井筒气液两相流流动特性模拟试验研究

高庆华 （陕西延长石油 （集团）有限责任公司研究院，陕西 西安 710075）

李天太 （西安石油大学石油与天然气工程学院，陕西 西安 710065）

赵亚杰 （陕西延长石油 （集团）有限责任公司研究院，陕西 西安 710075）

李明 （中石油塔里木油田分公司勘探开发研究院，新疆 克拉玛依 841000）

孙洁 （陕西延长石油 （集团）有限责任公司碳氢高效利用技术研究中心，陕西 西安 710075）

两相流动特性的参数一般有12个：每一相的体积流量、系统压力、加热热流密度、每一相的密度和粘度、相界面的表面张力、流道的几何形状、大小和方位、流动方向、流体入口状态和进入流道的方式等。由于流动条件变化的多样性和研究角度的多样性，对流型的各种定义建立在主观观察的结果上，并且还是根据流动的形态特点来划分流型，因此不同的研究者对流型的定义和划分差异很大，对流型判别只能定性判断，还没有公认的定量判断方法［1－6］。为此，笔者在理论模型研究的基础上，根据雷诺相似原理，设计进行了井筒两相流室内模拟试验。

1 试验装置

试验的实施依托西安交通大学动力工程多相流实验室油气水实验台，试验装置系统如图1所示。整个装置主要是由循环水系统、空气供给系统、试验管路以及计算机采集系统4个部分组成。

试验管段由透明的有机玻璃管制成的，便于对试验现象进行可视化观察，总长5m，测量管段长4m，管段内径40mm。在距管入口0.5m和4.5m处设置2个测压点，这2个测压点间的流动可认为已进入流动稳定段，在第一测压点处用压力传感器测试验管内系统压力，在2个测点之间装差压传感器测2点之间压降。

图1 试验装置系统流程简图

2 试验方案设计

试验依据雷诺相似原理进行设计，即外部条件几何相似时 （几何相似的管子，流体流过几何相似的物体等），若雷诺数相等，则流体流动状态也是几何相似的 （流体动力学相似）［4－6］。

试验方法如下：常压条件下的气液两相流试验基本上都是在指定的试验条件下，保持气流量不变逐步增加水流量或保持水流量不变逐步增加气流量下进行的。在进行试验的过程中，采用2种方法结合使用。通过计算机采集气体流量、流速、顶底压力等试验数据。

流态观察时，要先计算气液比，即试验装置测量范围内各液体流量对应的气体流量。试验前先取数据采集系统零点，试验时将液体流量调到稳定值，然后调节气体流量到计算值，待3～5min后管段中流态稳定，采集所需的试验数据。

3 垂直管的流型

根据试验观察结合前人对流型的定义把垂直向上两相流型分为：泡状流、弹状流、搅拌流、环状流和雾状流。

由前面模型判别可知，出现的流态有弹状流、搅拌流、环状流和雾状流。试验中观察到泡状流向弹状流转换，弹状流向搅拌流转换，搅拌流向环状流的转换，环状流转换形成雾状流后稳定下来。

4 两相流流动特性

4.1 两相流流动稳定性

在两相流动系统中，各种流型的流动稳定性不同，环状流、雾状流一般能达到很好的稳定状态，即使在开始阶段由于流型过渡会有小段的不稳定情况，也会很快恢复并达到稳定流动 （见图2～图5）；弹状流的流体流动是气柱、液柱交替运动状态，在流动惯性和其他反馈效应作用下，产生了流动振荡而不能稳定流动 （见图6、图7）。而搅拌流是弹状流向环状流的过渡流型，由流量和管底压力变化 （见图8、图9）可知，流量和管底压力具有强烈的波动性，但整体处于稳定状态。

图2 环状流气流量变化情况

图3 环状流管底压力变化情况

图4 雾状流气流量变化情况

图5 雾状流管底压力变化情况

图6 弹状流气流量变化情况

图7 弹状流管底压力变化情况

图8 搅拌流气流量变化情况

图9 搅拌流管底压力变化情况

4.2 流型的压降波动特征

从试验条件出发，根据压降波动实时采集情况，观察到压降波动与流型转变有一定的联系，在不同液相折算流速下，根据压降梯度和气相表观速度绘图 （见图10），根据图中曲线的变化趋势划分流型，将不同曲线组分为弹状流区、搅拌流区、环状流区和雾状流区。

从曲线变化可以看出：①对于弹状流，水流量一定时，随着气流量的增加，压降逐渐降低。对于同一气流量下，压降随水流量增加而增加。弹状流区压降变化曲线斜率为负值。②曲线变化转折点定义为流型转换区：搅拌流－环状流，环状流－雾状流。③雾状流区压降随着气流量增加而增加，曲线的斜率为正值。

图10 压降波动特征图

5 垂直管流型图

根据试验测得数据计算两相混合物雷诺数Re气、液和气液相表观速度比Vsg／Vsl绘制成用气、液混合物流速计算雷诺数的垂直管流型图 （见图11）和垂直管流型图的弹状流、搅拌流区的局部放大图 （见图12），流型图大致分为4个区域：弹状流区、搅拌流区、环状流区和雾状流区，同时又给出各主要流型间的转换边界：弹状流－搅拌流、搅拌流－环状流和环状流－雾状流。

图11 垂直管流型图 （全图）

图12 垂直管流型图 （弹状流、搅拌流区）

由井筒流态分布规律、流态试验研究可知：井筒中无稳定的泡状流动区域，因此流型图中未绘制泡状流区。

根据气井流压测试资料可以计算出井筒对应深度的雷诺数Re气、液和气液相表观速度比 ，应用试验流型图版对井筒流态进行了判识并与Zhmx、修正的Hasan－Kabir模型判别结果进行了比较，流型过渡区判识结果稍有不同，整体上基本一致。

6 结论

1）两相流室内试验可以观察到的流型为泡状流、弹状流、搅拌流、环状流和雾状流。可以观察到的明显流态转变为泡状流－弹状流、弹状流－搅拌流、搅拌流－环状流。

2）由对不同流动型态的稳定性分析可知，环状流和雾状流具有较好的稳定性，而弹状流和搅拌流的稳定性相对较差。在气液比大于4000∶1时，管段流型为环状流或雾状流，流动具有较好的稳定性。

3）由压降波动特征曲线变化可以看出，对于弹状流，水流量一定时，随着气流量的增加，压降逐渐降低。对于同一气流量下，压降随水流量增加而增加。弹状流区压降变化曲线斜率为负值；曲线变化转折点定义为流型转换区：搅拌流－环状流，环状流－雾状流。雾状流区压降随着气流量增加而增加，曲线的斜率为正值。

4）由试验流型图对井筒流态的判别结果与修正的Hasan－Kabir和Zhmx模型对井筒流态的判别结果对比分析可知，2种模型对井筒流态的判别结果基本一致。而且2种模型对井筒压力预测结果的误差较小，符合工程计算要求，说明2种模型对井筒流态的判别较准确。

［1］Beggs H D，Brill J P.A Study of Two Phase Flow in Inclined Pipes ［J］.J Pet Tech，1973 （5）：607－617.

［2］陈家琅 .石油气液两相管流 ［M］.北京：石油工业出版社，1989.

［3］Aziz K，Govier G W.Fogarasi M.Pressure Drop in Wells Producing Oil and Gas ［J］.J Cdn Pet Tech，1972 （7－9）：38－48.

［4］Orkiszewski J.Prediction Two－phase Pressure Drops in Vertical Pipe ［J］.J Pet Tech，1967 （6）：829－838.

［5］高庆华，李天太 .高气液比垂直两相管流流型判别研究 ［J］.石油化工应用，2009（1）：19－21.

［6］廖锐全，张志全 .采气工程 ［M］.北京：石油工业出版社，2003：100－101.