管內(nèi)多相流流型及流型轉(zhuǎn)變機(jī)理總結(jié)

1、管內(nèi)多相流流型及流型轉(zhuǎn)變機(jī)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(yīng)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(huì)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(zhǔn)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(duì)管道阻力，壓降，流量的計(jì)算，出現(xiàn)嚴(yán)重偏差時(shí)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(dòng)現(xiàn)象VI。管內(nèi)油氣水三相流動(dòng)屬于氣液液三相流動(dòng)范疇，油氣水混合物流動(dòng)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(duì)復(fù)雜的地區(qū)，而部分在役油氣田又相繼進(jìn)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(yīng)用實(shí)例4。油氣是深埋于地下的流體礦藏，多相流動(dòng)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(dòng)，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(tái)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(huì)遇到管道中的油氣兩相，油水兩相以及油氣

3、水三相流動(dòng)問題，開 展此方面的研究無疑會(huì)對(duì)石油工業(yè)的發(fā)展和科技進(jìn)步產(chǎn)生重要作用W相對(duì)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(jìn)行的相對(duì)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(rèn)為油水混合物的流動(dòng) 特性與氣液兩相流的流動(dòng)特性存在很大差別。管內(nèi)油氣水三相流非常復(fù)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(dòng)穩(wěn)定性 等都對(duì)流型有重要的影響。迄今為止，對(duì)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(gè)最重要的原因在于對(duì)管內(nèi)流動(dòng)情況下的油水復(fù)雜混合物的物性特別是粘性和表面 張力沒

4、有深入的認(rèn)識(shí)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(duì)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(rèn)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)用流型圖(見圖1-2(a)，并在石油工業(yè)和冷 凝工程設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。隨后Scott對(duì)Baker的流型圖進(jìn)行了修正使其更符合實(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果 討，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)物理模型，從而改變了過去僅僅

6、依靠實(shí)驗(yàn)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(jìn)一步發(fā)展了水平管中流型轉(zhuǎn)變預(yù)測的理論模 型?？傊?，人們對(duì)于氣液兩相流的研究已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，并且積累了大量的實(shí)驗(yàn)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(duì)流動(dòng)參數(shù)的準(zhǔn)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(yīng)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(gè)適用范圍更為廣泛的流型圖(見圖1-2(b)，其在實(shí)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(gè)適用范圍更為廣泛的流型圖(見圖1-2(b)，其在實(shí)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(duì)水平管中氣液兩相流的流型和轉(zhuǎn)變機(jī)理進(jìn)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(yīng)用中

8、加以應(yīng)用。圖1-3是對(duì)文獻(xiàn)中不同轉(zhuǎn)變機(jī)理的總結(jié)。l.Ksbii-IfeiiihDtafc 正庖運(yùn)祀）a JUd I Hjogendjo（nil.Ksbii-IfeiiihDtafc 正庖運(yùn)祀）a JUd I Hjogendjo（ni31959）土大甩貿(mào)施4言電認(rèn)技M期和偵即評(píng)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(jī)理2.1.2氣液兩相流的流行轉(zhuǎn)變預(yù)測模型對(duì)于每一個(gè)特定的流型已經(jīng)提出了很多預(yù)測模型，這里主要對(duì)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(zhǔn)則進(jìn)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(rèn)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(dòng)時(shí)，由于兩層之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)壓力，于是在氣液界面上 就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較小的液面波動(dòng)，使得氣相的流通截面變小，流速增加。根據(jù)Bernoulli效 應(yīng)，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(dòng)加劇。另一方面，突起的波浪受重力作用有恢復(fù)正常液面的趨勢。當(dāng)卷吸力大于重力 時(shí)就會(huì)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(zhǔn)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(duì)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(gè)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(duì)于流型轉(zhuǎn)變預(yù)測模型以及壓降的計(jì)算影響很大， 而且關(guān)于界面摩擦阻力系數(shù)的計(jì)算也進(jìn)行了不少的改進(jìn)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(jì)算得到的壓降梯度比實(shí)際的要小。Shoham和Taitel(1984) 13取定值來計(jì)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(jì)算界面摩阻系數(shù)f = 1.3Re -0.57Petalas和Aziz21 采用如下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式來計(jì)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(gè)方面進(jìn)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(zhǔn)確掌握和了解油水兩相的流動(dòng)特性不僅對(duì)于管線設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)于提高油水分離效率、 油田污水處理、預(yù)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(duì)國內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)于油水兩相流的研究進(jìn)行簡述：2.2. 1油水兩相流的流型管內(nèi)油水兩相流動(dòng)時(shí)亦呈現(xiàn)為各種各樣的流型。每一種流型對(duì)應(yīng)于一種特定的流動(dòng)特 性，對(duì)于不同的流型分別建立相應(yīng)的模型將使得對(duì)于流動(dòng)規(guī)律的預(yù)測精度大大提高。因此， 對(duì)于流型的研究是油水兩相流研究的起點(diǎn)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(dòng)。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(rèn) 為油水流型和氣液兩相流的流型相近似。并且認(rèn)為油水對(duì)壁面潤濕性的不同，對(duì)于流型的 變化有直接的影響。Charles等認(rèn)為這種特性的存在是高粘油和低粘油的不同流動(dòng)行為的原因。Arirachakaran等（1989）22對(duì)內(nèi)徑分別為25.1mm和38mm的水平管內(nèi)油水兩相流流型 進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(rèn)為影 響流型的主要因素有混合物速度和各相體積份額。當(dāng)油為外相時(shí)，

14、油的粘度對(duì)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(jìn)行了油水兩相流的流型研 究。對(duì)流型做了詳細(xì)的分類描述，并得到了流型圖。但是他們在實(shí)驗(yàn)中，沒有觀察到間歇流流型。榆水分信流流動(dòng)界面有屣合的分信汽流動(dòng)不禳定的袖包水型乳狀族流動(dòng)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(dòng)下層為昶的術(shù)包油型流動(dòng)圖l-6（a）NadLe流流型。榆水分信流流動(dòng)界面有屣合的分信汽流動(dòng)不禳定的袖包水型乳狀族流動(dòng)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(dòng)下層為昶的術(shù)包油型流動(dòng)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(duì)內(nèi)徑為5.08cm，長為15.54m的水平管中的油水兩相流流型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和 理論研究，實(shí)驗(yàn)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。基于已有的文獻(xiàn)報(bào)道和其實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(huì)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(jìn)行了螺旋管中的油水兩相流型實(shí)驗(yàn)。在他 們的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于水基流動(dòng)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(duì)于油基流動(dòng)而言，兩相之間的滑移幾乎 可以忽略，但是壓降很大。對(duì)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(duì)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(yīng)的流型結(jié)構(gòu)圖如圖1-10所示。并且給出了相應(yīng)的流型圖。 提出了垂直井筒中的流型轉(zhuǎn)變機(jī)理模型。向完全分散流型的轉(zhuǎn)變采用液滴的湍動(dòng)能和表面 自由能的觀點(diǎn)，而對(duì)于

18、混塊狀流(churn flow)以及反相點(diǎn)的預(yù)測則采用了凝聚 (agglomeration)的觀點(diǎn)。其模型與他們的試驗(yàn)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(yù)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(zhǔn)則。詳細(xì)討論了分層流，環(huán)狀流，分層/分散和完全分散流動(dòng)的轉(zhuǎn)變 準(zhǔn)則，采用線性穩(wěn)定性分析的方法導(dǎo)出了分層流動(dòng)區(qū)域的界限。并與已有的流型圖進(jìn)行了 比較，基本上吻合。但是由于這一領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)數(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(xùn)練總結(jié)經(jīng)過一年以來的科研訓(xùn)練，使我對(duì)科學(xué)研究有了初步的了解，通過閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，并6 / 8進(jìn)行了對(duì)

19、比研究等手段對(duì)相關(guān)知識(shí)有了一定的了解，更重要的是使我學(xué)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(duì)我的研究工作給予了很大的支持， 并特地安排了路雅紅學(xué)姐給予具體的指導(dǎo)，在此對(duì)吳老師和路學(xué)姐表示衷心的感謝。參考文獻(xiàn)陳學(xué)俊，陳立勛,周芳德.氣液兩相流與傳熱基礎(chǔ)M.北京:科學(xué)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(xué)出版社,1987.郭烈錦.兩相及多相流動(dòng)力學(xué)M.西安:西安交通大學(xué)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

20、 regime transitions inhorizontal and nearhorizontal gas-liquid flowJ. AIChE Journal, 1976,22(1): 47-55.Spedding P L, Watterson J K, Raghunathan S R, Ferguson M E G. Two-phase cocurrent flow in inclinedpipe J. Int. J. of Heat and Mass Transfer,1998,41: 4205-4228.Petalas N, Aziz K. A mechanistic model

21、 for multiphase flow in pipe J. J.Can. Pet. Technol.2000,39: 43-55.蔡繼勇.圓管內(nèi)空氣-油水乳狀液三相流流動(dòng)特性的研究D.西安:西安交通大學(xué)博士學(xué)位論文，1997.劉磊.水/空氣/乳化油多相彈狀流的流動(dòng)特性研究D.西安:西安交通大學(xué)博士學(xué)位文，1998.王躍社.垂直及傾斜上升管內(nèi)油-氣-水三相彈狀流流動(dòng)特性研究D.西安:西安交通大學(xué)博士學(xué)位論文，1998.鹿院衛(wèi).垂直放置倒U型管內(nèi)油氣水三相流動(dòng)特性的研究D.西安:西安交通大學(xué)博士學(xué)位論文,2001.吳鐵軍.水平管內(nèi)油水兩相流動(dòng)特性研究D.西安：西安交通大學(xué)碩士學(xué)位文,2001.

22、蓋德希特斯洛尼.多相流動(dòng)和傳熱手冊M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1993.陳宣政.垂直上升管內(nèi)油氣水三相流動(dòng)特性的研究D.西安:西安交通大學(xué)博士學(xué)位論文，1991.Shi H. A study of oil-water flows in large diameter horizontal pipelinesD. Ohio:OhioUniversity,2001.王樹眾.管路內(nèi)油氣兩相流的流動(dòng)特性研究及其穩(wěn)態(tài)計(jì)算程序的研制D.西安:西安交 通大學(xué)博士學(xué)位論文,1996.Baker O. Designing for simultaneous flow for oil and gas J. Oil an

23、d GasJournal,1954,53(9):185-190.Mandhane J M, Gregory G A, Aziz K.A flow pattern map for gas-liquid flowin horizontal pipes J.Int. J. Multiphase Flow, 1974,1: 537-553.陳學(xué)俊.多相流熱物理研究的進(jìn)展J.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),1994,28(5):1-8.林宗虎，王棟，王樹眾，林益.近期多相流基礎(chǔ)理論研究綜述J.西安交通大學(xué)學(xué) 報(bào)，2001,35(9):881-885.林宗虎，王棟，王樹眾，林益.多相流的近期工程應(yīng)用趨向J.西安交通大學(xué)

24、學(xué) 報(bào)，2001,35(9):886-890Arirachakaran S, Oglesby K D, Malinowsky M S, Shoham O, Brill J P. An analysis of oil/water flowphenomena in horizontal pipes. SPE Paper 18836, SPE Prof. Prod. Operating Symp., Oklahoma.155-167,1989.N dler M, Mewes D.Flow induced emulsifcation in the flow of two immiscible liquids in horizontalpipes J, Int.J.Multiphase Flow, 1997,23(1):55-6