基于实验研究的水平井气液两相流流型判别修正*

牛 朋 马焕英

(中海油田服务股份有限公司 天津 300459)

1 问题的提出

水平管气液两相流中会出现各种流型。目前有2种流型划分方法，一是按流动外形划分为气泡流、气团流、分层流、波浪流、段塞流、环状流、弥散流等流型[1-2]；二是按力学特性分为间歇流(包括气团流和段塞流)、分离流(包括分层流、波浪流和环状流)、分散流(包括气泡流和弥散流)等流型[3-7]。目前业内使用的Brill流型判别属于第1种流型划分方法。

Brill用空气-煤油、空气-润滑油为介质，在管径38.1 mm的管道内进行倾角影响流型的实验研究。若把流型分得过细，而某些流型事实上仅存在于很狭小的区域内，它们与其他流型的差别并不显著，亦很难客观地进行辨别。因此，Brill主张把流型只分为气团、分层、段塞、环状流4种。通过实验，Brill得出一组以无因次准数表示的，适用于各种管道倾角的流型分界相关式，流型的判别中，考虑了黏度、密度、表面张力以及倾角对流型的影响[8-10]，其形式如下：

1)θ>0(上倾角)，气团流—段塞流转型相关式为

NlwBS=10(lgNgw+0.940+0.074sinθ-0.855sin2θ+0.369 5Nl)

(1)

2)θ=任何值，段塞流—环状流间转型相关式为

(2)

3)θ≤0(水平和下倾角)，气团流—段塞流转型相关式为

NgwBS=10(0.431+1.132sinθ-3.003Nl-1.138lgNlwsinθ-0.429lg2Nlwsinθ)

(3)

4)θ≤0(水平和下倾角)，分层流边界相关式为

NlwST=10(0.321-0.017Ngw-4.267sinθ-2.972Nl-0.033lg2Ngw-3.925sin2θ)

(4)

在流型判别研究中，Mandhane流型图依据实验数据制作而出，具有较高参考价值。首先比较Mandhane流型图与Brill流型图的差别。低液速情况下，水平常规管道空气-水两相流Brill流型与Mandhane流型的对比如图1所示。由图1可以看出，水平常规管道Brill和Mandhane流型在液相折算速度较高时，环状流的分布比较吻合，而分层流(波浪流)的边界相差比较大，另外气团流和段塞流的分界差别也很大。

图1 水平管道空气-水两相流Brill流型图与Mandhane流型图对比Fig.1 Comparative diagram of horizontal air-water Brill flow pattern and Mandhane flow pattern

小负倾角和正倾角情况下的Brill流型分界如图2所示。由图2a可以看出，负倾角对分层流和段塞流的边界有影响，倾角越大，分层流和段塞流边界的上移幅度越大；负倾角对段塞流与环状流的边界、分层流与环状流的边界没影响。由图2b可以看出，正倾角下Brill流型中没有做出分层流，只做出了气团流、段塞流和环状流，并且小倾角对流型边界影响很小。

Brill流型判别实验未观察出分层流，采用增加过渡区内插法的方式进行分析，而Mandhane流型图的实验研究则以空气-水为实验介质，未考虑流体性质改变对流型变化和流型判别的影响，两者均存在一定局限。两者比较而言，Brill流型判别考虑了流体物性、管道倾角等对流型的影响，适用性相对更广，在该流型基础上模拟接近现场应用条件对其作适当的修正，更能满足室内实验和工程应用的需要。

近年来已有部分学者对Brill流型判别和Mandhane流型图进行相关修正，但多采用数值理论计算的方法进行验证和拓展，如庄志环 等[11]结合判别方法，通过结果中不同权重的变化描述两相流流型转换，韩炜[12]则采用n次Lagrange插值多项式和经验公式相结合的方法进行流型划分和流型转变的判断，上述研究均缺少面向实际生产条件的实验数据支撑。笔者以海上油田典型代表性油品为目标流体，增加模拟现场生产时的径向注入条件，实验数据的整理和分析成果更贴近现场实际应用。

图2 Brill流型判别分界图Fig.2 Brill flow pattern discriminant type flow pattern boundary

2 实验装置

本文实验在中国石油大学(北京)的多相流实验装置上进行，该装置由桁架系统、环道测试系统、气液供应系统、数据采集和控制系统等组成。实验系统流程如图3所示，具体装置如下：

1)实验段的布置。将实验段分成上坡段和下坡段，两部分安装在可变角度的桁架上。每部分实验段长度为4 m。

2)筛管径向注入系统。径向注入泵，并配有调节阀调节流量，在与实验段平行的位置安装注入管，以多点方式向套管注入流体。

3)油相混入装置。设定进入管道的液相是油水的均匀混合物，实验液体循环流动，但油水的比例是可以控制和改变的。将水罐的高位出口设定为出油口、低位出口设定为出水口，在出油管道上安装流量计和节流阀，动态计量并调节油相流量，混合流量在泵出口管道上计量。

图3 多相流实验模拟系统Fig.3 Experimental system of multiphase flow

4)观察分析。实验环道的主体部分是不锈钢管道，其中有4.0 m长的测试管段和1.0 m长透明有机玻璃管段，用于可视观察、摄影和摄像。实验中，采用直接观察、数码照相机、数码摄像机和多相流相分析仪采集相分布特征，进而进行流型判别及修正的相关研究工作。

5)模拟用油。以尽可能接近现场流体性质为前提，本实验原油样本分别采集于南海涠洲某油田和渤海绥中某油田，在实验室内配置与样品原油相近的模拟油进行实验，模拟油配置上达到在黏度上接近、性质稳定不能出现分层、乳化特性近似。

6)实验条件设置。本实验管道总长度为16 m，较Brill实验所用管道长度15 m长1 m，更利于流型变化的实验观察；实验角度选取方面，为更贴近水平井实际生产状态，本文实验选取0°、±0.2°、±0.5°和±1°等7个倾斜角度，而Brill实验角度跨度较大，对水平角度下流型变化及表述不够细致；实验管径上，为更贴近海上油田常用实际生产管柱，本文实验选用与现场实际筛管近似的57 mm管径进行实验，而Brill实验则采用38 mm和25 mm的小管径。总的来说，本实验模拟实验管道更接近现场实际生产条件。

3 常规管道Brill流型判别修正

3.1 典型流型实验观察与描述

实验中观测到的流型主要有分层流、气团流、段塞流和环状流等4种流型，如图4所示。

1)分层流。其主要特征为：在气、液两相分层流动中，液体沿着管道底部流动，气体在液体上面流动(图4a)。随着气相加入比例的改变，分层流逐渐向波浪流过渡。

2)气团流。其主要特征为：气体会以气团的形式跟随液体进行流动，受浮力的影响，气团集中在上管壁，紧贴上管壁滑行(图4b)。

3)段塞流。其主要特征表现为：液塞过后液体流速由快变慢，液塞过后在管顶部形成的液膜很薄并很快消失(图4c)。

4)环状流。其主要特征为：管道内形成了完整的液环，而且没有段塞或拟段塞。由于重力的作用，水平管里环状流的液环分布并不均匀(图4d)。

图4 实验观测流型Fig.4 Experimental observation flow pattern

3.2 水平及负倾角下常规管道Brill流型判别修正

常规空气-水两相流水平管道的实验流型图与Brill流型图对比如图5所示。由图5可以看出：

1)在Brill流型中环状流随着液量的增多，更容易形成环状流；本文实验结果和Mandhane流型图的分布规律比较相近，大液量和小液量都不容易形成环状流。同时，实验中观察到当液相折算速度小于0.06 m/s时，只在管道底部有一层液体，气体速度较大时气液界面形成很小的波浪，液面波动剧烈，但是由于液量少，难以形成环状流；当液相折算速度大于0.4 m/s时，液体连成液塞，易形成段塞流。

图5 水平管道空气-水两相流实验数据与Brill流型分布图对比Fig.5 Comparison of experimental data and Brill flow pattern of horizontal air-water two phase pipeline

2)Brill流型分布图上分层流的区域相比实验流型分布向上、向左偏移。在实验中，当液相折算速度大于0.1 m/s时易形成气团流和段塞流，当液相折算速度小于0.1 m/s、气速较大时，易形成分层流(波浪流)。

3)在实验中没有做出分散气团流，原因是实验条件达不到分散气团流形成所需的高液速。实验仅在液相折算速度相对较大(>0.3 m/s)、气相折算速度相对较小(<1.5 m/s)范围内做出了气团流。

综合以上分析，可以通过对Brill流型的判别式进行适当修正，使之能够较准确地对实验流型进行判别。修正时不仅考虑分层流的边界以及段塞流与环状流之间的界限，也要考虑Brill流型识别中没有考虑到的气团流与段塞流之间的转换条件。

修正的Brill流型判别公式是在原Brill判别公式的基础上得到的。对实验所得的数据进行分析，得出一系列流型间转变的分界点，将分界点(Vsg,Vsl)的数值换算成与Brill流型判别式中相一致的准数(Ngw,Nlw)，比较换算得到的准数(Ngw,Nlw)与原Brill流型分界线上对应的准数(Ngw,Nlw)的差值，即如果Brill流型分界相关式的变量是Nlw，就比较两者的Ngw，反之亦然。将这些差值拟合成函数关系，即为增加的项。通过以上分析方法，得到修正的Brill流型分界相关式如下。

1)段塞流—环状流转型相关式为

(5)

2)分层流边界相关式为

NlwST=

(6)

3)气团流—段塞流转型相关式为

NgwpS=

(7)

式(7)中：NgwpS为气段塞流边界液相折算速度准数。

水平和-1.0°倾角管道空气-水两相流实验的Brill流型分界相关式修正前后的判别结果和实验结果如图6所示。

图6 水平和-1.0°倾角常规管道空气-水两相流Brill修正相关式与实验结果对比Fig.6 Comparison of corrected Brill correlation results and experimental results of air-water conventional pipeline at 0° and -1.0 °

为了验证修正后的Brill分界相关式的正确性，对比分析了空气-煤油两相流在水平和不同微小负倾角下的流型实验结果和 Brill修正分界相关式判别结果，结果见表1。

由图6和表1可知，修正后的Brill流型分界相关式的流型判别结果与实验结果吻合得很好，实验结果和修正Brill相关式的判别结果偏差很小。

表1 0°、-0.2°、-0.5°和-1.0°常规管道空气-煤油两相流实验结果与Brill修正结果对比Table 1 Comparison between experimental results and corrected Brill results of air and kerosene two-phase flow at 0°，-0.2°，-0.5°and -1.0°

注：表中相对误差取绝对值，余同。

3.3 正倾角常规管道Brill流型修正

1.0°倾角管道空气-水两相流实验流型和Brill流型判别结果的对比如图7所示。由图7可知，1.0°倾角管道的实验流型图和Brill相关式修正前的分界结果有很大的差别，而且正倾角时Brill流型判别式只能识别3种流型，即气团流、段塞流和环状流，没有分层流，而在实验中做出了分层流(主要是分层波浪流)，这也为许多文献所证实[12]。同时，在实验过程中发现气团流出现的几率较小，并且有时很难区分气团流和段塞流，再加上实验室条件下做不出气团流，因此在向上倾斜的常规管道中把气团流和段塞流合并为段塞流。结合实验数据，利用上述分析处理方法，得到修正的适合于正倾角管道的Brill的相关式为

1)分层流的边界条件为

NlwST=

10(-2.323 8-0.017Ngw-4.267sinθ-2.972Nl-0.033lg2Ngw-3.925sin2θ+0.830 7lgNgw)

(8)

2)段塞流—环状流间转型相关式为

(9)

利用修正后的Brill相关式对1.0°倾角管道空气-水两相流流型实验结果进行判别，结果如图8所示，可以看出实验结果跟修正后Brill流型判别较为吻合。

0.2°、0.5°和1.0°倾角常规管道空气-煤油两相流流型实验结果和修正Brill分界相关式的判别结果见表2，可以看出，在管道微小正倾角的情况下修正后的Brill相关式的流型判别结果与实验数据较为吻合。

图7 1.0°倾角管道空气-水两相流Brill流型分布与实验结果的对比图Fig.7 Comparison of Brill flow pattern distribution and experimental results of air-water two phase flow at 1.0°

图8 1.0°空气-水常规管道的修正Brill相关式结果与实验结果对比图Fig.8 Comparison of corrected Brill results and experimental results of air-water two-phase flow at 1.0 °

表2 0.2°、0.5°和1.0°倾角管道空气-煤油两相流实验结果与修正Brill结果比较Table 2 Comparison of experimental results and corrected Brill results of air-kerosene two-phase flow at 0.2°，0.5° and 1.0°

3.4 考虑管径影响的Brill流型判别修正

Brill气液两相流流型判别准数中，分别考虑了液体密度、黏度、气液间表面张力对流型判别的影响，但是没有考虑管径变化对气液两相流动流型的影响。Brill的流型判别式是在管径为38.1 mm的管道中，对空气-煤油、空气-润滑油进行实验的基础上得到的。但在实际应用中，大部分管道的管径与Brill实验所用的管径不同，所以有必要考虑管径变化对流型边界的影响。

Brill总结的有关气液两相流动流型判别式中，分别引用了3个无因次量，即液相折算速度准数Nlw、气相折算速度准数Ngw和液相性质准数Nl。为了考察管径变化对流型的影响，把管道直径准数ND引入到Brill流型分界相关式中，以此考虑管径变化对流型的影响。本文在实验结果分析的基础上，在保持原修正Brill流型相关式中其他项不变的情况下，把常数项拆分为2项，其中1项表示管径的影响，管径影响项的系数和指数通过试算得到。这样，得到的带有管径影响项的修正Brill流型分界相关式如下。

1)θ取任何值，段塞流—环状流间转型相关式为

(10)

2)θ≤0(水平和下倾角)，分层流边界相关式为

NlwST=

(11)

3)θ≤0(水平和下倾角)，气团流-段塞流转型相关式为

NgwpS=

(12)

4)θ>0(上倾角)，分层流的边界条件

NlwST=

(13)

4 变质量管流流型判别修正

采用图3中筛管模拟段加入的质量流量计和多个径向注入阀来模拟变质量流。由于实验条件限制，在筛管实验段水平和负倾角时，径向注入段后观察到的流型包括分层流、气团流、段塞流和环状流，而在上倾角时径向注入段后的流型只有段塞流和环状流，而没有分层流和气团流。通过实验数据分析，利用Brill处理数据的方法，得到修正的流型分界相关式如下。

1)θ=任何值，段塞流—环状流转型相关式

(14)

2)θ≤0(水平和下倾角)，分层流边界关系式

(15)

3)θ≤0(水平和下倾角)，气团流—段塞流转型相关式

NgwpS=

(16)

式(14)～(16)中：Vin为单位长度上的表观径向注入折算速度，1/s；l为径向注入段的长度，m。

利用空气-煤油两相流在不同条件下的筛管流型实验结果，验证考虑径向注入影响的修正Brill分界相关式的正确性，部分实验结果和修正Brill分界相关式的判别结果的对比见表3。由表3可知，考虑径向注入的修正Brill流型相关式的计算结果与实验结果吻合较好，其中分层流、段塞流和气团流的流型识别在10%左右，而环状流的识别误差较大，这主要是因为实验条件的限制，取得的实验数据较少所致。

表3 不同倾角、注入速度条件下空气-煤油两相流筛管实验结果和修正Brill结果对比Table 3 Comparison between experimental results and corrected Brill results of air-kerosene two-phase flow under different angles and velocities

5 结论

本文通过大量的实验数据对Brill气液两相流流型判别方法进行的修正，是对经典Brill判别法的验证和扩展，修正后的流型判别法为海上水平井气液两相流流型的判别和解释提供了有力支撑，具有较高的工程实践价值。