不同工况下井筒中油气水三相流型预测研究

池 明，马文敏，黄 超，郭 玲，杜军军，关子越

1中国石油新疆油田公司工程技术研究院，新疆 克拉玛依

2昆明理工大学化学工程学院，云南 昆明

3中国石油新疆油田公司风城油田作业区，新疆 克拉玛依

1. 引言

不同工况下井筒中油气水三相流型预测是准确开展井筒多相流压力计算的基础，按照不同的流动形态来研究气液两相流的规律，是目前常用的方法[1]。迄今，在研究流型方面，不同的研究者用了快速摄影、探针等多种方法，但流型的划分总归还是靠人的肉眼观察判断[2]。不同的学者对流型的观察理解不同，流型的划分也有所不同[3] [4]。目前对于垂直上升管中的流型划分就有几十种，部分常用的流型划分方法如表1。

Table 1. Common flow pattern division methods for vertical wells表1. 垂直井常用流型划分方法

井筒中油气水三相流流型划分方法众多，适应性各不相同，需要进一步展开特定研究，以期明确井筒中三相流流型状况，并建立流型划分综合有效模型及流型划分界限，为实际方案制定及决策优化提供依据[12] [13] [14]。

本文采用室内实验与理论研究相结合的方法针对不同倾角、气液比工况下井筒中油气水三相流型开展了详细研究，在明确不同工况下倾斜管及垂直管中油气水三相流流型总体分布基础上，通过实验结果分析气液多相管流机理研究，结合现有井筒油气水三相流流型划分界限建立了流型综合划分模型，并检验了该模型的有效性。

2. 实验方法与实验介质

2.1. 实验方法

室内实验采用中石油气举实验基地多相流实验平台，将一定比例的油、气、水三相通过泵注入实验管柱，观察流体流型，测实验管段压差、持液率、粘度、气液比等参数。实验管柱倾角、流体粘度、流体温度、含水率、气液比等按实际条件调节。

2.2. 实验装置及参数

1) 实验设备

中石油气举实验基地多相流实验平台可以开展油、气、水等多种流体，在30°～90°倾角、常温90℃，常压3.5 MPa、液流量0～500 m3/d，流体粘度0～1000 mPa·s、气流量0～50000 m3/d 范围内多相流动态研究。实验装置及流程示意图如图1 所示。

Figure 1. Flow chart of multiphase flow experimental device图1. 多相流实验装置流程图

2) 实验参数

为了掌握流体流型变化规律，需要挖掘大量实验基础数据。根据特定气井生产数据结合相似原理确定实验条件，在增加多种条件下的测试内容，实验参数为25℃、0.5 MPa 下，含水率(%)分别为20、60、100，液量(m3/d)分别为3、5、10、15，倾角(°)为30、60、90，气液比(m3/m3)为1000、2000。

3. 不同工况井筒油气水三相流流型研究

油气水三相在井筒流动过程中，各相的相对数量和分布状态不同会形成不同流型，而不同的流型具有不同的流动规律。研究流型明确井筒中详细的流动物理现象，构建反映物理现象本质的、更为准确的关联方程，从而提出更好的理论模型指导实际应用。

3.1. 不同工况井筒多相流流型实验流型

基于对多相管流流型的调研及前期研究，实验过程中依托观察与高速摄像机结合的方法准确判断流型，实验过程中针对不同倾角、不同气液比开展重复实验，发现倾斜管及垂直管的主要流型为：

1) 倾斜管：气泡流、段塞流、搅动流、环雾流；

2) 垂直管：气泡流、段塞流、搅动流、环雾流。

倾斜管和垂直管的流型相似，倾斜管和垂直管流型图片如图2 所示。

Figure 2. Flow pattern picture of inclined pipe (vertical pipe). (a) bubbly flow; (b) slug flow; (c) churn flow; (d) circumferential fog flow图2. 倾斜管(垂直管)流型图。(a) 气泡流；(b) 段塞流；(c) 搅动流；(d) 环雾流

3.2. 实验条件下流型划分研究

通常为了表征多相流研究中如管径、流量、气液比、压力、温度等相关参数共同对流型的影响，一般采用液体表观流速和气体表观流速来对多相流的流动规律进行研究[15] [16]。为了得到不同倾角、气液比条件下流型变化规律，首先以液体表观流速为纵坐标，气体表观流速为横坐标，采用对数坐标，在借鉴各研究学者给出的流型划分界限基础上，给出实验条件下不同流型之间的划分界限[17]。

不同研究学者对斜井中的气液两相流动进行了研究，并且都给出了综合机理模型。综合机理模型能够预测直井以及斜井中的流型。由于机理模型是从流动的机理出发，具有较好的适用性，因此，借鉴已有的流型划分方法来确定实验条件下的流型划分界限[18] [19] [20]。

1) 泡状流与段塞流之间的转变

Kaya 等人[21]通过总结和分析泡状流的流动特性，给出了泡状流向段塞流的转变界限公式：

式中：vsg——气体表观流速，m/s；vsl——液体表观流速，m/s；φ——空隙率；lρ——液相密度，kg/m3；gρ——液相密度，kg/m3；θ——倾斜角度，°。

泰特尔等人[9]通过实验指出，空隙φ=0.25可作为泡状流到段塞流的转变界限，因此，泡状流到段塞流的转变界限为：

式中：vsg——气体表观流速，m/s；vsl——液体表观流速，m/s；lρ——液相密度，kg/m3；gρ——液相密度，kg/m3；θ——倾斜角度，°；σ——表面张力，mN/m。

将实验观察到的泡流和段塞流与巴尼[10]等人泡状流与段塞流的转变界限绘制在同一图上，30°、60°、90°的流型划分界限和数据如图3、图4、图5 所示。

Figure 3. The boundary division of bubble flow and slug flow at an inclination angle of 30°图3. 倾角30°泡流-段塞流界限划分

Figure 4. The boundary division of bubble flow and slug flow at an inclination angle of 60°图4. 倾角60°泡流-段塞流界限划分

Figure 5. Boundary division of bubble flow and slug flow at an inclination angle of 90°图5. 倾角90°泡流-段塞流界限划分

从图中可以看出，给出的泡流-段塞流流型划分界限与实验得出的泡流与段塞流的转变相符得较好。

2) 段塞流与搅动流之间的转换

坦格斯达尔等[22]详尽地研究了扰动流，根据飘移流动方法建立了一个新的适合于铅直和倾斜管线的转变准则，段塞单元的总体空隙度为：

Kaya 等人[21]采用欧文的实验结果，即认为泰勒气泡区的空隙率约为0.78，段塞流会向搅动流转变，得出的段塞流到扰流的界限为：

将实验观察到的段塞流和搅动流与段塞流和搅动流的转变界限绘制在同一图上，30°、60°、90°的流型划分界限和数据如图6、图7、图8 所示。

Figure 6. The boundary division of slug flow and agitated flow at an inclination angle of 30°图6. 倾角30°段塞流-搅动流界限划分

Figure 7. Slug flow-disturbing flow boundary division at an angle of 60°图7. 倾角60°段塞流-搅动流界限划分

Figure 8. The boundary division of slug flow and agitated flow at an inclination angle of 90°图8. 倾角90°段塞流-搅动流界限划分

从图中可以看出，段塞流-搅动流流型划分界限(常用的方法[24])与实验条件下观察到的段塞流与搅动流的转变基本相符。因此，选用段塞流-搅动流流型划分界限相关式作为本实验段塞流与搅动流流型划分界限。

3) 搅动流与环雾流之间的转换

Hasan 和Kabir [11]通过对铅直管中气液两相流动流型转变的机理分析，得出了判别扰流与环雾流的判别准则，并提出判别方法。根据液滴在拖拽力和重力之间平衡原理，结合Turner [25]研究成果可以得出在铅直井筒中，流型转变界限如下：

此界限只适用于垂直管，实验中需要考虑角度，因此先根据不同角度、不同含水率条件下的流行转变的平均值，再对公式进行拟合，进而得到搅动流与环雾流的转变界限。不同倾角、不同含水率搅动流-环雾流转变气体表观速度如表2 所示。

角度(°) 30 30 30 60 60 60 90 90 90含水(%) 100 60 20 100 60 20 100 60 20 vsg(m/s) 12.54 21.11 12.55 12.16 12.13 12.19 11.73 11.96 11.79

经过拟合得到搅动流与环雾流的转变界限为：将实验过程中的搅动流和环雾流与拟合出的搅动流和环雾流转变界限绘制在同一图上，不同角度的流型界限如图9、图10、图11 所示。

Figure 9. Delimitation of agitating flow-circular fog flow at an inclination angle of 30°图9. 倾角30°搅动流-环雾流界限划分

Figure 10. Boundary division of agitating flow- circular fog flow at an inclination angle of 60°图10. 倾角60°搅动流-环雾流界限划分

Figure 11. Boundary division of agitated flow at an inclination angle of 90°-circular fog flow图11. 倾角90°搅动流-环雾流界限划分

4. 流型划分综合模型检验

在前人的研究成果基础上[26]，依据实验数据，得出了如下流型划分综合模型如下：

泡状流到段塞流的转变界限为：

搅动流与环雾流的转变界限为：

将不同条件下实验观察得到的流型数据和流型划分模型绘制出来，如图12 到图20 所示。由图可以看出，给出的流型划分界限与实验数据吻合较好。

综合前人的研究成果和本研究所得实验数据，修正了泡状流-段塞流、段塞流-搅动流、以及搅动流-环雾流的流型转换界限模型；通过将流型转换界限模型与实验数据的对比分析，表明研究得出的不同倾角流型划分综合模型与实验结果吻合良好。

Figure 12. Dividing boundary of flow pattern with inclination angle of 30° and water content of 20%图12. 倾角30°、含水20%流型划分界限

Figure 13. Dividing boundary of flow pattern with inclination angle of 30° and water content of 60%图13. 倾角30°、含水60%流型划分界限

Figure 14. Dividing boundary of flow pattern with an inclination angle of 30° and water content of 100%图14. 倾角30°、含水100%流型划分界限

Figure 15. Boundary of flow pattern with inclination angle of 60° and water content of 20%图15. 倾角60°、含水20%流型划分界限

Figure 16. Boundary of flow pattern with an inclination angle of 60°and 60% water content图16. 倾角60°、含水60%流型划分界限

Figure 17. The boundary of the flow pattern with an inclination angleof 60° and a water content of 100%图17. 倾角60°、含水100%流型划分界限

Figure 18. Dividing boundary of flow pattern with inclination angleof 90° and water content of 20%图18. 倾角90°、含水20%流型划分界限

Figure 19. Dividing boundary of flow pattern with an inclination angle of 90° and 60% water content图19. 倾角90°、含水60%流型划分界限

Figure 20. Dividing boundary of flow pattern with inclination angle of 90° and water content of 100%图20. 倾角90°、含水100%流型划分界限

5. 结论与建议

通过对不同倾角及气液比工况下井筒中油气水三相流流型的分析研究，得出如下结论：

1) 在一定工况范围内(管径60 mm、液量3～15 m3/d、气液比200～2000 m3/m3)，倾斜及垂直井筒中油气水三相流型分布为气泡流、段塞流、搅动流、环状流、环雾流四种流型；

2) 综合众多学者研究成果和本研究，重建了倾斜及垂直井筒油气水三相流流型中泡状流-段塞流、段塞流-搅动流、以及搅动流-环雾流的流型转换界限模型；通过将流型转换界限模型与实验数据的对比分析，发现重建的不同倾角流型划分方法与实验结果吻合良好。

建议：

室内实验是在低压下开展的，对于实际井筒高温高压的实际工况，该模型的应用有待于进一步现场检验与完善。

基金项目

1) 云南省科技厅青年基金，页岩气井气流携液机理数值模拟研究(KKSQ202005031)；

2) 云南省省级项目，水平气井气水流动规律研究(KKSY201805021)；

3) 中国石油新疆油田分公司工程技术研究院，低压低产气井配套采气工艺技术研究。