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1、新型油水两相水平管流流型分类方法(1)第25卷第10期 油气储运问题讨论新型油水两相水平管流流型分类方法 张丽娜3 王小尚 (西南油气田分公司地面建设项目管理部) (中石化天然气分公司)张荷玲 杜绪联(中原油田设计院) (濮阳市中原石化工程有限公司)张丽娜王小尚等:新型油水两相水平管流流型分类方法,油气储运,2021,25(10)4951。 摘要阐述了已有的油水两相流的流型分类,指出了其中的不足与局限。在研究前人的可用试验数据的基础上,根据油水两相流的流变学特性,对油水两相流的流型重新进行分类,主要分为牛顿流动流体和非牛顿流动流体两大类。对这两类流体呈现出的流动形态进行了分析,结果表明,新的分
2、类法考虑全面具体,分类明确清晰。 主题词水平管 油水两相流 流型 分类 方法 一、前言多年来,人们致力于多相流、气-液、气-固、液-固两相流的研究,并在此领域取得丰硕的成果。对于石油行业中经常遇到的油和水混合流动的现象,人们却关注甚少。随着油田开采中后期采出水含量的增高,油水两相流流动特性的研究变得日益重要起来。近二、三十年,研究人员采用各种手段对油和水的并层流动进行试验研究,观察到多种油水两相流流型。曾有学者报道了14种流型,而有的研究人员仅描述出34种流型。面对众多流型和多样的流型命名,有人进行了归纳总结,得出了油水两相水平管流的流型分类图,然而,他们的分类方法各有其局限性与不足之处。二、
3、现有的流型分类1、T rallero分类图1996年,美国塔尔萨大学的Trallero博士等人对已经公开发表过的水平管内油水两相流的流型进行了研究。他发现,许多已报道流型的命名通常是毫无意义的,它们并没有描述出流动形式的特征。研究人员的主观性也使得流型的命名存在差异,即使是同样的试验仪器,在同样的试验条件下,两个不同的试验人员会做出不同的流型解释。Trallero对矿物油和水的混合流动流型进行了全面的试验研究。试验用油、水的物性为,o/w =29.6,o/w=0.85,=36mN/m,T=25.6。他认为,由于两种液体之间动量交换能力较大,浮力作用较小,而且界面上自由能低,使得短界面波和小的分
4、散液滴可以存在,从而导致油水两相流在管道中的流动结构与气2液两相流有很大不同。在总结已有文献报道的基础上,根据自己得到的试验数据, Trallero博士提出了统一的油水混合流动流型划分方法(见图1)。 分层流油水分层流动(ST)伴有界面波动的油水层流动(ST&MI)分散流水为连续相水包油和水层(Do/w&w)水包油(o/w)油为连续相水包油及油包水(Do/w&w/o)油包水(w/o)图1Trallero油水两相流流型分类图这种流型划分得到了该领域许多学者的认同,在一定程度上代表了油水两相流流型研究水平。然3610051,四川省成都市府青路一段5号;电话:(028)86011416。?94?而,
5、由于试验用油粘度太低,他没有观察到水包油核的环状流型。2、B rauner分类图以色列特拉维夫大学的Brauner教授在前人工作和试验研究的基础上,全面总结了轻质油2水和高粘原油2水混合流动时油水两相流的流动结构、流型转变机理、油水分层流动时界面的形状及计算等内容。他将油水两相流的流动形态分成四大类(见图2),即界面是光滑或波动的分层流动;一种液体在另一种液体中是延伸或球形的大段塞流;一种液体散布于另一种液体的分散流;一种液体为核、另一种液体为环的环状流,并划分出20种具体的流型,其中既有轻质油2水混合流动过程中产生的完全分层流(S)、界面有波动的分层流(SM)、水包油和水层(Do/w&w)、
6、水包油和油(Do/w&o)、油包水和水(Dw/o&w)、油包水和水包油(Dw/o&o/w)、水包油(o/w)或油包水(w/o)等流型,又有高粘原油水混合流动过程中产生的环状流,即油核水环流(Anw)、水核油环流(Ano)、水为环带核为分散流的DANw、油为环带核为分散流的DANo、环带和环核都是分散流的CADw、CADo、间歇流Iw、Io、一种液体在另一种液体中被延长或形成气泡的SLo、Bo或SLw、Bw流型。分层流段塞流分散流环状流S、SM、Do/w&w、Do/w&o、Dw/o&w、Dw/o&o/w、o/w或w/o、Anw、Ano、DANw、DANo、CADw、CADo、Iw、Io、SLo、
7、Bo或SLw、Bw 图2Brauner油水两相流流型分类图 迄今为止,Brauner教授在进行油水两相流流型分类时,考虑到的影响因素是最多的,给出的流型也是最丰富的。 3、现有流型分类的不足Trallero等人的研究对油水两相流学科的进步起到了推动作用,他们的研究成果是油水两相流研究进程的里程碑。迄今为止,有很多人沿用这种分类方法。然而,他们的探索仅限于牛顿流体和低粘度油品,当量密度、微重和核环流动没有包含在内。Brauner虽然综合考虑了轻质油2水和高粘原油2水的混合流动的状态,然而仔细分析其分类就能发现,在进行流型划分时,只考虑了流体流变性质、当量密度、油水表面张力和管径的影响,忽略了油和
8、水的粘度影响,并且有的流型尚未见到报道。三、新的流型分类法 目前已经明确,当油和水混合流动时,既可以表现出牛顿流体性质,又可以表现出非牛顿流体性质。这是完全不同的两种性质,其剪切应力和剪切速率之间的关系是线性和非线性的关系,不能将其混为一谈。首先应将油水两相混合流动按流动特性分为牛顿流体流动和非牛顿流体流动,对于牛顿流体流动而言,容易产生的流型有油水分层流动,一种液体分散在另一种液体里的分散流动,以水相为连续相的弹状流,以及油相水相间歇出现的间歇流,分散流动又可分为以水为连续相的分散流动和以油为连续相的分散流动;对非牛顿流体流动而言,容易形成的流型是环状流,当然也会出现非牛顿流体性质的油水分层
9、流动和油相为连续相的分散流动,根据环内核的状态,环状流又可分为环散流和环核流。图3描述了油水两相流的流型分类。 牛顿流体流动分层流动油水界面光滑的分层流动油水界面波动的分层流动分散流动水为连续相的分散流动油为连续相的分散流动弹状流间歇流非牛顿流体流动非牛顿流动性质分层流动油为连续相的非牛顿流动性质分散流动环状流环散流环核流图3新的油水两相流流型分类图一旦选定两种液体介质,在它们的混合流动过程中,不会出现所有的流型。通常情况下,只是这几种基本流型的组合而已。1、牛顿流体流动当油品粘度较低时,容易产生牛顿流体流动形式,剪切应力和剪切速率之间的关系符合牛顿内摩擦定律。根据含水率和流速的不同,流体又能
10、呈现出油水分层流动、油水分散流动、弹状流动和间歇流动等流动形态。(1)分层流(Segregated Flow)这种流型主要发生在油水混合物流速较低时,此时重力占主导地位,在重力和浮力的作用下,较轻的油相在管道上部流动,较重的水相在管道下部流? 5?油气储运 2021年动,两个相都是连续相。这种流型又可分为两种情况,一种是油水界面光滑的分层流动(St ratified Flow,ST),另一种是油水界面出现波动的分层流动(St ratified Flow wit h mixing at t he interface,ST &M I)。(2)分散流(Dispersed Flow)当油水混合物流速进
11、一步增大时,油水界面附近开始出现较多液滴。水动力和浮力同时作用在液滴上,前者起搅拌作用,促使液滴分布在整个管道的横截面上,浮力则抵抗重力的下沉趋势。随着液滴的逐渐增多,油水两相流型由分层流动转变为分散流动。油水分散流动主要有以下几种形式。三层流(3L)随着流速的逐渐增大,油水界面扰动增强,油水界面两侧的液滴越来越多,逐渐形成一层油滴分散层。而管道上部的油相和管道下部的水相仍然保持连续相,从而形成三层流(3Layer),Angeli和Hewitt在1998年的试验研究中,最先发现了这种流型。但是到目前为止,还没有人提出令人信服的ST &M I流型和3L流型的区分边界。水包油和水层(Do/w&w)
12、如果油水混合物中的水含量比较高,且混合流速较快时,容易出现水包油和水层流型。油滴在浮力的作用下,聚集在管道上部流动,水相则在管道下部形成连续相,Arirachakaran曾将这种流型命名为混合流。水包油乳化液(o/w)油水混合物中水含量较高时,流速大到一定程度就会出现水包油乳化液(Oil in water emulsion),水相为连续相,油滴均匀分散其中。油包水和水层(Dw/o&w)油水混合物中体积含油率较大时,如果流速较低,油相夹带一定的水滴在管道上部流动,水相由于重力作用在管道底部形成连续相,这就是油包水和水层流型。油包水和水包油(Dw/o&o/w)这种流型存在于以油相为连续相的流动中。
13、如果混合物中水含量非常小,随着流速的增大,水相就超出了承载油相的能力,部分油滴散布在水相中,出现两种乳化液同时存在的流型,即油包水和水包油流型。油包水乳化液(w/o)如果体积油含率高,当混合流速超过一定的值时,就会出现油包水乳化液(Oil in water emul2 sion),水相完全分散在油相中。(3)弹状流(Slug Flow)当截面含水率比较高,且油品粘度比较大时,油在浮力作用下在管道顶部运动,形状像液弹,因此称为弹状流,刘文红等人曾经在试验过程中发现此流型。(4)间歇流(Intermittent Flow)间歇流的主要特征是两种液体交替占据管道自由流动或交替分散,主要发生在反相过程
14、中,这种流型在Arirachakaran的研究中曾报道过。但是L um8发现,在倾斜管道中更容易出现此流型。2、非牛顿流体流动非牛顿流体流动主要包括环状流流型(Annular Flow)和呈现出非牛顿流体流动性质的分层流动和分散流动,后两种流型的流动结构与牛顿流体流动的分层流和分散流的流动结构相同,只是性质不同而已。当油和水的粘度比较大时,根据体积含水率的高低和混合流速的快慢,油水的混合流动表现出环状流动,即一种液体形成环状膜,贴着管壁流动,另一种液体在管道中心流动。环状流又可分为环散流和环核流。环散流是指其中一个相(环相或核相)的液体呈现分散流形式。环核流就是指一种液体(如重油、乳化液或含蜡
15、油)形成核相,另一种液体(如水相)形成环相,环绕并润滑核相。目前已经发现的环状流主要有油核水环流和油基环散流。科学的分类,能使一门学科构成一个从一般到具体、从简单到复杂的相对完整的系统。油水两相流的流型是影响油水混合物并层流动的重要因素,是决定流动的计算依据,对已发现的油水两相水平管流的流型进行恰当的分类是非常必要的。与现有油水两相水平管流流型分类法相比,新的流型分类法涵盖了所有已经发现并公开报道过的流型,摒弃尚未发现的臆测流型,更尊重事实根据,也更加科学合理,全面具体,分类清晰明确。(收稿日期:2021210221) 编辑:吕彦 ?15?第25卷第10期 张丽娜等:新型油水两相水平管流流型分类方法作者介绍宋艾玲工程师,1973年生,1995年毕业于西南石油学院,现为西南石油学院油气储运工程在读硕士,主要从事油气管网系统规划及密闭输送系统研究工作。仝兴华博士,教授,1960年生,现任中国石油大学(华东)副校长,主要从事油气集输管道设计与安全评价、油气田地下工程力学方向的研究工作。李余斌高级工程师,1964年生,1985年毕业于西南石油大学油气储运专业,现在西南石油大学攻读油气储运专业博士学位,主要从事石油天然气储运工程设计与研究工作。
