油气水三相的流动型态的研究进展

1、韩蕊摘要目前，国内外对油气水三相流动规律的研究，远落后于气液两相、油水两相流动规律的研究。国内外学者对油气水三相流动规律仍未统一认识，本文论述了国内外学者对油气水三相流动中的流型划分的研究。关键词 油气水；三相流；流型；水平管；垂直管Progress in the Study of Oil-Gas-WaterThree Phase FlowPatternHanruiAbstract：Currently，the study of oil-gas-water three phase flow pattern get far behind the study of two phase flow bo

2、th at home and abroad. There is not aunitive cognition of the flow regulation about three phase. In this article the division method of flow pattern was discussed.Key words：oil-gas-water；three phase flow；flow pattern；horizontal tube；vertical tube一、引言油气水多相流中，由于存在着互不相溶的油水两相，与气液两相流相比，油水两相间的动量传递较强，升力影响较

3、弱，表面自由能较小，使界面波较短、分散相尺寸较小，油水的相互作用和分散程度对流动型态影响很大，因此油气水三相流的流型比两相流复杂得多。以下分别从水平管与垂直管中油气水三相流流型来说明三相流流型的研究进展。二、水平管油气水三相流流型的研究1、国外学者对水平管油气水三相流流型的研究Acikgoz& Lahey最早进行油气水三相流型的实验研究1，在其1992年发表的文章中阐述了他们对流型的划分。根据“油基”(油为连续相)和“水基”(水为连续相)的不同，提出了10种流型,并且作出了流型图。这十种流型分别为：油基分散气团流、油基分散段塞流、油基分散分层/波浪流、油基分离分层/波浪流、油基分离波状

4、分层-环状流、油基分离/分散-环状流、水基分散段塞流、水基分散分层/波浪流、水基分离/分散分层-环状流及水基分散分层-环状流。Acikgoz& Lahey的流型划分，虽然突出了油气水三相流动的复杂特征，但是流型划分不够简洁，由于实验管径只有19mm，很难观察到分层流动，其研究结果具有一定的局限性。1993年美国Ohio大学的Lee& Jepson2在图1、 Lee油气水三相流型图气液两相流型的基础上，将流型分为3类：分层流(包括分层光滑流、分层波浪流和波浪流)、间歇流(包括气团流、段塞流和拟段塞流)和环状流。与Acikgoz流型相比，Lee流型(图1)划分虽然简洁，但难以区分。

5、1996年Pan采用每秒24幅照片的录相机在测试段进行流型数据的采集。在实验观测数据的基础上，采用类似Acikgoz&Lahey的划分法，即先考虑连续相，再按照气液(油+水)两相流流型进行划分，并观察到段塞流的存在2。1997年Hewitt等在实验研究的基础上，提出了划分流型的三元素法：第一元素是判断油水相间结构(分散流或分离流)；第二元素是针对分散流的，判断连续相(油或水)；第三元素即为描述气相与整体液相(油+水)之间的流型，可看成是气液两相流的6种流型(泡状流、分层光滑流、分层波浪流、气团流、段塞流、环状流)。根据三元素法定义，Hewitt等将油气水三相流划分成了15种流型，几乎含

6、盖了水平管路三相流的基本流型，类似于Acikgoz& Lahey的划分，在实验中同时观察到了Acikgoz& Lahey试验中未出现的分离段塞流,却没观察到油基分离环状流2。Wegmann 2007年在试验中利用激光诱导荧光技术(LIF)结合高速摄像技术对流型进行了观测，以油水、气液两相流流型划分为基础，划分了6种3相流流型:分层-间歇流、环状-间歇流、间歇-分散流、间歇-间歇流、分散-间歇流和分散-环状流，第一部分是油水流型，第二部分是气液流型。这种流型划分方式既体现出油气水三相的流动特征，相比Acikgoz提出的流型划分方式又比较简单,由于试验管径只有5.6 mm和7mm两

7、种，其研究结果存在一定的局限性3。2、国内学者对水平管油气水三相流流型的研究吴浩江李斌等在内径为40mm的水平管内、压力下进行了油气水三相流流型可视化的实验。实验中观察到七种流型，如表1所示。在其1999年发表的文章中对三相流的的术语进行总结并规范化，它主要包含的信息主要有(1)液相与管壁之间的联系,即两液相中的哪一种与管壁接触，(油基或水基)。(2)油相与水相之间的关系(油和水混合在一起形成悬浮液，弥散或分离)。(3)气相与整个液相之间的关系(分层、间歇、泡状和弹状流)4。表1 油气水三相流流型的划分序号基准相油水关系油气关系简称1油基分离弹状流O-S-SL2水基弥散弹状流W-D-SL3油基

8、弥散弹状流O-D-SL4油基分离波状分层流O-S-5油基弥散波状分层流O-D-6油基弥散分层-环状流O-D-A7水基弥散波状分层流W-D-2000年，周云龙等人发表了油气水三相流流型的研究成果5。文章中以油包水(W/O)和水包油(O/W)型划分了流型(1)油包水型(W/O)包括：泡状流、分层流、波状分层流、气弹状流和环状流；(2)水包油型(O/W)包括：泡状流、平滑分层流、波状分层流、弹状流和环状流。在其试验中对典型的流动型态用观察法识别流动形态，在流型转变界线附近的流动型态采用压差波动法来判定和识别管内油气水三相流动的流型及其转变。2000年于立军、蒋安众等通过对45mm管径、水平放置圆管内

9、油气水三相流流型的试验研究，采用实验方法整理出vsg-vst平面流型图。他们对试验中的流态进行观察，将水平管内油气水三相流动的流型划分为4种：分层流、间歇流、环状流及泡状流。从双流体模型基本方程出发，通过动力学分析，对水平管内油气水三相流动中各流型间相互转变的机理和预报模型进行了研究，得到了4种基本流型间相互转变的预报关系式，并与实验结果进行比较，两者符合良好6。2010年刘晓燕、刘殿伟等在现场组建实验装置对油气水三相流进行研究7。通过对试验采集的数据分析，首次总结出水平环状集输管道中油气水三相流的5种流型，分别为分层流、三层干扰流、波浪冲击流、气弹掺混流和完全掺混流。同时给出了每种流型对应的

10、参数范围，并对各种流动形态及典型特征进行了解释。他们的试验装置是在集输管道上，试验管段选在环状集输管道进入回油汇管之前。在管段上开旁通，将直径76mm的透明石英玻璃管用原油集输管道修补器将其与集输管道(76mm钢管)相连接工艺流程如图2所示。计量间热水总管通过掺水阀门控制一定量的热水进入到管网中，各个油井产出的油气水混合物注入到环网中与管中热水进行混合后，流经流型测试段，最终汇集到回油汇管中进入计量间。图2 环状集输管网工艺流程图 a)分层流 b) 三层扰动流 c) 波浪冲击流 d)气弹掺混流 e)完全掺混流三、垂直管油气水三相流流型研究1、国外学者对垂直管油气水三相流流型的研究1976年Sh

11、ean分别研究了油水混合物和油气水三相混合物在内径为 19mm 的垂直管道中的流动。得到了混合物速度从 1.22 到-1及=0到 1.0 的流体流动型态、相含率和压力梯度数据。流动型态被划分为：油段塞流、水泡沫流、油泡沫流和水下降流动。他描述了各种流动型态，认为流动型态转变对压力梯度的影响应归结为的变化8。1990年Pleshko和 Sharma利用在内径为 51mm 的管道得到的垂直三相流动数据检验了Taitel等的气液两相流动的流动型态转变模型。证明两相流动模型不能用于预测三相流动的流动型态转变。进入垂直导管之前，液相被预先混合形成均匀的条件。因此，依照两相流动的划分方法，流动型态被划分为

12、泡流、段塞流和搅拌流。最后给出了由一组平均表观相速度比与自变量关系曲线组成的流型图8。1998年Spedding等在内径为 26mm 垂直有机玻璃管中进行油气水三相流动的研究9，他们将流动型态划分为油外相和水外相两类共九种流动型态(如图2所示)。(1)油外相环状/分散环状流(OD Oil Annulus/Dispersed Annular)：油在管壁处形成油环，在其内侧为水分散在油中的混合物形成的环，最内侧是气柱。气量或者水量的增加会使油环变薄，直到形成完全的水分散在油相中的环。(2)油外相分离环状流（OD Broken Annulus）：当含水量增加到接近油水外相转变的界限时，油环会逐渐破裂

13、然后被水环代替。(3)油外相分散搅动流(OD Dispersed Churn)：这种流型和两相流流型中的搅动流相近，不同的是这里的液相是油相中分散有水相的液体。(4)油外相分散段塞流(OD Dispersed Slug)：这种流型和两相流的段塞流是相近的，不同的是在气泡周围有很少或者没有逆流的液相。(5)水外相水环/油环状流(WD Water Annulus/Oil Annular)：当水量增加到超过油外相和水外相的界限后，在管壁内侧形成水环，水环的内侧为油环，依据气体流动的速度，油环的表面呈滚动波或者细纹波。(6)水外相分散/油环状流(WD Dispersed Annulus/Oil Ann

14、ular)：在这种流态中有大量油分散在水中形成的液体。事实上水环可能会变成不连续的形态。(7)水外相分散搅动流(WD Dispersed Churn)：这种流型和两相流的搅动流相近，液体是由油分散在水中形成的。(8)水外相分散段塞流(WD Dispersed Slug)：这种流型和两相流中的段塞流相近。有些时候，不连续的环状液体是这种分散段塞流的特征。(9)水外相油段塞流(WD Oil Slug)：油相段塞在水环中流动。在气体段塞频率低的时候可以观察到分成层的水和油。图2 （a）垂直管三相流中的油外相流型；（b）垂直管三相流中的水外相流型。试验中显示当流动条件系统地变化时会形成不同的环状膜构造

15、，膜的厚度和真实相速度在数据分析中起了很大作用。反转点是油外相和水外相之间的转变界限。在反转点处，会测得持液率的最大值。2、国内学者对垂直管油气水三相流的研究2001年王跃社等利用高速动态分析仪，观察了垂直管流内油气水三相弹状流的形成与转化，将 Weisman 流型转化过渡区的概念应用到油-气-水三相弹状流流型的研究中，量化了弹状流转化过渡区的边界。他提出的弹状流的生成转化边界、弹状流的发展转化边界，很好地包容了前人所得到的弹状流转化边界，为解释众多弹状流边界模型的不一致性、以及合理认识弹状流的特性提供了更可靠的理论依据10。2010年于莉娜，李英伟等利用计算流体动力学软件FLUENT，采用瞬

16、态的VOF模型及Geo-Reconstruct算法对内径20 mm垂直上升管内油气水三相流进行了数值模拟11。按油水界面特征和气液界面特征将油气水三相流划分为4种流型。首先采用观察法将油气水三相流流型大致分为水基(O/W)流型和油基(W/O)流型，在此基础上，依据油水界面特征和气液界面特征，进一步对流型进行精细划分，将油气水三相流流型划分为水基分散泡状流、油基分散泡状流、水基分散块状流和水基分散段塞流。(1)水基分散泡状流：当油气水三相流含气率较低时，气相在油水混合流体内形成分散的气泡，气泡周围附有小气泡；随含气率的增加，气泡变长但头部变大，油滴以泡状和絮状分散存在于连续相水中，如图3(a-c

17、)所示。图中Q表示油气水三相流的总流量，Ko表示油气水三相流含油率，Kg表示油气水三相流含气率。(2)油基分散泡状流：油气水三相流量和含气率一定时，增加含油率，水相从管壁脱落，并由连续相转为分散相，以块状形式存在，油相在管壁形成一层间断的表面且呈波浪的油膜，气相在混合流体内形成大小不一、分散的气泡，如图3(d)所示。(3)水基分散块状流：油气水三相流量一定时，增加含气率，管内出现了极不稳定的块状流，如图3 (e-g)所示。(4)水基分散段塞流：油气水三相流量一定时，持续增加含气率，塞状大气泡几乎占据了整个管道且长度较长，两个大气泡之间由液相隔开，液相中含有一些小气泡团，油滴以泡状存在于连续相水

18、中，如图3 (h-j)所示。图3油气水三相流型结构四、结论国内外对油气水三相流都有大量的研究，对流型的划分方面并没有一种能够得到多数学者认可的研究成果，目前对多相流的研究还存在着缺陷。1、目前的油气水三相流的研究还处于起步阶段，主要以实验为研究手段，实验本身就存在明显的不足。实验环道偏小，对实验结果的推广有一定的局限性；实验油品是模拟油，无法体现真实原油的性质。2、各学者对油气水三相流流动的机理缺乏充分的认识，不同的学者对流型的识别方法不同，对流型的划分没有统一的标准。对流型的描述主要分三方面内容：1)判断连续相；2)判断油水关系；3)判断气与整个液相的关系。五、参考文献1Acikgoz M et al : An experiment study of three phas