phase flow， taking the annular flow formation process as an example， from the physical phenomenon of the flow pattern， the annular flow formation mechanism was defined and the mathematical model was established， therefore the comprehensive mechanism model of the two-phase flow pattern transition in liquid gas wells was established. Compared with the experimental results of different diameters and pressures， its found that the new model can correctly predict the changing conditions of different flow patterns and has a certain generality.

Key words： two phase flow； flow pattern； physical phenomenon； experiment； prediction

目前，國內(nèi)外許多氣田都已進入生產(chǎn)中后期，絕大部分氣井都存在不同程度的產(chǎn)液現(xiàn)象，由產(chǎn)液帶來的井底回壓增加、井筒氣液滑脫加劇、氣井難以穩(wěn)產(chǎn)的問題日益突出[1-3]。為了減小井筒氣液滑脫、延長氣井穩(wěn)產(chǎn)期，大部分氣井急需開展井筒動態(tài)分析和排液采氣工藝設計，而正確預測氣井井筒氣液兩相流動規(guī)律則是基礎。本文突破傳統(tǒng)建模思想，以氣液兩相流實驗為基礎，從物理現(xiàn)象出發(fā)，運用機理模型方法對兩相流流型發(fā)生和各流型間轉變的機理進行了定義和數(shù)學建模，該方法能夠解釋流型產(chǎn)生的原因和現(xiàn)象，還能預測流型的結構參數(shù)和特性參數(shù)，具有廣闊的發(fā)展前景。

1 實驗部分

本文在28 mm內(nèi)徑有機玻璃管中開展小管徑氣液兩相流流型實驗及環(huán)狀流液滴夾帶實驗；在60 mm內(nèi)徑有機玻璃管中開展大管徑氣液兩相流流型實驗和高壓（0.50 MPa）、低壓（0.10 MPa）流型對比實驗。

實驗由供給系統(tǒng)、舉升系統(tǒng)、測試系統(tǒng)組成：實驗用水由水罐中抽出，然后經(jīng)液泵增壓、穩(wěn)壓、計量后再與壓縮氣體混合進入測試管段，最后經(jīng)氣液分離器分離氣體后回到水罐。液體在實驗過程中循環(huán)利用。由高速攝像儀拍攝和肉眼觀察相結合的方法進行流型的觀察和判斷。液滴夾帶實驗裝置主體由一對同心管組成，其中內(nèi)管內(nèi)徑為28 mm，鉆有均勻的密集小孔，外管內(nèi)徑80 mm。實驗裝置流程圖如圖1所示。

實驗中首先調整試驗井筒段達到90°，然后采用固定液體體積流量，從小到大改變氣體體積流量的方法，待試驗管段內(nèi)流動狀態(tài)穩(wěn)定后采集相關實驗數(shù)據(jù)。一組實驗后，改變液體體積流量進行下一組工況的實驗。

2 實驗結果與分析

圖2為不同管徑條件下的氣液兩相流流型圖。由圖上可知，不同管徑下攪動流與環(huán)狀流的過渡界限均為一豎直直線，且兩條直線幾乎重合，說明環(huán)狀流的形成只與氣流速度有關，而與液流速度和管徑變化無關；段塞流與攪動流的過渡界限受管徑的影響比較顯著，隨著管徑的增大，過渡界限發(fā)生右移，使得攪動流的分布區(qū)域隨之變窄，說明大管徑下的攪動流較難形成；泡狀流與段塞流的過渡界限受管徑的影響很大，小管徑下幾乎不形成泡狀流，而在大管徑下才能觀察到完整的泡狀流，這是大氣泡和小氣泡上升速度的差異造成的。

圖3為不同壓力條件下的氣液兩相流流型圖。由圖3可知，形成環(huán)狀流時所需要的氣流速度受壓力的影響非常顯著，隨著管內(nèi)壓力的增加，攪動流與環(huán)狀流的過渡界限發(fā)生左移，即高壓下形成環(huán)狀流所需的氣流速度減小了；

段塞流與攪動流的過渡界限在較高的氣液流速條件下受壓力的影響也較為顯著，隨著管內(nèi)壓力的增加，過渡界限也發(fā)生左移，并且由于高壓下攪動流與環(huán)狀流的過渡界限也發(fā)生左移，且左移的程度較大，使得高壓下的攪動流分布區(qū)域隨之減小，說明高壓下的攪動流也較難形成；泡狀流與段塞流的過渡界限在高氣液流速條件下同樣受壓力的影響較為顯著，隨著管內(nèi)壓力的增加，過渡界限明顯向左彎曲。

3 環(huán)狀流形成機理研究

3.1 液滴的連續(xù)攜帶模型

由實驗可知環(huán)狀流的形成通常伴隨著液滴的連續(xù)攜帶，并且環(huán)狀流形成所需的氣流速度與液流速度無關，因此推測環(huán)狀流的形成是由液滴的連續(xù)攜帶所致。根據(jù)Turner[4]模型建立了液滴能夠連續(xù)攜帶的力學模型。

小液滴同時受到自身的重力和氣流的曳力，液滴所受的重力為

3.2 液膜的不穩(wěn)定回落模型

通過實驗發(fā)現(xiàn)環(huán)狀流還能夠維持液膜的穩(wěn)定上升，而在非環(huán)狀流條件下，會出現(xiàn)液膜回流的現(xiàn)象，由此推測環(huán)狀流的存在還可能與液膜有關。當氣流速度較低時，氣流對液膜的剪切應力不足以維持液膜穩(wěn)定上升時，液膜會發(fā)生回流，堵塞氣芯，形成攪動流或段塞流。1987年，Barnea[5]基于環(huán)狀流流型結構，建立了簡化分相流模型，得到了氣芯對液膜的剪切應力表達式為：

4 流型轉變組合機理模型建立

新的流型判別綜合機理模型充分考慮了流型的物理現(xiàn)象，比傳統(tǒng)的經(jīng)驗流型圖更具通用性，當流動條件改變時，其受到的影響不明顯。其性能也能通過實驗進行了驗證，圖4～圖6為本文三組實驗對新模型的評價結果。結果表明，隨流動條件的改變，新模型均能正確預測各流型間的轉變條件。

5 結 論

（1）借助多相流實驗平臺，開展了不同管徑（28、60 mm），不同壓力（0.10、0.50 MPa）下空氣/水兩相流流型實驗，獲得了泡狀流、段塞流、攪動流和環(huán)狀流相關流型，并繪制了實驗流型圖，為流型機理模型研究提供了實驗數(shù)據(jù)。

（2）段塞流與攪動流過渡界限隨管徑的增大而增大，隨壓力的增加而減小；泡狀流僅出現(xiàn)在60 mm大管徑中，在28 mm小管徑中沒有出現(xiàn)；環(huán)狀流形成時的氣流速受管徑的影響不大，但隨壓力的增大而明顯減小。

（3）建立的兩相流流型轉變機理新模型不僅能對不同管徑、不同壓力下的環(huán)狀流、攪動流、段塞流和泡狀流流型進行正確預測，還能夠解釋各流型間過渡的原因和現(xiàn)象，比經(jīng)驗流型圖更具物理意義，適用范圍更寬。

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