基于高速摄像与多参数结合的油水两相流流型实验分析

黄春辉，胡金海，刘兴斌，于春娣，罗淑艳

（大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司，黑龙江 大庆163453）

0 引 言

生产测井仪器集流测量通道内油／水两相流的流速及含水率随着产层产液情况的不同而变化，混合流体的流动状态复杂多变，特别是在流型发生转换的过渡区，流型在水为连续相和油为连续相之间发生转变，流动状态更为复杂，对生产测井的准确测量产生很大影响，测井资料的分析解释必须考虑到这些影响。油／水两相流的流型分析是两相流的一个重要研究方面。

国内外诸多学者对垂直上升管中油／水两相流流型转化边界进行了研究。Tulsa大学的Flores等［1］在内径为50.8mm的垂直上升管中进行了观察，将油水两相流划分为水连续相和油连续相2个大类共6种流型，其中水连续相包括油滴分散流（Do／w）、细小油滴均匀分散流（Dvf，o／w）、油相在水中混状流（Cf，o／w）；油连续相包括水相在油中混状流（Cf，w／o）、水滴分散流（Dw／o）、细小水滴均匀分散流（Dvf，w／o）。金宁德等［2－3］基于两相流运动波理论及微型电导阵列探针流型测量技术研究了垂直上升管中油／水两相流流型转化边界，尤其是在小管径中实验测量得到了水包油段塞流、水包油泡状流、水包油细小泡状流、过渡流、油包水泡状流等5种典型流型；钟兴福等［4］在内径125mm的垂直上升管中实验观察到了油泡流、分散油泡流、混状流和水泡流等4种流型。实验发现小直径管中的流型划分结果不能成比例地应用到大直径管中，而且划分标准或界限也不能按比例放大或缩小。

本文通过高速摄像法对内径为20mm的集流测量通道内的高速摄像图片进行考察分析，结合差压传感器及阻抗传感器在油／水两相流中的响应特性分析，研究了小管径中油／水两相流流型转化边界，其目的在于考察阻抗含水率计在产液剖面生产测井中油／水两相流中的适用范围。

1 高速摄像拍摄的油水两相流流型

实验中，垂直小管径实验装置上安装有透明的有机玻璃管段，管道内径为20mm，利用高速摄像机拍摄透明管段内油水两相流得到高速摄像图片。油水两相流的流量范围为3～80m3／d，不同的流量及含水率下拍摄的油水两相流流型可分为水包油泡状流、水包油细小泡状流、过渡流、油包水等4种流型情况。由于实验总流量下限的限制，没有观察到水包油段塞流的流型（见图1至图4）。

（1）水包油泡状流。水为连续相，较大的油泡分散在水中，趋于管道中心向上流动。主要分布在低流量、高含水范围。

（2）水包油细小泡状流。水为连续相，细小的油泡均匀分散在水中。主要分布在高流量、高含水。

（3）过渡流。高速摄像图像特点为大块油泡或大块水泡交替翻滚向上流动，油水呈混状流动结构，没有固定的连续相，主要分布在含水率20%～35%之间。

（4）油包水。油为连续相，水滴均匀分散在油中，主要分布在低含水区域。

图1 水包油泡状流（含水率）

图2 水包油细小泡状流（含水率）

图3 过渡流

图4 油包水

2 多传感器结合划分油水两相流流型

2.1 差压传感器油水两相实验研究

差压传感器油水两相流实验在大庆油田测井试井检测实验中心多相流实验室进行。实验装置下部稳流管段为内径125mm的透明有机玻璃井筒，流体从模拟井筒流入到20mm的集流测量通道内，实现了流体的全集流。在集流通道内安装了差压传感器以及阻抗传感器。差压传感器测量的压差信号通过垂直管壁上的2个取压孔传递给差压传感器，2个取压孔之间的距离为50cm，管壁材料为光滑的有机玻璃。差压传感器的测量精度为0.075%，测量范围为－19～30kPa；实验介质为柴油和水，水的密度为1g／cm3，柴油的密度为0.839g／cm3。实验时，油水两相总流量范围为3～80m3／d，含水率范围为0～100%。实验过程中先固定某一液相流量，含水率从高到低按10%递减的顺序调节含水率，待流量稳定后，利用地面采集系统对差压传感器的测量信号进行采集。

图5为差压传感器在油水两相流中的实验结果。图5中横坐标为油水两相含水率，纵坐标为测量的差压值。实验结果表明，流量低于40m3／d时其差压值随含水增加线性单调递增；流量高于40m3／d时其中含水段会出现突变，突变代表流型发生了变化；流量越高，突变对应的含水值越高；差压值出现波峰的含水率范围可确定为流型转换的过渡区域［5］。

图5 差压传感器在油水两相流中的实验结果

2.2 阻抗含水率传感器油水两相实验研究

图6 阻抗传感器在油水两相流中的适用范围

阻抗含水率传感器工作原理决定阻抗传感器只能在水为连续相的情况下正常工作。实验中，对阻抗传感器在全集流下油／水两相流中的有效测量范围进行了标定（见图6）。图6中横坐标为油水两相含水率，纵坐标为油水两相总流量。标定结果表明，在流量较高时（30m3／d以上），测量的有效区域为含水率35%以上，随着流量的降低，含水率测量下限向低含水方向移动。这是由于低流量下，受油水滑脱的影响，水为连续相的范围增加，阻抗传感器能探测到更低的含水率，流量越低，含水率测量下限越低。因此，阻抗传感器含水率测量下限可确定水为连续相的范围。

2.3 基于多参数结合的油水两相流流型图

将油水两相流中的高速摄像、差压传感器在油水两相流中的实验及阻抗含水率传感器在油水两相流中的含水率测量下限实验相结合，通过综合分析得到实验中20mm垂直小管径油水两相流流型图（见图7）。通过流型图可以清楚的划分出水包油流型、过渡流型及油包水流型在不同流量及含水率的变化范围。图8为金宁德教授课题组研究的垂直上升管中（20mm）油水两相流实验流型图。图8中，纵坐标采用含水率变量致使两者流型转化边界不完全一致，但在较高流量时其滑脱效应减小，图7过渡流型区间含水率（25%～35%）与图8较为吻合。由于实验总流量下限的局限性，没有观察到如图8所示的水包油段塞流（Do，s／w）流型。

图7 垂直管中（20mm）油水两相流流型图

图8 垂直管中（20mm）油水两相流流型图［3］

3 结 论

（1）高速摄像机拍摄的油／水两相流中的高速摄像图片清晰直观地展现了不同流量及不同含水率下的流型变化规律，差压传感器在油水两相流中的实验反映了油水两相流流型的变化规律，差压值出现波峰的含水率范围可确定为流型转换的过渡区域；阻抗含水率传感器在油水两相流中含水率测量下限可确定水为连续相范围。

（2）通过高速摄像与差压传感器及阻抗传感器相结合，得到了垂直小管径油水两相流流型图。当混合流体的流速较高时，过渡流型含水率主要分布在25%～35%之间；当混合流体的流速较高时，由于油水之间的滑脱，过渡流型向低含水区域偏移。

［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］ 钟兴福，黄志尧，吕鹏举，等.125mm垂直圆管中油水两相流流型辨识研究 ［J］.石油学报，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.