（油气储运工程专业论文）水平管内油水分散流反相研究.pdf

关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：滥日期：9 jj 年 弓月。日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期：i ，j j 年专月；汐日 日期： p j 年5 月乡p 日 摘要 反相是油水分散流不同于其它流型的一种特殊现象。在反相点附近时，分散体的流 体力学特性和压降会发生急剧改变，这会对管道的运行产生不利影响。因此本文采用了 两种不同的实验方案对反相现象进行研究：1 ) 将一定比例的油水混合物同时注入环道 的直接性实验；2 ) 将分散相逐渐注入环道内使其所占比例不断增加的连续性实验，包 括水到油实验和油到水实验。通过使用不同油品，改变油水混合物的流速和温度，得到 这些因素对直接性实验和连续性实验中反相点的影响规律。 研究结果表明：在直接性实验中，随着流量的逐渐增加，反相点有逐渐减小的趋势， 并最终趋于平缓；反相点随着油相粘度的增加而增大；高粘油形成的油水混合物的反相 点随着温度的升高有增大的趋势。在连续性实验中，粘度较低的油品与水的混合流动时， 两相共存区的范围随着混合流量的增加而变宽，油品粘度升高之后就不具有很好的规律 性；两相共存区的宽度随着粘度的增加而减小；温度对两相共存区的影响并不具有明显 的规律性。 使用显微高速摄像测量系统与等动量取样装置相结合，对反相过程进行观察发现： 水到油实验中反相前部分油滴变为不规则的油滴，反相后水滴全部为球形，且有二次分 散体的出现；油到水实验中反相前后并没有发现二次分散体。反相并不是在整个管道内 同时发生的，而是随着流体在管道内流动逐步发生的，同时管道润湿性也会对管路的压 降产生影响。 通过实验数据与现有粘度模型进行比较，发现b r i n k m a n & r o s c o e 模型和f u r u s e 模 型的预测值与实验数据最为接近。根据z h a n g 等利用液相湍流动能和分散相气泡界面自 由能之间的平衡关系推导出液塞持液率的理论模型，忽略连续相和分散相之间动量传递 而产生的湍流动能，选取f u r u s e 粘度模型从而得到改进后的反相点预测模型，通过现有 实验数据对模型进行验证，发现当油品的粘度小于5 0 m p a s 时改进模型的精度相对较高， 其中大多数条件下改进模型的预测值精度最高。 关键词：油水分散流，反相点，两相共存区，反相模型 s t u d yo np h a s e i n v e r s i o no fo i l - w a t e r d i s p e r s i o nf l o w i nh o r i z o n t a lp i p e l i n e s w a n ga n p e n g ( s t o r a g e & t r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n go fo i la n dg a s ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rl vy u l i n g a b s t r a c t p h a s ei n v e r s i o nw a sa p a r t i c u l a rp h e n o m e n o nt od i s t i n g u i s ht h eo i l w a t e rd i s p e r s i o nf l o w f r o mo t h e rf l o wp a t t e r n s t h er h e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i s p e r s i o na n da s s o c i a t e d p r e s s u r ed r o pc h a n g ea b r u p t l ya n ds i g n i f i c a n t l yn e a rt h ep h a s ei n v e r s i o np o i n t ，w h i c he x e r t e d a d v e r s ei m p a c tt op i p e l i n eo p e r a t i o n a c c o r d i n g l yt h i st h e s i ss t u d i e dt h ep h a s ei n v e r s i o n p h e n o m e n o nf r o mt w oa s p e c t s ：1 ) d i r e c te x p e r i m e n t sw h e r e b yw h i t eo i la n dw a t e rw e r e i n j e c t e ds i m u l t a n e o u s l yi n t ot h ep i p ea tac e r t a i nc o n c e n t r a t i o n ；2 ) c o n t i n u o u se x p e r i m e n t s d u r i n gw h i c ht h ed i s p e r s e dp h a s ew a si n j e c t e di n t op i p ea n di t sp r o p o r t i o ng r a d u a l l yi n c r e a s e d ， i n c l u d i n go i lt ow a t e ra n dw a t e rt oo i le x p e r i m e n t s b yc h a n g i n gt h eo i lp r o d u c t sa n da l t e r i n g t h em i x t u r ev e l o c i t i e sa n dt e m p e r a t u r e ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e dt h ee f f e c t st h e s ef a c t o r s i n d u c e dt od i r e c te x p e r i m e n t sa n dc o n t i n u o u se x p e r i m e n t s t h er e s u l t ss h o w e d ：i nt h ed i r e c te x p e r i m e n t s ，t h ep h a s ei n v e r s i o np o i n th a dad e c l i n e d t e n d e n c ya sf l o wr a t eo ft h em i x t u r ei n c r e a s e ，u l t i m a t e l yr e a c h e dac o n s t a n tv a l u e ；t h ep h a s e i n v e r s i o np o i n ti n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fo i lv i s c o s i t y ；t h ep h a s ei n v e r s i o np o i n to ft h e m i x t u r ew i t hh i g hv i s c o u so i le x h i b i t e dag r o w i n gt e n d e n c ya st h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e d i n t h ec o n t i n u o u se x p e r i m e n t s ，t h ea m b i v a l e n tr e g i o nl i m i t so fl o w e rv i s c o u so i lm i x e dw i t h w a t e rh a daw i d e r t e n d e n c ya sf l o wr a t eo ft h em i x t u r ei n c r e a s e ，i nt h ec a s eo fo t h e ro i l ，i td i d n o th a v et h er e g u l a r i t y ；t h ea m b i v a l e n tr e g i o nl i m i t sd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fo i l v i s c o s i t y ；t e m p e r a t u r eo nt h ei m p a c to f a m b i v a l e n tr e g i o nd i dn o th a v eo b v i o u sr e g u l a r i t y c o m b i n e d w i ht h eh i g hs p e e dp h o t o g r a p h ys y s t e ma n di s o k i n e t i c s a m p l e rs y s t e m ， s t u d i e do nt h ep h a s ei n v e r s i o np r o c e s sc a m et oac o n c l u s i o n ：i nt h ew a t e rt oo i le x p e r i m e n t s ， o i ld r o p l e t so fp r e p h a s ei n v e r s i o ns h o w e du n r e g u l a r i t y , t h ew a t e rd r o p l e t so fp o s t - p h a s e i n v e r s i o nt u r n e di n t o s p h e r e s ，a n ds e c o n d a r yd i s p e r s i o na p p e a r e d ；i nt h eo i lt ow a t e r e x p e r i m e n t s ，s e c o n d a r yd i s p e r s i o nd i dn o ta p p e a rp r e a n dp o s t - p h a s ei n v e r s i o n p h a s e i n v e r s i o nd i dn o th a p p e ns i m u l t a n e o u s l yt h r o u g h o u tt h ep i p e ，f a c t u a l l y , i th a p p e n e dg r a d u a l l y a st h ef l u i df l o w e dt h r o u g ht h ep i p e t h ew e t t a b i l i t yo ft h ep i p ea l s oa f f e c t e dt h ep r e s s u r e d r o po ft h ep i p e c o m p a r e dt h ee x p e r i m e n t a ld a t a sw i t ht h ep r e d i c t e dv a l u e so fv i s c o s i t ym o d e l s ，i tw a s f o u n dt h a tt h ee x p e r i m e n t a ld a t a sw e r ei na c c o r dw i t ht h eb r i n k m a n & r o s c o em o d e la n d f u r u s em o d e lc l o s e l y a c c o r d i n gt oam o d e lf o rs l u gl i q u i dh o l d u pi sd e v e l o p e db a s e do na b a l a n c eb e t w e e nt h et u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g yo ft h el i q u i dp h a s ea n dt h es u r f a c ef r e ee n e r g yo f d i s p e r s e dg a sb u b b l e sb yz h a n g ，t h i sp a p e ri g n o r e dt h et u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g yc a u s e db y e n e r g yt r a n s f e rb e t w e e nc o n t i n u o u sp h a s ea n dd i s p e r s e dp h a s e ，r e f e r r e dt of u r u s em o d e l ，t h i s p a p e re d u c e dam o d i f i e dm o d e l t h em o d e ls h o w e dah i g hp r e c i s i o nw h e nt h eo i lv i s c o s i t y w a sb e l o w5 0 m p a st e s t i f i e db yt h ec u r r e n te x p e r i m e n t a ld a t a s u n d e rt h em o s tc o n d i t i o n st h e m o d if i e dm o d e lh a dt h eh i g h t e s tp r e c i s i o nv a l u e k e yw o r d s ：o i l - w a t e rd i s p e r s i o nf l o w , p h a s ei n v e r s i o np o i n t ，a m b i v a l e n tr e g i o n ，p h a s e i n v e r s i o nm o d e l 目录 第l 章前言1 1 1 研究背景及意义一1 1 2 国内外研究现状一2 1 2 1 反相特性研究2 1 2 2 反相模型研究5 1 3 本文的主要研究内容1 0 第2 章实验系统及实验介质1 1 2 1 实验系统及流程11 2 1 1 实验流程1 1 2 1 2 等动量取样1 2 2 2 实验装置l3 2 2 1 质量流量计13 2 2 2 压力变送器13 2 2 3 热电偶14 2 2 4 螺杆泵14 2 2 5 循环水浴14 2 3 数据采集系统1 4 2 4 实验介质的物性16 2 4 1 密度一l6 2 4 2 粘度一l7 2 4 3 表面及界面张力18 2 5 本章内容总结21 第3 章反相特性研究2 2 3 1 反相的影响因素2 2 3 1 1 混合流速( 搅拌) 对反相的影响2 2 3 1 2 粘度对反相的影响一2 3 3 1 3 密度对反相的影响2 4 3 1 4 界面张力、杂质和表面活性剂对反相的影响一2 4 3 1 5 温度对反相的影响2 6 3 1 6 材料润湿性对反相的影响一2 6 3 1 7 几何因素对反相的影响2 7 3 2 直接性实验2 7 3 2 1 实验方法2 7 3 2 2 实验结果分析2 7 3 - 3 连续性实验3 2 3 3 1 实验方法3 2 3 3 2 实验结果分析3 2 3 4 连续性实验中反相过程研究4 0 3 4 1 压降和流量信号的变化情况一4 0 3 4 2 液滴的变化情况一4 2 3 4 3 反相过程4 4 3 5 本章内容总结4 5 第4 章油水反相模型研究4 7 4 1 反相机理4 7 4 2 液滴粒径模型4 8 4 3 表观粘度51 4 3 1 表观粘度的计算5 l 4 3 2 粘度模型的比较5 4 4 4 改进的反相模型5 5 4 5 模型的验证5 8 4 6 本章内容总结5 9 第5 章结论与建议6 0 5 1 结论6 0 5 2 建议6 1 参考文献6 2 致 射6 7 中国，f i 油人学( 华东) 硕 j 学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章前言 多相流是指两种或者两种以上具有不同相态的物质共存，并具有明确相界面的混合 物流动现象，在能源、动力、石油化工、核能、制冷、航天等工业部门中都有广泛应 用，发展迅速。其中两相流作为最简单的多相流动是研究更复杂的多相流动的基础，因 此多相流动的基础研究主要集中在两相流的研究上。油水两相流动广泛存在于石油、化 工及其它相关行业的管道输送中。油f f l 集输管网的投资大约占到地面工程总投资的1 3 ， 集输能耗则占生产总能耗的4 0 左右1 2 j 。在油田开采过程中，特别是油田开发的中后期， 随着产出液含水率的升高，从地层中的岩石孔隙到油井及地面上的输油管道中均会遇到 油水两相或油气水三相流动p j 。但是由于油水两相流动极其复杂，其研究进程远远落后 于气液两相流的研究，已经成为多相流和多相混输技术研究的障碍。 油水分散流是液液两相流中的基本流型，它不同于其它流型的特点就是在流动过程 中会有反相现象的发生。在分散流中随着分散相体积分数或操作参数( 流速、表面活性 剂浓度等) 的改变会发生反相，发生反相时的临界含水( 油) 率通常称作反相点。在反 相点或反相点附近时，两相流的流体力学特性会突然发生改变，这种转变通常伴随着动 量的急剧改变，连续相和分散相之间以及分散体和系统固体边界之间热量和能量的传 递。同时，由于不同分散体( 油包水或水包油) 与管道接触的液相及接触方式存在很大 差异，这在很大程度上决定了分散流对管道的腐蚀程度以及腐蚀抑制剂类型的选取，故 准确的预测和计算反相点是油水两相流管道设计的关键。 对油水反相规律的研究多用白油和水在搅拌罐中进行，搅拌罐内的油水混合情况与 实际生产过程中的管流相比有很大的差异，因此开展管流条件下的反相特性研究是十分 必要的。目前获得的油水反相模型有限，且多数是由实验数据回归得到的经验型模型。 这类模型只针对于特定的油品，当油品物性发生改变时，模型的精度比较低。因此进 步地研究各种因素( 混合速度、粘度、温度等) 对反相现象的影响，对建立反相模型和 研究反相现象的机理来说都具有极其重要的意义。 总之，深入研究油水分散流反相过程的各种影响因素，可以增加对油水分散流反相 特性的认识，能够建立更加准确的反相模型来对反相点进行预测，对两相流的研究具有 重要的实验和理论价值，对拓展油水两相流动理论及实际工程应用来说也都具有十分重 第l 章前言 要的价值。 1 2 国内外研究现状 反相现象在1 9 5 6 年首先被r o d g e r 等1 4 1 提出。此后，油水反相就成为大量实验和理 论研究的课题。在最近十几年，由于油水混输技术的普及，以及在反相点附近管道的压 降和分散体的流变学特性都会发生剧烈地变化，许多研究者又开始对反相现象进行深入 地研究( 特别是管流中的反相) 。目前看来，反相现象研究大都来自于搅拌罐实验中， 而对管流中反相现象的研究就相当有限。在搅拌罐、圆柱形容器和管道中的实验都是试 图研究各种参数与临界体积分数的关系，研究者发现反相现象不仅受一些物理和物理化 学参数的影响，还受容器形状和流动体系初始条件的影响。尽管对反相现象的研究超过 了半个多世纪，然而，直到现在还没有能够得到准确解释反相现象发生的物理机理。而 对于反相模型来说，因为反相的物理机理还没有完全清楚，仅仅有很少的模型能够准确 描述反相过程，所以得到反相点的经验公式成为目前研究的趋势而不是准确的理论模 型。下面主要从油水反相特性、反相过程以及反相模型研究等方面分别介绍国内外研究 现状和发展趋势。 1 2 1 反相特性研究 1 ) 反相点 董 董 口 至 呻 r - - - 图1 - 1 压力梯度与入口含水率的关系曲线( l a 玎i n & o g l e s b y ，1 9 7 6 ) f i g l - 1 p r e s s u r eg r a d i e n tv s i n p u tw a t e rf r a c t i o nc u r v e s l a f l i n & o g l e s b y l 5 1 用粘度为4 9 c p ，比重为0 8 3 的油品进行了油水两相流的研究。入 2 中国“油人学( 华东) 硕， j 学位论文 口含水率从3 0 8 0 ，液体表观流速在0 5 1 5 m s 之间。他们发现当含水率在3 0 5 0 之间时压降发生大幅度变化，如图1 1 所示。 o g l e s b y l 6 1 在实验中通过加热冷却使油品的粘度发生变化，观察到反相时压降急剧 改变，并且压降改变的幅度随着混合流速和油品粘度的增加而增加，同时发现反相时的 入口含水率随着油品粘度的增加而减小。 m a r t i n e z 7 】指出在确定的入口含水率下反相点也受到温度的影响，并且提出反相温 度( p i t ) 的概念。 m u k h e r j e e 等8 1 用柴油( 密度为8 5 2 k g m 3 ，粘度为3 6 5 c p ) 和水在倾斜角从一3 0 。9 0 。 之i 日j 的环道上进行实验。发现在除一3 0 0 之外的所有倾角下发生反相时入口含水率在 0 4 0 5 之问；在倾角为一3 0 0 的情况下，反相时入口含水率为0 7 o 8 之间。他们认为在 一3 0 0 倾角下有最大的滑移速度从而导致这种现象的发生。 a n g e l i & h e w i t t t 9 1 在水平的钢管和丙烯酸管中进行了反相的实验研究。在高的混合流 速( 2 1 m s ) 下，压力梯度有一个顶点，相对应的就是反相点( 入口含水率3 7 4 1 之间) 。 同时，观察到管材( 润湿性) 也会影响反相。 i o a n n o u & a n g e l i l l o 】针对两种管材( 钢质和聚丙烯) 以及两种管径( 6 0 和3 2 m m ) 研 究了两种不相溶液体在分散流动过程中的反相现象及反相对压降的影响。大管径实验中 的反相点( 反相时水的体积分数) 取决于反相的初始条件( 开始时哪一相为连续相) 。 两种初始条件对应的反相点的差异随着混合物的粘度的增加而减小。在小管径的聚丙烯 管中没有发现初始条件对反相点的影响。 有的研究者( b r i n k s l l l l 、t y r o d e 【12 1 、r o n d 6 n g o n z a l 6 z 1 3 1 ) 在反相实验中加入表面活 性剂，发现表面活性剂的存在对反相过程有很明显的影响，往往更有利于使其中的某一 相分散。 p i e l a 等1 4 】研究了盐浓度对反相点的影响。盐会改变分散体的化学性质，同时水的密 度也会发生改变，但发现盐浓度的改变并没有对反相点产生影响。p i e l a l l 5 1 还发现当混合 速度较大( 2 m s ) 时，反相点对r e 、f r 、w e 和分散相的注入速度等因素的依赖性不大。 2 ) 两相共存区 文献中大多数实验都是在搅拌性容器中进行的，采用的介质是油和水，并且通常都 是将分散相持续注入连续相中的连续性实验。这种实验方案发现，反相现象在分散相浓 度达到一个很大的体积分数( o 8 ) 才会发生，并出现一个体积分数范围比较大的两相 共存区，在这个区域内连续相可能是水相也可能是油相。许多研究者( s e l k e r & s l e i c h e r l l 6 1 、 3 第1 章前言 d a v i e s l l 7 】) 发现两相共存区内任何一相都- i h 匕成为连续相，分散相体积分数大于这一范 围的上限就转变为连续相，连续相体积分数小于这一范围的下限就会转变为分散相。值 得注意的是在反相过程中分散相的体积分数可达到7 4 ( 相同粒径的球体最大的堆实体 积分数) ，甚至高达9 0 ( p a l 等1 8 】、g u i l i n g e r | 1 9 1 ) ，影响两相共存区范罔的主要因素是 液体粘度比。在特定的系统中，两相共存区的范围与流体特性、控制条件( 如叶轮转速) 和初始状态( 叶轮的位置) 以及罐的润湿特性有关。 h u 等【2 0 】分别对叶轮区和循环区内液滴的破裂和聚合进行比较，获得两相共存区宽 度是系统参数的函数。 s e l k e r & s l e i c h e r l l 6 1 发现随着油相粘度的增加，其成为分散相的趋势增加，成为连续 相最小体积分数和成为分散相最大的体积分数都增加。同时，液体粘度相等时获得最宽 的两相共存区。 p i e l a 等【2 l 】在实验中发现随着注入体积分数( 分散相注入速率和混合速率之比) 的 增大，两相共存区宽度减小。 b r a u n e r & u l l m a n n l 2 2 1 研究了表面润湿性和杂质对两相共存区范围的影响。他们发现， 对于疏水性的表面，反相时有机相的体积分数减小；而对于亲水性的表面，反相时有机 相的体积分数增加。他们认为含有杂质的水包油分散流反相为油包水分散流的含油率要 比纯的体系中的要大。他们把油水反相过程中出现两相共存区归因于反相发生后新的连 续相需要时间来润湿管壁，或者是由于反相前后油水表面张力的不同造成的，这可能是 因为杂质在油水相界面上的积聚。 i o a n n o u 等1 0 1 在大管径实验中发现油到水实验和水到油实验的反相点是不同的，两 相共存区宽度随着混合流速的增大而增大，而在小管径中没有观察到两相共存区。 l u h n i n g & s a w i s t o w s k i l 2 3 】认为两相共存区的范围与搅拌速度和界面张力有关系。他 们指出反相时( 在高的叶轮速度下) 分散相体积分数的上下曲线与叶轮区的雷诺数成线 性关系并且他们提出界面张力是影响两相共存区的因素之一。n o r a t o 等【2 4 1 发现随着密度 比增大两相共存区会增大，两相共存区随着表面张力减小而增大。 3 ) 反相过程研究 通过使用激光诱导荧光( l i f ) 技术，l i u 等【2 5 】观察到反相过程中的复杂结构，例如 多重分散体，油包水和水包油分散体共存，和薄片状液滴。他们也观察到连续相液体被 拖拽进分散液滴中而形成的二次分散体。 p a l i 2 6 1 在两相共存区外没有发现二次分散体。这是由于实验中的乳状液是在一个大 4 中固厶油人学( 华东) 硕七学位论文 的搅拌罐中准备好，随后通过离心泵在管道的测试部分进行循环。而l i u & h e w i t t 2 7 1 实验 中的分散体是通过两种流体分别进入t 型混合器然后通过剪切力自然混合而形成的，在 大多数体积分数和流速下，油包水包油和水包油包水的二次分散体都被脱察到，特别是 在两相共存区内。 p i e l a 等o 1 分别对油到水和水到油实验中的多重液滴进行观察，发现在水到油实验 中只有在反相后才有多重液滴( 油包水包油) ；在油到水实验中多重液滴( 油包水包油) 仅仅出现在反相前。而在实验中并没有观察到多重水滴的出现。 1 2 2 反相模型研究 1 ) 表观粘度 在新开发的油气兀1 中，未被加工或部分被j h - r 的油水混合物混输变得越来越普遍。 在设计管线的尺寸和输量时，可以使用o l g a 和p e t r a 等多相模拟工具预测压降、管路 的持液率等，其中油水混合物的表观粘度是模拟过程中的一个重要的输入参数。在大多 数情况下，油和地层水共同被开采出来，并同时在多相流管线中被输送。油水混合物的 表观粘度比油品本身的粘度要大得多，这是由于稳定乳状液或稳定的油包水分散体的形 成，会造成管道输量的减小或需要增大管线的尺寸。因此，使用可靠的方法来进行油水 混合物粘度的计算和预测是十分重要的。 一般来说，油水混合物的粘度是由许多因素所决定的，包括：分散相的体积分数、 分散相的粘度、剪切速率( 如果是非牛顿流体) 、温度、液滴的平均粒径和粒径分布、 连续相的粘度、乳化剂的性质和浓度等。 在油水混合物一定的情况下，粘度与分散相液滴粒径的关系最为密切。当颗粒加入 到系统中，流场被破坏从而会加剧能量的耗散，导致粘度的增大。e i n s t e i n l 2 8 1 从理论上 推导出一个适用于刚性小球悬浮液的粘度模型： 7 7 ，：一r r ：1 + 2 5 ( 1 1 ) 7 7 。 此模型适用的分散相浓度非常低，不超过0 0 1 5 。为了使模型能应用于高浓度的分 散体系，后人对此模型进行了改进。 g u t h & s i m h a t 2 9 1 对e i n s t e i n 的模型进行了修正，考虑了液滴问的互相作用，并且分散 相的适用范围更大： 7 ，= 1 + 2 5 矽+ 1 4 1 矽2 ( 1 - 2 ) 气 第1 章前言 矽2 代表了液滴问的互相作用对表观粘度的影响。 r i c h a r d s o n l 3 0 , 3 1j 发现当分散相的体积分数增加时，乳状液会逐渐变成非牛顿流体， 乳状液的表观粘度仉与分散相体积分数矽呈非线性关系。实际上是认为表观粘度呈指数 形式增长。因此，他提出一个新的粘度模型： i nr ，= 坳( 1 - 3 ) k 是常数，为“相问”压缩系数，与各相的压缩性有关。 m o o n e y 3 2 1 给了一个计算非牛顿乳状液表观粘度的模型： r ，= e x p ( 2 5 矽( 1 一k 矽) ) 1 3 5 k 1 9 1( 1 - 4 ) b r i n k m a n i 3 3 1 得到了计算有限浓度溶液或悬浮液粘度的公式，特别适用于高浓度的乳 状液粘度的计算： r ，= ( 1 一矽) 乏5 ( 1 5 ) e i l e r s 3 4 1 使用沥青乳状液，给出了计算牛顿流体的表观粘度的模型： r ，= ( 1 + ( 1 2 5 矽( 1 一口，矽) ) 2 1 2 8 a e v i( b ) v 2 2 1 0 0 时，九= 0 3 1 6 4 r e , ：”。 雷诺数r e 。为油水混合物的雷诺数，表示为： r e 。：p m u , d( 4 1 8 ) 假设流动为层流，将上式代入式( 4 1 7 ) 中，得： 旷篙( 老) 9 ， 2 瓦i 玄j 叫州 上式中的。即为计算出的油水混合物的表观粘度。 通过式( 4 1 9 ) 得到直接性实验中，2 号油品形成的油水混合物在3 0 c 、不同流速 和含油率下的表观粘度，如表4 1 所示，发现在本研究中油水两相流的流态基本处于层 5 2 中国石油人学( 华东) 硕l j 学位论文 流区。图4 1 是2 号油品在3 0 。c 时不同流速下油水混合物的表观粘度随含油率的变化曲 线。可以从图中看出，水包油分散体的表观粘度在含油率小于6 0 时变化并不明显，在 含油率在6 0 g l 反相点之间时随含油率的增加而迅速增大；油包水分散体的表观粘度随 着含油率的增加而减小。这种趋势与管路总压降的变化趋势相似。同时还可以看出，混 合流速对水包油分散体的表观粘度影响较小，几乎不变，此时油水混合物可以视为牛顿 流体，这是由于此时水相为外相，混合流速对水相粘度的影响很小；油包水分散体的表 观粘度随着混合流速的增加而减小，这是由于在管流中，油水混合物具有较强的非牛顿 流体特性，随着流速的增加管壁对流体的剪切作用就会增强，使得油水混合物的表观粘 度减小。 表4 - 12 号油品形成的油水混合物的表观粘度 t a b l e 4 1 a p p a r e n tv i s c o s i t yo f o i l w a t e rm i x t u r ef o r m e db y2 4a n dw a t e r 混合流速含油率表观粘度 雷诺数 混合流速含油率表脱粘度 雷诺数 m 3 h 。l m p a s m 3 h l m p a s 1 0 76 2 418 8 31 5 39 3 61 7 5 5 2 2 0 81 9 4 76 0 32 0 9 91 8 6 18 8 3 4 0 9 42 0 9 25 6 13 9 6 11 9 1 38 5 9 5 7 6 22 7 6 9 4 2 35 6 22 3 8 26 8 9 0 5 4 80 7 6 7 8 0 0 31 1 0 6 81 0 67 7 2 41 1 5 2 81 4 2 8 0 7 71 1 7 2 21 0 07 9 5 81 1 6 0 21 4 1 8 6 3 11 0 1 1 61 1 68 4 59 8 9 21 6 6 9 7 6 6 7 4 8 71 5 69 7 3 97 1 3 22 3 0 1 5 71 1 6 18 2 0 1 5 91 3 8 1 8 7 1 1 9 7 81 8 5 51 1 3 82 0 6 61 8 8 71 3 6 9 3 9 9 1 1 9 5 21 0 8 24 4 7 52 0 7 21 2 4 6 6 1 5 12 6 9 77 8 35 9 0 42 3 9 71 0 7 8 0 9 8 61 2 0 6 7 7 0 51 1 1 8 81 8 87 6 9 61 0 8 5 92 3 7 7 9 7 41 1 3 0 518 67 9 2 51 1 0 4 82 3 3 8 4 3 49 5 0 8 2 2 28 4 2 29 0 8 22 8 4 9 6 6 46 8 5 13 0 89 6 3 66 5 8 73 9 2 5 0 2 72 1 6 91 4 0 74 8 4 72 1 7 51 6 1 9 6 2 1 22 7 2 81 11 9 5 9 7 2 2 4 8 2 1 4 1 9 7 6 7 51 0 3 9 22 9 37 6 3 59 8 0 83 5 9 1 4 2 51 6 4 4 7 8 61 0 6 32 8 77 8 0 79 9 6 83 5 3 8 3 9 28 5 63 5 68 3 8 47 9 94 4 0 9 6 2 16 2 9 84 8 49 6 2 16 1 2 55 7 5 5 3 第4 章油水反拥模型矽f 究 图4 - 1油水混合物表观粘度随含油率的变化 f i 9 4 - 1a p p a r e n tv i s c o s i t yo fo i l w a t e rm i x t u r ev s 。o i lv o l u m ef r a c t i o nc u r v e s 4 3 2 粘度模型的比较 不同研究者提出的油水混合物表观粘度模型也不尽相同，目前大部分模型仅仅只考 虑了连续相粘度、分散相粘度和含油率的影响，所以在进行模型的选取时忽略混合流速 对油水混合物表观粘度的影响。表4 2 列出了不同研究者在不同条件下得到的表观粘度 模型。 表4 - 2 油水混合物表观粘度模型 t a b l e 4 - 2 a p p a r e n tv i s e o s i t ym o d e l so fo i l w a t e rm i x t u r e 作者 模型备注 e i n s t e i n l 2 8 】 。= 1 。( 1 + 2 5 ) 单分散体系 t a y l o r l 6 4 1 。= 。( 1 + 2 5 e d ( 0 i 4 + + 1 d 2 d i p 。) ) 单分散体系 f u r u s e 6 5 】 。= 。币1 + 0 5 了d 单分散体系 b r i n k m a n l 3 3 埔1r o s c o e 删 ，= 2 。( 1 6 d ) 之5 多分散体系 d u k l e r l 6 7 】 “m = _ h c t l 一d 、) + p d d 陈家琅1 6 8 】 舻告( - + 等1 油包水分散体 在3 0 时，2 号油品的粘度为6 0 m p a s ，水的粘度为o 8 0 0 7 m p a s ，通过计算得到各 个模型在不同含油率下的表观粘度，如表4 3 所示。图4 2 是粘度模型和实验数据随含 5 4 中固，f i 油人学( 华东) 硕 ：学位论文 油率的变化曲线。通过表和图可以看出，对于水包油分散体，各个模型计算的表观粘度 相差不大，但与实验数据相差较大；对于油包水分散体来说，大多数粘度模型的计算结 果与实验数据相差并不大，其中b r i n k m a n & r o s c o e 模型和f u r u s e 模型的计算值与实验 数据最为接近。因此在建立反相模型时可以选取的粘度模型为b r i n k m a n & r o s c o e 模型或 f u r u s e 模型。 表4 - 3 不同含油率下各模型的表观粘度 t a b l e 4 - 3 a p p a r e n tv i s c o s i t yo f e a c hm o d e lu n d e rd i f f e r e n to i lv o l u m ef r a c t i o n s 含油率 实验值 e i n s t e i