水平井斜井气液两相流型自动判别

2021-03-23张佳沁刘军锋邢广俊史圣哲王欢欢

科学技术创新 2021年7期

张佳沁刘军锋＊邢广俊史圣哲王欢欢

（1、油气资源与勘探技术教育部重点实验室（长江大学），湖北武汉430100 2、长江大学地球物理与石油资源学院，湖北武汉430100）

同时存在两种物质状态的两相流在自然界和现代科学技术领域中是极为常见的，例如石油工程中气水、油水两相流。石油开发时，从井底到井口，井筒和地层之间有多个射孔层或生产层进行连通，地层中的油气水在压力差的作用下，逐渐流入到井筒内。井筒中常见有油水、气水、油气两相或油气水三相流。有时，气水、油气和油气水统称为气液两相，油水称为液液两相。由于井筒倾斜角度（垂直、倾斜或水平）、几何尺寸、材质与两相流物性参数、流量等因素的影响，两相流的流动状态（即流型）并非始终保持不变，流动状态发生改变使得两相流的流型随之转变。

1 水平井、斜井气水两相流典型流型

1.1 水平管气水典型流型

1987 年，Barnea 用空气-水在管径为5.1cm 管道中进行实验得到流动的流型和过度边界，将流型分为分层流( SS)、波状分层流(SW)、环状流(A)、变形泡状流(EB)、段塞流(SL)、沫状流(CH)和分散泡状流（DB）等，最终模型结果与实验数据比较良好。

1.2 斜井气水典型流型

Brill 用空气-煤油、空气-润滑油在管径为38.1mm 的管径中进行角度对流型转变实验，得到以无因次准数表达的气液两相流的流型判别式。由于在小管径中流型划分较多差异较少不易区分，Brill 将流型划分为气团流、段塞流、环状流和分层流这四类。

2 水平井、斜井油水两相流典型流型

2.1 水平井油水两相典型流型

1958 年，Russell 在水-矿物油的实验中，观察到了分散流、分层流和混合流这三种流型。1989 年，Arirachakaran 在直径为25.1mm 的管道实验中，观察到了分层流、混合流、环状流、间歇流和分散流这五种流型。1996 年，Trallero 在水-矿物油两相流实验中，加上对之前流型划分的总结，将水平井油水两相流分为六种流型，分别为分层流（ST）、界面混合分层流（ST&MI）、油包水-水包油（DW/O&DO/W）、油包水（O/W）、水包油－水(DO/W&W)、水包油(W/O)，该划分在学术上被广为认同。

2.2 斜井油水两相典型流型

1999 年，Flores 在直径为5.08cm 倾斜管道内进行油水两相流实验，将油水两相流分为几种流型，分别为段塞水包油（DO/WPS）、局部逆流水包油（DO/WCT）、平行流水包油（DO/WCC）、油相乳化水包油（VFDO/W）、油包水（DW/O）和水相乳化油包水（VFDW/O）。

3 流型自动判别

本文以直径20mm 的水平管油水两相流为例，通过将物理模拟实验得到的各相流速和流型等资料进行拟合，即可得到流型判别式。

（1）分层流与界面混杂分层流的判别式

油的表观速度在0.02m/s 到0.2m/s 范围内，水的表观速度在0.02m/s 到0.14m/s 的范围内。

（2）界面混杂分层流的上边界

油的表观速度在0.02m/s 到0.3m/s 的范围内，水的表观速度在0.03m/s 到0.3m/s 的范围内。

（3）三层流与油包水-水包油的判别式

油的表观速度在0.31m/s 到0.72m/s 的范围内，水的表观速度在0.07m/s 到0.3m/s 的范围内。

（4）油包水-水包油与油包水之间的判别式

油的表观速度在0.3m/s 到0.5m/s 的范围内，水的表观速度在0.02m/s 到0.12m/s 的范围内。

（5）三层流与水包油-水之间的判别式

油的表观速度在0.08m/s 到0.41m/s 的范围内，水的表观速度在0.15m/s 到0.28m/s 的范围内。

（6）水包油与水包油-水之间的判别式

油的表观速度在0.09m/s 到0.51m/s 的范围内，水的表观速度在0.14m/s 到0.67m/s 的范围内。

式中，VSO、VSW分别是油相、水相的表观速度，m/s。

3.1 流型自动判别思路

从调研资料中发现：影响流型的关键因素很多，主要有管道倾角、管道材质、管道尺寸，气液两相流的表观流速，流体密度、粘度、表面张力等，所以在进行流型自动判别时，要考虑到上述因素，判别思路如下：

（1）输入已知条件，气液两相的密度，液相粘度，管道材质，管道尺寸，管道倾角等；

（2）将已知的特征参数带入设定的流型判别公式中，得到有关气液两相表观流速的判别式子；

（3）输入需要判别的气液两相的表观流速；

（4）判断输入的气液两相的流速能否识别流型，若输入数据在识别范围内，则输出流型；若输入数据在识别范围外，则不能得到结果；

（5）重新输入数据，进行流型判别。

3.2 流型判别参数输入窗口

在不同的环境中，气液两相的特征参数也会发生相应的改变。为了使此判别法有更广泛的适用性，制作数据输入窗口时将这些因素也当作变量显示出来以便能让使用者根据实际情况调整输入数据。

利用Excel 制作简易的数据输入窗口，如图1 所示，将气液两相的密度，液相粘度，管道的材质、尺寸、倾角，气液两相的表观速度作为输入参数，通过流型划分公式调用这些数据进行计算即可实现准确判别流型的目的。

3.3 流型判别的检验及流型转换的分析

本文采用输出流型图及点位的方式来直观展示流型判别结果，综合本文上述已有资料，将流型大致划分为分散泡状流（Dispersed-Bubble）、泡状流(Bubble)、光滑分层流(Stratified)、波状分层流(Wavy)、环状流(Annular)，借助拟合所得出的流型划分边界条件，同时输入具体数据来检验流型能否进行自动判别。

3.3.1 水平井气液两相流型判别

在管径为24mm，倾斜角为0 度的有机玻璃管进行水平井气液两相流型判别的检验，利用前人真实实验数据及实验观测到的流型进行判别，判别结果如图2 所示，通过比较，二者大致吻合，说明能够进行流型判别。

3.3.2 斜井气液两相流型判别

在24mm 管径，60°倾斜角的有机玻璃管中，将预先准备好的已知的多组流型数据输入，判别结果如图3 所示，可见判别结果与已知流型数据大致吻合。

3.3.3 流型转换规律的分析

由流型判别图可见，当外部参数如管径，倾角一定时，随着气液两相流速的增加，管内的流型也随之改变。当气液两相流速都很小时，管内出现光滑分层流。当气相流速相较于液相流速快速增加时，流型从光滑分层流向波状分层流进而向环状流转化。当液相流速相较于气相流速快速增加时，管内流型也由分层流、环状流向分散气泡流、泡状流转化。这与理论研究和实验现象都相符合。