管內(nèi)多相流流型及流型轉(zhuǎn)變機理總結(jié)

1、管內(nèi)多相流流型及流型轉(zhuǎn)變機理的調(diào)研（熱能工程系，陜西西安710049 ）摘要：多相流流型在油氣田開發(fā)中有著廣泛的應用，無論油藏工程，鉆井工程，采油工整還是油氣 田地面工程，都會遇到管內(nèi)油氣兩相流，油水兩相流和油氣水三相流，因此能否準確判斷管內(nèi)多相流流型 及流行轉(zhuǎn)變條件，將直接影響到對管道阻力，壓降，流量的計算，出現(xiàn)嚴重偏差時將影響到油氣生產(chǎn)，甚 至危害到各種設(shè)備安全關(guān)鍵詞：氣液兩相流；油水兩相流；流型；流型圖；流型轉(zhuǎn)變；1研究背景多相流是指兩種或者兩種以上具有不同相態(tài)的物質(zhì)共存并具有明確相界面的混合物流 動現(xiàn)象VI。管內(nèi)油氣水三相流動屬于氣液液三相流動范疇，油氣水混合物流動現(xiàn)象廣泛存 在于石油

2、和天然氣工業(yè)中，特別是隨著油氣田的勘探開發(fā)逐漸轉(zhuǎn)移到沙漠、極地、海洋等 自然環(huán)境相對復雜的地區(qū)，而部分在役油氣田又相繼進入開發(fā)的中后期，從勘探開發(fā)到油 氣田地面工程，從地下到地面，處處都可以找到關(guān)于油氣水多相流的應用實例4。油氣是深埋于地下的流體礦藏，多相流動現(xiàn)象廣泛地存在于油氣藏的開發(fā)與開采過程 中。在油氣田地面工程中，從井口到聯(lián)合站的集輸管道中一般都是油氣水混合物流動，在 海洋采油中，采用多相混輸技術(shù)，既可省去油氣分離設(shè)備，又可減少一條輸送管道，從而 大大減小平臺面積和簡化生產(chǎn)管理。無論是油藏工程，鉆井工程，采油工程還是油氣田地 面工程，都不可避免地會遇到管道中的油氣兩相，油水兩相以及油氣

3、水三相流動問題，開 展此方面的研究無疑會對石油工業(yè)的發(fā)展和科技進步產(chǎn)生重要作用W相對于氣液兩相流的廣泛研究而言，管內(nèi)液液兩相流的研究則進行的相對較少，而且 不同研究者的研究結(jié)果也相差很大EE。但是幾乎所有的研究者都認為油水混合物的流動 特性與氣液兩相流的流動特性存在很大差別。管內(nèi)油氣水三相流非常復雜，管內(nèi)油氣水三相混合物的流型不僅取決于氣相和液相的 流量，而且還與液相的含水率有關(guān)。此外，管道的幾何形狀、尺寸和傾斜角，流動穩(wěn)定性 等都對流型有重要的影響。迄今為止，對于管內(nèi)油氣水三相流仍未有成熟的模型和關(guān)聯(lián)式。 其中一個最重要的原因在于對管內(nèi)流動情況下的油水復雜混合物的物性特別是粘性和表面 張力沒

4、有深入的認識4,14,15。2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2.1氣液兩相流2.1.1流型及流行圖在水平管或者微傾斜管中，由于重力的影響，兩相分布呈現(xiàn)出不對稱狀態(tài)，即氣相偏向于管頂部聚集，液相偏向于在管底部分布。一般認為水平管內(nèi)氣液兩相流的流型可分為 光滑分層流，波狀分層流、段塞流、彈塊狀流、泡狀流和環(huán)狀流等六種。還可將光滑分層 流和波狀分層流稱為分層流，把段塞流和彈塊狀流稱為間歇流。圖1-1給出了幾種典型的 水平以及近水平管內(nèi)的流型結(jié)構(gòu)示意圖。電狀流地狀貌(b)Beggs 和 Etill 的流型結(jié)構(gòu)UM電狀流地狀貌(b)Beggs 和 Etill 的流型結(jié)構(gòu)UM EE，囹1-1水平和近水平傾斜管中氣波兩相流

5、的各伸流型流型圖可以給出不同的流型存在的范圍。對于水平管內(nèi)氣液兩相流相繼提出了許多流底狀分層疏平陪甘層流ISI犬滑分房流段理流肄糧流(a)Taitel和Dukler的流型結(jié)構(gòu)圖型圖。最早的流型圖概念由Kosterinw 提出，隨后Baker(1954)i6,i7 根據(jù)大量實驗數(shù)據(jù)整理出了適用于水平管內(nèi)氣液兩相流的第一張實用流型圖(見圖1-2(a)，并在石油工業(yè)和冷 凝工程設(shè)計中得到了廣泛應用。隨后Scott對Baker的流型圖進行了修正使其更符合實際;Govier和Omierw也提出了一張水平管內(nèi)的流型圖。Mandhane等室通過大量的實驗結(jié)果 討，建立了相應的數(shù)學物理模型，從而改變了過去僅僅

6、依靠實驗流型圖來判別流型的方法， 真正從理論上有了突破。隨后許多研究者又進一步發(fā)展了水平管中流型轉(zhuǎn)變預測的理論模 型?？傊藗儗τ跉庖簝上嗔鞯难芯恳呀?jīng)進行了大量的研究，并且積累了大量的實驗數(shù) 據(jù)和理論模型13。氣液兩相流體在管道中產(chǎn)生的壓力降、截面相份額、傳熱傳質(zhì)規(guī)律、結(jié) 構(gòu)傳播速度、相界面的穩(wěn)定性等都與流型有著密切的關(guān)系，流型的不同對流動參數(shù)的準確 測量有著重要的影響。只有在考慮流型影響的前提下，氣液兩相流的研究工作才能趨于完 善，否則其相應的研究結(jié)果的使用范圍比較狹窄，結(jié)果比較片面、主觀、不能廣泛地在工LUS得出了一個適用范圍更為廣泛的流型圖(見圖1-2(b)，其在實際工程中比較常用。(

7、b)Ivkndtane 庇型圖(1974)(砂Balser盤型醐LUS得出了一個適用范圍更為廣泛的流型圖(見圖1-2(b)，其在實際工程中比較常用。(b)Ivkndtane 庇型圖(1974)(砂Balser盤型醐1954)圖1-2典型的水平管氣液兩怕流流型圖Taitel和Dukler019對水平管中氣液兩相流的流型和轉(zhuǎn)變機理進行了全面的理論探ETEJlTIFII：iBlJIiBLI1E-3 BiDE FISJITiFLijJBUE遷/HLOfBUEil|ATTD I LE FLO W SLUGFLUy/AinnTLJL (AfHELJLnSTEJkTIKirDFLl：iWAiQSTW程應用中

8、加以應用。圖1-3是對文獻中不同轉(zhuǎn)變機理的總結(jié)。l.Ksbii-IfeiiihDtafc 正庖運祀）a JUd I Hjogendjo（nil.Ksbii-IfeiiihDtafc 正庖運祀）a JUd I Hjogendjo（ni31959）土大甩貿(mào)施4言電認技M期和偵即評干亦皆役I Lit*恤回寸再門詞mis和用骨株施圖1-3水平管氣油兩怕流流型轉(zhuǎn)變機理2.1.2氣液兩相流的流行轉(zhuǎn)變預測模型對于每一個特定的流型已經(jīng)提出了很多預測模型，這里主要對水平以及傾斜管內(nèi)分層 流向非分層流（包括間歇流和環(huán)狀流）的轉(zhuǎn)變，間歇流向（分散）泡狀流的轉(zhuǎn)變以及間歇流向 環(huán)狀流的轉(zhuǎn)變準則進行簡述。a）分層流向非分

9、層流（間歇流和環(huán)狀流）的轉(zhuǎn)變Taitel和Dukler19認為分層流的轉(zhuǎn)變是由于界面的不穩(wěn)定性引起的，在一定的流速條 件下，氣液兩相成層流動時，由于兩層之間的相對運動產(chǎn)生一個壓力，于是在氣液界面上 就會產(chǎn)生一個較小的液面波動，使得氣相的流通截面變小，流速增加。根據(jù)Bernoulli效 應，氣體流速的增大將使該處的壓力降低，在界面上形成所謂的“卷吸力”，使得液面的 波動加劇。另一方面，突起的波浪受重力作用有恢復正常液面的趨勢。當卷吸力大于重力 時就會發(fā)生分層流的轉(zhuǎn)變。據(jù)此Taitel和Dukler（1976）19提出如下的從分層流向間歇流轉(zhuǎn) 變的準則關(guān)系式，0.5方程中F為修正的氣相Froude

10、數(shù)F =: P L - P g g COS 0dA /d、=早(2 -1)2對于水平以及近水平管內(nèi)的氣液兩相流，分層流向間歇流的轉(zhuǎn)變就由三個參燃2, Y以及 F確定。如果Y 一定，轉(zhuǎn)變僅由X 2及F確定許多研究表明，氣液界面摩阻系數(shù)對于流型轉(zhuǎn)變預測模型以及壓降的計算影響很大， 而且關(guān)于界面摩擦阻力系數(shù)的計算也進行了不少的改進和修正。在Taitel和Dukler的原始模型中，氣液界面摩阻系數(shù)i f等于氣相和管壁面的摩阻 系數(shù)。但以后的研究者發(fā)現(xiàn)，這樣計算得到的壓降梯度比實際的要小。Shoham和Taitel(1984) 13取定值來計算界面摩阻系數(shù)，亦即f = 0.0142i還有很多研究者采用E

11、llis和Gay(1959)20的關(guān)系式來計算界面摩阻系數(shù)f = 1.3Re -0.57Petalas和Aziz21 采用如下經(jīng)驗關(guān)系式來計算氣液界面摩擦阻力系數(shù)f = (0.004 + 0.5 x 10-6 Re )Fr 1.335 (pLDg)iSL L p U 2g g其中Froude數(shù)定義如下Fl =氣b)間歇流向環(huán)狀流的轉(zhuǎn)變現(xiàn)有的幾種典型的向環(huán)狀流轉(zhuǎn)變的模型基本上是從以下幾個方面進行研究的，即作用 在氣芯上液滴受到的力，液膜的不穩(wěn)定性以及臨界持液率。2.2油水兩相流準確掌握和了解油水兩相的流動特性不僅對于管線設(shè)計，同時對于提高油水分離效率、 油田污水處理、預測管內(nèi)與管壁面接觸的自由水

12、的含量以及由此引起的腐蝕問題，都有十 分重要的意義22-24。以下就對國內(nèi)外一些學者對于油水兩相流的研究進行簡述：2.2. 1油水兩相流的流型管內(nèi)油水兩相流動時亦呈現(xiàn)為各種各樣的流型。每一種流型對應于一種特定的流動特 性，對于不同的流型分別建立相應的模型將使得對于流動規(guī)律的預測精度大大提高。因此， 對于流型的研究是油水兩相流研究的起點和基礎(chǔ)。Guzhov等(1973)25研究了直徑為26.4mm、高度為11.3m的垂直上升管內(nèi)油水兩相流的 流型特征。得到了四種基本流型，即油滴流，油彈狀流，油水塊狀流和分散水滴流動。并 且得到了如圖1-4所示的流型圖，其結(jié)論是：若把油相作為一種高密度的“氣相”，

13、可以認 為油水流型和氣液兩相流的流型相近似。并且認為油水對壁面潤濕性的不同，對于流型的 變化有直接的影響。Charles等認為這種特性的存在是高粘油和低粘油的不同流動行為的原因。Arirachakaran等（1989）22對內(nèi)徑分別為25.1mm和38mm的水平管內(nèi)油水兩相流流型 進行了實驗研究。她們采用的油的粘度為84mPas。采用觀察法，將流型劃分為：分層流（S）,混合流（Mixed，混合物中兩相之間有界面存在），環(huán)狀流，間歇流和分散流（均勻混合， 即乳化）。并且得到了如圖1-5所示的流型圖，在流型圖上間歇流的區(qū)域很窄。他們認為影 響流型的主要因素有混合物速度和各相體積份額。當油為外相時，

14、油的粘度對流型的影響 很大。Nadler和Mewes等（1995）w在內(nèi)徑為59mm的水平直管上進行了油水兩相流的流型研 究。對流型做了詳細的分類描述，并得到了流型圖。但是他們在實驗中，沒有觀察到間歇流流型。榆水分信流流動界面有屣合的分信汽流動不禳定的袖包水型乳狀族流動底居為水相的袖包水型乳狀液成房流幼水層，油旬赦型、術(shù)包袖型流動下層為昶的術(shù)包油型流動圖l-6（a）NadLe流流型。榆水分信流流動界面有屣合的分信汽流動不禳定的袖包水型乳狀族流動底居為水相的袖包水型乳狀液成房流幼水層，油旬赦型、術(shù)包袖型流動下層為昶的術(shù)包油型流動圖l-6（a）NadLe和Meiv&s的水平管內(nèi)油水兩相流的流型結(jié)構(gòu)

15、圖不租定的爪包油型?I狀腋疏切Trallero24對內(nèi)徑為5.08cm，長為15.54m的水平管中的油水兩相流流型進行了實驗和 理論研究，實驗工質(zhì)為礦物油和水，其物性參數(shù)為（匕/昨=29.6，P。/ Pw = 0.85， 。=36dyn/cm，25.60?；谝延械奈墨I報道和其實驗的數(shù)據(jù)，提出了一種新的油水流型分類方法。Trallero將水平管內(nèi)油水兩相流動的六種流型劃分為兩大類，即分離流 (Segregated flow)和分散流(Dispersed flow)。分層流和界面處有混合的分層流歸入分離 流流型。分散流可以是油連續(xù)或者水連續(xù)。油滴分散-水分層流和油乳化在水中都是水連續(xù) 的流型；水

16、乳化在油中的流型和雙重分散流型為油連續(xù)的流型。結(jié)果表明：在分離流向分散流轉(zhuǎn)變的過程中壓降會減小。相間滑移僅存在于分離流中?？?重乳枳祝啊 O&DOf網(wǎng)施包玳型乳狀族圖1-7水平管內(nèi)油水兩相流流型結(jié)構(gòu)圖(Trailer吐al.W鬼)李廣軍等26-27曾經(jīng)采用與本文相同的工質(zhì)進行了螺旋管中的油水兩相流型實驗。在他 們的實驗中觀察到了油水波狀分層、界面處有混合的油水分層流、三層流、油滴分層流、 油滴分散流和油基環(huán)狀流六種流型。Flores等容研究了不同傾角的傾斜上升管(其中包括75 ，60以及45 )以及垂直 管中的油水兩相流的流型，他們所使用的實驗工質(zhì)為一種精煉礦物油和水，P。/ Pw = 0.8

17、5，匕 / 昨=20.0，c = 33.5dyne/cm32.2C。并且根據(jù)連續(xù)相的不 同將油水兩相流的流型歸類為水基和油基兩大類。實驗發(fā)現(xiàn)，對于水基流動存在明顯的滑 移現(xiàn)象而且測量得到的摩擦阻力壓降較低，但是對于油基流動而言，兩相之間的滑移幾乎 可以忽略，但是壓降很大。對于垂直管內(nèi)的油水兩相流型，具體可以分為水基流型和油基 流型各三種(見圖1-9)。對于傾斜上升管內(nèi)的油水兩相流的流型可分為四種水基流型，兩種 油基流型和一種過渡流型，其相應的流型結(jié)構(gòu)圖如圖1-10所示。并且給出了相應的流型圖。 提出了垂直井筒中的流型轉(zhuǎn)變機理模型。向完全分散流型的轉(zhuǎn)變采用液滴的湍動能和表面 自由能的觀點，而對于

18、混塊狀流(churn flow)以及反相點的預測則采用了凝聚 (agglomeration)的觀點。其模型與他們的試驗結(jié)果吻合很好。2.2.2油水兩相流流型轉(zhuǎn)變在油水兩相流流型預測方面，除上文中所述的Trallero的模型外，Brauner也提出 了一系列流型轉(zhuǎn)變的準則。詳細討論了分層流，環(huán)狀流，分層/分散和完全分散流動的轉(zhuǎn)變 準則，采用線性穩(wěn)定性分析的方法導出了分層流動區(qū)域的界限。并與已有的流型圖進行了 比較，基本上吻合。但是由于這一領(lǐng)域?qū)嶒灁?shù)據(jù)的缺乏，并不能說明這一方法的普遍適用 性。3科研訓練總結(jié)經(jīng)過一年以來的科研訓練，使我對科學研究有了初步的了解，通過閱讀相關(guān)文獻，并6 / 8進行了對

19、比研究等手段對相關(guān)知識有了一定的了解，更重要的是使我學到了一些有助于今 后攻讀研究生的研究方法。在這一年中，吳江濤老師對我的研究工作給予了很大的支持， 并特地安排了路雅紅學姐給予具體的指導，在此對吳老師和路學姐表示衷心的感謝。參考文獻陳學俊，陳立勛,周芳德.氣液兩相流與傳熱基礎(chǔ)M.北京:科學出版社,1995.林宗虎.氣液兩相流和沸騰傳熱M.西安:西安交通大學出版社,1987.郭烈錦.兩相及多相流動力學M.西安:西安交通大學出版社,2002.陳家瑯.石油氣液兩相管流M.北京:石油工業(yè)出版社,1989.Taitel Y, Dukler A E.A model for predicting flow

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