油水两相管流宏微观流动特性进展研究*

刘莹莹 李晓平 刘楠楠， 宫敬 李愚 李立

1中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室·城市油气输配技术北京市重点实验室

2中国石油国际勘探开发有限公司

在陆地及海底石油开采和集输系统中，油水混合输送普遍存在。流动过程中，由于油水两相密度差小，界面自由能小，两相易发生动量及质量的传递，在管道中形成复杂的局部掺混或分散流动，加上原油本身含有的诸如胶质、沥青质等天然物质的乳化作用，极大地复杂化了油水混合液物性及其流动规律，对集输管路系统的设计及安全运行均造成了极大的挑战[1]。因此，全面深入地了解并进行油水混输流动规律的研究具有重要价值和意义。

关于油水流动特性的研究，早期多集中于宏观规律。通过实验研究，学者建立了较为一致的流型判别方法，结合理论研究提出了流型转化准则和压降计算模型，然而由于油品物性和实验方法的差异，研究结果不尽相同，模型普适性差，难以准确地描述流动中的混合液物性及物理流动过程[2-4]。

为揭示油水宏观流动规律下的微观变化，近些年来，部分学者尝试借助于先进测量设备，研究局部相含率、瞬时流速、湍流强度和微观液滴分散形态等局部微观流动结构及流动信息与管流宏观物理量之间的关系[5-15]，目前研究仍处于起步阶段，尚未得出一致的研究规律。

基于此，通过阅读大量国内外相关文献，对油水两相流动测量方法、流型与压降、微观流场、掺混特性和分散特性五个方面的宏微观研究进展进行简要综述，寄希望于能够启发研究思路，为揭示油水流动微观特性及宏微观之间的内在关联提供认知基础。

1 测量方法应用进展

上世纪六七十年代，因测量技术的限制，学者们主要依靠肉眼分辨不同的油水流型，对油水两相流动规律认知存在局限性[1]。随着技术的发展，大量基于电学及光学基础的测量设备逐渐应用于定量描述油水两相流动规律的研究当中，其中主要包括电阻探针、聚焦光束反射测量仪（FBRM）、激光测速设备与伽玛相分率仪等。电阻探针主要用于两相流动流型检测，管道横截面平均及局部相分率测量[2]，界面波动捕捉和分散流连续相流体判别等方面[3]，集中体现在对于分层光滑流、分层波浪流及双流体流型下油水界面高度、形状[3-5]、界面不稳定性的测量[1，6]及对分散体系平均相分率的估算上。FBRM主要用于测量分散流动的液滴分布，相关研究主要集中在探究微观液滴分布与乳化体系稳定性之间的关系，研究不同管流条件对液滴分布的影响变化规律和分散体系中有效黏度及压降变化规律的影响上[7-8]。光学设备主要包括高速摄像、平面激光诱导技术（PLIF）、激光多普勒测速仪（LDA）和粒子图像测速技术（PIV）。目前主要用于对油水管流实验中分层流、双流体流动和分散流等流型的识别及流型转化过程中微观形态和流场变化[9-16]的捕捉上。伽玛相分率仪用于流型的判别及固定位置平均相分率的测量[9-11]。综上所述，对于测量技术及方法的衍进有助于基于实验目标合理选取相应设备，为流动机理研究奠定了基础。

2 流型与压降研究进展

TRALLERO 等[17]基于水平管道内油水流动实验，将流型划分为分离流型和分散流型。分离流型：分层光滑流型（ST）及分层掺混流型（ST&MI）；分散流型：水连续的分散流型〔下层水层+上层水包油分散流（DO/W&W），水包油乳状液（O/W）〕，油连续的分散流型〔油包水+水包油分散流（DW/O&DO/W），油包水乳状液（W/O）〕。学者[5-18]对分离流型进行了细分，并引入双流体流型的描述，即连续流动中同时存在局部水包油及油包水分散的流型。姚海元[19]在高黏度、高密度油品实验中观察到了部分新流型，如：外环水包油分散、内核油包水分散（DO/W环+DW/O核）及外环油包水分散、内核水包油分散（DW/O环+DO/W 核）及伴有段塞的过渡流型。基于高黏白油/水和稠油/水的两相流型实验对比，学者王玮[20]认为白油/水分散稳定性差，难以形成如稠油/水般稳定的分散体系，因而将白油/水分散流动的流型命名为分散流，而将稠油/水分散的流动称为乳状液流动。EDOMWONYI-OUT 和ANGELI[4]在小管径透明玻璃管内观察到一种新的流型：小溪流。目前，油水两相流型因受管壁属性（管径、粗糙度和润湿性等因素）、油品物性和流动边界条件的影响难以形成统一的划分准则，不同实验体系均存在特征流型，为普适性流型判别方法提出了挑战。

学者[1，19，21]在中高黏度（28～510 mPa·s）模拟油分散流压降实验中均发现，随着分散相含量的增加压降升高。PLASENCIA 等[7-8]通过向模拟油添加活性剂的方式研究油水稳定分散乳状液流动压降与纯油水分散体系下的压降差异，其结果表明，相同流动条件下乳状液压降大于纯油水体系，对于稳定乳状液体系而言，压降均随分散相含量的增加而增大。他们还针对6 种不同黏度的原油（油品黏度4.8～23.5 mPa·s）进行了分散流压降研究，发现油包水分散流压降均随含水率的增加而增加，姚海元[19]针对稠油的压降实验结果与之类似。而部分学者[2，5，18]在不同管径水平或垂直管道进行的低黏度（＜10 mPa·s）模拟油的压降测量中则发现，向连续油相添加水相（或向连续水相添加油相）均存在明显的流动减阻现象，而NäDLER 和MEWES[22]同样发现压降随含水率的增加而逐渐下降（油品黏度22～29 mPa·s，管径59 mm）。PAL[23]推测产生此类流动减阻的原因在于油水分散的不稳定性，并归因于液滴行为对流场及黏度的影响。

3 微观流场研究进展

激光测速方法已广泛应用于湍流流动及减阻流动特性的测量，对油水两相流场的研究集中于分层流速度分布的测量和波动的统计分析。ELSETH[9]基于LDA 测量设备，发现油水两相以界面为边界，速度均呈抛物线分布；中低含水率下，管道轴向最大速度出现在油相中，并且油相速度普遍大于水相，随着含水率的增加，水相速度逐渐接近并大于油相；油水两相在低流速下的轴向速度脉动均大于单相值，而随混合流速增加，远离壁面区域轴向速度波动值逐渐小于单相值；油水界面附近轴向速度波动值较大，且随混合流速的增加，波动越明显。PIV因其自身的非侵入性和对全场瞬时速度矢量的捕捉而得到广泛应用。KUMARA等[10，12]发现雷诺应力在距管壁附近一段距离处绝对值最大，管中心及油水界面处较小。MORGAN等[15-16]则发现含油率在38%～75%区间内，油层及油连续分散层中的速度均大于水层。学者通过调平油水两相折射率的方法，采用PIV对稀分散相体系流场进行测量，发现分散相的引入会增大流场中的湍流动能及能量耗散率，同时发现引入过多的分散相会导致体系视野模糊，无法捕捉示踪粒子轨迹[24]，其实验体系临界分散相体积分数为1.3%。由于分散流场实验测量的局限性，计算流体力学（CFD）越来越多地被学者用于油水分散体系的湍流特性研究中。对于液滴分布的耦入，学者通常采用两种方法进行处理：耦入液滴群平衡理论（PBE），实现与多相流模型的耦合[25-26]；采用液滴经验预测关系式或将实验测量液滴分布值耦入[27]。

综上所述，光学测量等实验方法的应用能够对分层流动局部流速及速度波动进行直接或间接测量，但对分散体系流场测量仍存在一定局限性。

4 掺混特性研究进展

油水流动过程中，随着流速的增加，油水逐渐由分层流动向双流体流动转化，伴随出现油相与水相的局部掺混，这将会影响压降及持液率的预测。作为一种油水流动体系中常见的流型，双流体流动中的掺混特性研究并未得到广泛关注。LOVICK 和ANGELI[2，5]、VALLE 和KVANDAL[28]均进行了不同混合流速下的双流体流动掺混实验，结果发现压降与油水分散特性及相分率分布有关，同时给出了液滴出现掺混的临界混合流速。ELSETH[9]、SOLEIMANI[29]及HUSSAIN[30]对管道径向方向不同位置的相分率进行了测量，但没有反应液滴分布的形态变化。Al-WAHAIBI 和ANGELI[31]针对双流体流动液滴分布的研究发现：液滴数目及弦长随空间位置与油水界面之间距离的增大而逐渐减小，分散油滴粒径大于水滴；增加水相折算速度会使大液滴数密度减小，而增加油折算速度对其没有显著的影响；分散水滴流速大于油层，而分散油滴流速无一致规律；远离界面的位置，液滴尺寸越小。MORGAN等[15-16]采用PILF观察油水掺混过程中的液滴分布变化规律，结果发现随油相体积分数增加或随混合速度的增大，液滴平均粒径均呈现先增大后减小的规律，在高流速下，小液滴数目降低；在不同油相体积分数下，液滴分布规律相似，油相体积分数越高，分布越均匀。综上所述，目前实验研究多集中于混合流速和含水率对掺混形成后界面形态、液滴分布及液滴速度的测量，对掺混产生的机理研究仍待深入。对模型的探索，学者[32]多借鉴气液环状流动[33]稳定性判断准则及掺混模型。

5 分散特性研究进展

分散特性的研究主要集中于针对油水分散形态的微观研究和反相、分散乳状液黏度的宏观研究领域。

针对微观研究，目前多集中于搅拌釜内油水分散形态观察和液滴分布测量的实验研究，分析分散相体积分数[34]、惯性力[35]及活性剂浓度[36]等因素的影响。对油水两相分散管流而言，学者们[37-38]发现分散程度极大地影响流动的稳定性。近些年，已有学者[7，8，39]陆续采用FBRM 开展管流液滴分布的在线测量研究。

KHATIBI[39]采用FBRM 对管内分散流动上游及下游的液滴进行测量，研究混合流速对其分布的影响，结果发现上下游液滴分布存在差异；同时分析了不同表面活性剂浓度下的油水分散液滴分布，结果发现活性剂的添加缩小了不同混合流速下液滴分布的差异。PLASENCIA 等[7]采用FBRM 对于不同性质的6 种原油分散体系进行液滴测量，结果发现：原油物性极大地影响液滴的分布情况，并归结于原油中活性物质（胶质和沥青质）的作用；其认为大液滴的形成是反相发生的诱导因素，故液滴聚并及反相的发生不仅仅取决于连续相黏度，更与界面活性物质有关。PLASENCIA[8]采用Span 80 乳化的Exxsol D80 白油进行不同混合流速下的液滴分布测量，其将有效黏度的变化归因于流动及分散特性的共同作用。除此之外，采用上述乳化体系，观察4种不同管径（16～90 mm）下反相前后液滴分布的变化，发现液滴尺寸在不同管径流况下均随分散相含量的增加而增加，随混合速度的增加而减小；在固定含水率，通过增加混合流速达到油水反相的实验中发现，随着混合流速的增加，液滴尺寸逐渐增大直至反相前，反相后液滴尺寸骤然变小。综上所述，以上研究验证了FBRM对液滴分布在线测量的可行性，并为相关实验的开展提供了很好的借鉴。

而对于油水分散液滴分布的预测，近年来集中围绕液滴群平衡（Population Balance Equations，PBE）理论的方法。HU[40]认为液滴分布变化受三方面因素影响：①控制体内液滴的流入及流出；②连续相与分散相之间的质量传递或化学反应引起的液滴聚集与生长；③受湍流场及流体物性影响的液滴破裂与聚并作用。不同学者针对研究条件进行了不同程度的简化：KOSTOGLOU 和KARABELAS 采用一维PBE模型对低分散相管流条件下的最大液滴尺寸进行了预测，忽略了聚并作用和重力方向与轴向湍流扩散的影响，认为分散相液滴完全均匀分散在管道轴向及径向截面各个位置；其进一步将聚并作用耦合进入PBE模型，计算结果表明低分散相体系下，液滴分布轴向变化较小[42]。GNOTKE 等[43]假设分散流动在整个管道轴向位置处于稳定状态，即认为整个管道为一个封闭区间。HU[40]假设分散相在管道径向截面上分布均匀，两相之间流动不存在相间速度滑差，液滴分布仅受破裂及聚并作用影响，以此建立随轴向位置变化的PBE模型。

对于破裂与聚并模型的发展，学者多结合了分散相含量、黏度和表面活性剂等因素的影响。具体研究情况如下：基于湍流分析，不同学者[44-47]提出了适用于低分散相分散体系的破裂与聚并模型，学者WANG等[34]认为分散相的引入会增加湍流场能量耗散率，并以此为依据修正湍流分区模型，由此较好地预测了高分散相油水体系的液滴分布。对于活性剂体系，BąK和PODGóRSKA[48]认为活性剂对于液滴破裂的影响集中在对液滴界面张力的降低和液滴受流场形变致使表面活性剂分子重排造成界面的剪切作用，并以此修正液滴破裂模型；同时提出了液滴聚并模型，认为活性剂的引入会影响其临界液膜厚度的变化。刘楠楠[49]基于实测单相能量耗散率分布，提出管流液滴破裂与聚并区间的划分方法，在考虑油滴和水滴聚并效率差异的基础上，实现对管输水包油和油包水分散液滴分布的有效预测；同时，合理引入活性剂浓度、液滴尺寸和数目对流场的综合作用，修正液滴破裂模型，结合不同活性剂浓度下液滴聚并的界面移动特性，实现液滴群平衡方程对乳状液体系液滴分布计算的扩展预测。目前仍缺乏对不同表面活性剂物质的适用性分析。

目前，针对反相、分散乳状液黏度的实验研究和理论模型较为广泛，影响管流反相的主要因素包括油水两相黏度、温度、入口含水率、混合流速、液滴尺寸和分布、流态和表面张力等[50]。YEH等[51]较早地提出了反相预测的经验模型，后续部分学者[1]采用实验数据回归反相预测模型的方法考虑了含水量、油品黏度、混合流速和流态的影响，但由于相关式多是针对某一性质的油品数据回归而成，对其他油品的适用性较差。不同于经验模型，目前较为流行的理论模型为流动乳化理论[22]和系统自由能理论[52-53]，其中后者被更多学者所接受。系统自由能理论中，学者认为反相是一种自发产生的现象，多相体系里存在着巨大的相界面面积从而具有很大的界面能量，当混合系统处于动力稳定状态时，如果一种分散相体系的自由能比另一分散相体系高，则系统将会自发地转变自身结构，最终达到总自由能最小。部分学者以此为基础或建立了考虑分散相和连续相的密度和黏度的反相预测模型[54]，或耦合液滴群平衡理论进行液滴尺寸预测，进而完成界面自由能的计算和反相的判别[38]。目前已开展大量反相实验及预测模型的研究，但针对原油、水两相管流，特别是高黏含水乳化原油的反相仍将是今后研究的重点。

影响乳状液黏度的因素主要包括含水量、温度、蜡及胶质沥青质、流型、油及水的黏度、油的物性及油水界面特性、界面剪切及能量耗散、乳状液的制备等[50]。预测模型由爱因斯坦较早地提出，其假设分散相浓度低且无相互作用，无双电层、范德华力、布朗运动等，颗粒为规则球形，其适用于刚性小球悬浮体系。由于爱因斯坦模型具有一定的局限性，后续学者基于自身研究体系，通过引入诸如相间压缩系数[55]、剪切率[56]、毛细管数、颗粒雷诺数[57]、非牛顿系数[58]和有效介质理论[59]等修正方法，提出了或考虑分散相浓度影响或考虑表面活性分子等多因素影响的一系列适用于牛顿和非牛顿体系的计算模型[60]，均取得了不错的预测结果。目前针对乳状液黏度的研究较为深入，然而实际原油体系由于成分复杂，胶质沥青质、高聚物、纤维等影响因素繁多[61]，完善乳状液黏度本构方程的理论意义和预测准确性仍是难点和需要继续思考的问题。

6 结束语

对油水两相流动测量方法、流型与压降、微观流场、掺混特性和分散特性五个方面的宏微观研究进展进行了简要综述，同时认为未来科研应以国内外学者实验和理论为基础，借助搅拌和室内环道等相关仪器设备，针对油水两相流动的流型判别，分层、掺混及分散流场特性，管流分散体系和乳状液微观形态几个方面开展研究，从宏观及微观两个角度探究油水混输流动规律的内在机理，同时建立流型转化准则、掺混量计算和分散液滴预测的数学模型。