（检测技术与自动化装置专业论文）倾斜及水平油水两相管流流动特性测量.pdf

中文摘要 倾斜及水平油水两相流动现象广泛存在于石油工业中，流动参数测量对生产 过程及工艺优化具有重要意义。由于油水两相流流动结构呈现高度随机性、不稳 定性及多态性，流动过程参数难于测量。本文针对倾斜及水平油水两相流复杂流 动现象，设计了环形电导传感器及阵列探针传感器。在天津大学多相流实验装置 上测取倾斜及水平油水两相流宏观电导信号及局部探针信号的基础上，实验得到 了两相流流型图、两相流相关速度及含水率等流动参数。采用非线性分析方法研 究了倾斜油水两相流非线性动力学特性。应用双流体物理模型及数值模拟技术研 究了水平油水两相流流型转化问题。采用电导与电容传感器组合测量方法研究了 水平油水两相流分相流量测量问题。论文研究工作取得了如下创新性成果： 1 采用环形电导传感器与5 路纵向微探针阵列传感器组合测量方法提取了 倾斜油水两相流动结构信息，在此基础上测量得到了不同角度的大管径倾斜油水 两相流流型图，得到管径对流型转化边界有较大影响的结论。在实验测量流型基 础上，提出一种新的倾斜油水两相流混沌吸引子形态分析方法一混沌吸引子周界 测度方法。考察了吸引子周界特征量随相空间嵌入参数时间延迟的变化规律，分 析结果表明：吸引子面积增长率是描述吸引子形态的不变特征量，该特征量对水 为连续相的拟段塞水包油( do wp s ) 和局部逆流水包油( do wc t ) 流型变化敏 感，具有较好的识别效果，为从吸引子形态周界测度关系探寻流型演化的非线性 动力学机制提供了一条新途径。 2 采用环形电导传感器与8 路径向微探针阵列传感器组合测量方法提取了 2 0 m m 水平及近水平油水两相流流动结构信息，在此基础上测得水平及近水平油 水两相流全部六种流型的流型图。采用双流体模型、分散流模型以及相态逆转等 物理模型计算了流型边界，研究结果表明：s t & m i 与半分散流型( do w & w 、d w o & do w ) 的转化边界、半分散与全分散流型( do w 、dw o ) 的转化边界的 物理模型与实验测量流型结果较为吻合；s t 与s t & m i 流型边界的物理模型与实 验测量流型有较大差异，角度倾斜则会加剧物理模型与实验结果的差异。所开展 的水平油水两相流数值模拟工作为从理论上认识流型演化规律提供了可行办法。 3 采用目前大庆油田使用的水平井生产测井电导与电容组合仪对水平油水 两相流分相流量测量方法进行了研究。由于电导与电容传感器对水为连续相和油 为连续相具有不同的敏感特性，根据其实际测量响应特性，提出了总流量在 2 0 5 0 方天( 低流量) 及1 0 0 2 0 0 方天流量( 高流量) 范围内，分别采用电容 及电导传感器测量分相流量的方案。对油水相间存在较大滑脱效应的低流量范 围，建立了具有较高含水率预测精度的变系数漂移模型，并结合高流量分相流量 统计模型可得到较好的含水率预测精度( 3 以内) 。最终，提供了较为可靠的基于 物理模型的水平井产出剖面测井解释方法。 关键词：油水两相流电导传感器电导探针传感器流型图流量测量 物理模型数值模拟 a b s t r a c t l n c l i n e da n dh o r i z o n t a lo i l w a t e rt w o p h a s ef l o wp h e n o m e n aw i d e l ye x i s ti n p e t r o l e u mi n d u s t r y , a n dm e a s u r e m e n to ft h ef l o wp a r a m e t e r si so fg r e a ts i g n i f i c a n c e f o ri n d u s t r i a l p r o d u c t i o np r o c e s sa n do p t i m i z a t i o n a so i l - w a t e rt w o - p h a s ef l o w s t r u c t u r e p r e s e n t sh i g h l yr a n d o m n e s s ，i n s t a b i l i t ya n dp o l y m o r p h i s m ，t h ef l o w p a r a m e t e r sa r ed i f f i c u l tt om e a s u r e t oa d d r e s st h i sc o m p l e xi s s u e ，r i n gc o n d u c t a n c e p r o b ea n dm i n i - c o n d u c t a n c ea r r a yp r o b ea r ed e s i g n e d a st h ec o n d u c t a n c ep r o b e ，a n d m i n i - c o n d u c t a n c ea r r a yp r o b es i g n a l sc a nr e f l e c tg l o b a la n dl o c a lc h a r a c t e ro ff l o w p a t t e r n si no i l w a t e rf l o w sr e s p e c t i v e l y , t h ed y n a m i c a le x p e r i m e n ta r ec a r r i e do u ti n t i a n j i nu n i v e r s i t ym u l t i p h a s ef l o wl o o pf a c i l i t y f l o wp a r a m e t e r sa r em e a s u r e d ，s u c h a st h ef l o wp a a e r nm a p so fi n c l i n e da n dh o r i z o n t a lo i l - w a t e rt w o p h a s e ，t h e c r o s s - c o r r e l a t i o nv e l o c i t yo fo i l - w a t e rm i x t u r e s a n dw a t e rv o l u m ef r a c t i o n t h e n o n l i n e a rd y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c so fi n c l i n e do i l w a t e rf l o w sa r es t u d i e db yu s i n g n o n l i n e a ra n a l y s i sm e t h o d s t h ef l o wp a t t e r nt r a n s i t i o ni nh o r i z o n t a lo i l w a t e rt w o p h a s ef l o wa r es t u d i e db yu s i n gt w of l u i dm o d e la n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e c h n i q u e s w a t e rc u ti nh o r i z o n t a lo i l - w a t e rf l o w sa r em e a s u r e db yc o m b i n a t i o no fc o n d u c t a n c e a n dc a p a c i t a n c ep r o b e t h ec r e a t i v ep o i n t so ft h i ss t u d ya r ea sf o l l o w s ： 1 t h ei n c l i n e do i l w a t e rt w o p h a s ef l o ws t r u c t u r ei n f o r m a t i o ni se x t r a c t e db yt h e c o m b i n e dm e a s u r e m e n to f r i n g c o n d u c t a n c e p r o b e a n d5 - c h a n n e l sa x i a l m i n i 。c o n d u c t a n c ea r r a yp r o b e s b a s e do nt h em e a s u r e ds i g n a l s ，t h ef l o wp a a e r nm a p s i nl a r g ed i a m e t e ro i l - w a t e rf l o w sa r ep r o p o s e da td i f f e r e n ti n c l i n e da n g l e s ，a n di tc a n b ec o n c l u d e dt h a tt h ep i p ed i a m e t e rh a sg r e a ti n f l u e n c eo nf l o wp a r e r nt r a n s i t i o n a l b o u n d a r i e s an e wc h a o t i ca t t r a c t o r m o r p h o l o g i c a la n a l y s i sm e t h o d ，p e r i m e t e r m e a s u r ea n a l y s i sm e t h o d ，i sp r o p o s e d ，w h i c hs t u d i e dt h ev a r i a t i o no fp e r i m e t e r m e a s u r ew i t ht h ee m b e d d i n gd e l a yt i m ei np h a s es p a c e t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a t t h eg r o w t hr a t eo fa t t r a c t o ra r e ai sa ni n v a r i a n tf e a t u r et od e s c r i b et h ea t t r a c t o r m o r p h o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c ，t h ep e r i m e t e rm e a s u r ei ss e n s i t i v eo ff l o wp a a e m t r a n s i t i o nb e t w e e nd i s p e r s e do i l i nw a t e rp s e u d o s l u ga n dd i s p e r s e do i l i nw a t e r e o u n t e r c u r r e n tf l o w , a n da g o o di d e n t i f i c a t i o nr e s u l t sh a v eb e e no b t a i n e df o rt h e s et w o w a t e rd o m i n a t e df l o wp a t t e r n s t h ep e r i m e t e rm e a s u r ew i l lp r o v i d ean e ww a yt o s t u d yt h en o n l i n e a rd y n a m i c sm e c h a n i s mo f f l o wp a t t e me v o l u t i o n 2 t h eh o r i z o n t a la n d n e a r - h o r i z o n t a lo i l - w a t e rt w o p h a s ef l o ws t r u c t u r e i n f o r m a t i o ni n2 0m mi dp i p e si se x t r a c t e db yt h ec o m b i n e dm e a s u r e m e n to fr i n g c o n d u c t a n c ep r o b ea n d8 - c h a n e l sr a d i a lm i n i c o n d u c t a n c ea r r a yp r o b e s b a s e do nt h e m e a s u r e ds i g n a l s ，f l o wp a t t e r n sm a p si n c l u d i n gs i xk i n d so ft y p i c a lf l o wp a t t e r n si n h o r i z o n t a lo i l - w a t e rf l o w sa r ep r o p o s e d t h ef l o wp a a e r nt r a n s i t i o n a lb o u n d a r i e sa r e c a l c u l a t e db yt w of l u i dm o d e l ，d i s p e r s e df l o wm o d e la n dp h a s ei n v e r s i o nm o d e l t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h eb o u n d a r i e sb e t w e e ns ta n ds t & m if l o wp a t t e r na r ed i f f e r e n t b e t w e e n e x p e r i m e n t s a n dp h y s i c a lm o d e l ，w h i l et h ee x p e r i m e n t a lt r a n s i t i o n a l b o u n d a r i e sb e t w e e ns t & m ia n ds e m i d i s p e r s e df l o wp a r e m s ( do w & w jd w o & do w ) ，a n ds e m i - d i s p e r s e df l o wa n df u l l d i s p e r s e df l o wp a t t e r n s ( do w , d w o ) a r ec o n s i s t e n tw i t ht h ep h y s i c a lm o d e l ，a n dt h ei n c l i n a t i o na n g l e sw i l lg r e a t l y e n l a r g et h ed i f f e r e n c e s t h e n u m e r i c a ls i m u l m i o nw o r ki nt h i ss t u d yw i l lp r o v i d ea f e a s i b l em e t h o dt ou n d e r s t a n d i n gt h ef l o wp a r e me v o l u t i o n 3 t h em e a s u r e m e n to fp a r t i a lp h a s ef l o wr a t ei nh o r i z o n t a lo i l w a t e rf l o w sa r e i n v e s t i g a t e db yu s i n gt h ec o m b i n a t i o ni n s t r u m e n to fc o n d u c t a n c ea n dc a p a c i t a n c e p r o b ed u r i n gt h ep r o d u c t i o nw e l ll o g g i n gi nh o r i z o n t a lw e l l s a st h ec o n d u c t a n c e p r o b ei ss e n s i t i v et ow a t e rc o n t i n u o u sf l o wp a t t e m s ，a n dt h ec a p a c i t a n c ep r o b ei s s e n s i t i v et oo i lc o n t i n u o u sf l o wp a a e r n s ，c o n s i d e r i n gt h ea c t u a le x p e r i m e n t a lr e s p o n s e c h a r a c t e r , t h ef o l l o w i n gm e a s u r e m e n ts o l u t i o n sa r ep r o p o s e d ，f o rt h et o t a lf l o wr a t ei n t h er a n g eo f2 0 - 5 0m 3 d ( 1 0 wf l o wr a t er a n g e ) ，t h ec a p a c i t a n c ep r o b ei su s e dt o m e a s u r ep a r t i a lp h a s ef l o wr a t e ，a n df o rt h et o t a lf l o wr a t ei nt h er a n g eo f10 0 - - - 2 0 0 m d ( h i g hf l o wr a t er a n g e ) ，t h ec o n d u c t a n c ep r o b ei su s e d f o rt h el o w f l o wr a t er a n g e ， w h e r ee x i s tm o r es l i pe f f e c tb e t w e e no i la n dw a t e rp h a s e ，w ee s t a b l i s hav a r i a b l e c o e f f i c i e n td r i f tf l u xm o d e la n dt h ep r o p o s e dm o d e lh a sb e t t e rw a t e rc u tp r e d i c t i o n p r e c i s i o n ，c o m b i n a t i o nw i t ht h es t a t i s t i c a lm o d e li nh i g hf l o wr a t er a n g e ，w a t e rc u t p r e d i c t i o np r e c i s i o ni s l e s st h a n3 f i n a l l yw ep r o v i d ear e l i a b l ew e l ll o g g i n g i n t e r p r e t a t i o nm e t h o do fh o r i z o n t a lw e l lp r o d u c t i o np r o f i l eb a s e do nt h ep h y s i c a l m o d e l k e yw o r d s ：o i l w a t e rt w op h a s ef l o w , r i n gc o n d u c t a n c ep r o b e ，a r r a ym i n i c o n d u c t a n c e p r o b e ，f l o wp a t t e r nm a p s ，f l o wm e a s u r e m e r l t ，p h y s i c a lm o d e l ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得岙壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作撇：字描汐妒字嗍彤年分月名日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞鲞态茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 糸物池 签字日期7 年棚枷 导师签名： 签字日期山1 年了月战日 天津大学博士学位论文 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 多相流现象普遍存在于石油、化工、制药、生物、核反应等诸多领域，而油 水两相流现象，包括垂直、倾斜以及水平油水两相流，均普遍存在于石油工业的 各个环节，如油藏、石油开采、储运及加工等过程中。在这些工业领域中，多相 流分相流量、各相含率等流动参数测量对油田生产过程优化具有重要意义。 在油田开发中，油井产能的动态监测主要依赖于产液剖面测井资料。随着油 田开发的进程，一方面，我国大多数陆上注水开发油田已进入高含水生产阶段， 导致油气储集层和油井内的油气水分布发生很大变化；另一方面，随着水平井技 术应用规模的快速扩大，对水平油井产液剖面测井的需求也日益迫切。这是因为 产液剖面测试是水平井开发的重要配套技术之一，在油田开发中起着关键作用。 产液剖面资料是优化注采方案、指导压裂、堵水等作业并评价其效果的不可缺少 的依据。与垂直井相比，水平井产液剖面资料的价值更为重要。在水平井开发过 程中，一旦发生局部水淹会导致全井含水急剧上升，严重影响开发效果，甚至导 致油井的废弃。产液剖面测井可以了解是否有水突进、确定水的突进位置，对油 井暴性水淹的防治起到重要作用。随着水平井应用规模的扩大，油水井地质工程 问题也不断出现，产液剖面测井资料不完备对水平井高效开发的制约作用已日益 突出。 与垂直井相比，水平井产液剖面测井是一个挑战。首先，井下仪器无法依靠 重力到达待测水平段，必须借助专用装置的驱动；其次，水平和近水平条件下井 内流体的流动状态与垂直井截然不同，常规的用于直井的技术由于测井环境的改 变和技术原因无法直接应用，使流量和各相组分的测量非常困难。同高产液量的 自喷井相比，国内油田占绝对数量的中低产液机采水平井的测井难度进一步加 大。因单井产量低，国内水平井普遍采用机采举升方式，对下井仪器输送的空间 限制更为苛刻；低流速下油水相间的重力分异作用加剧，流型复杂多变，对井斜 的微小变化非常敏感，流量和含水率的准确测量更难实现。 随着水平井开采量的加大，同时在油田生产过程中，尤其在油田开发中后期， 产出液含水率与日俱增，从地层中的岩石孔隙到井筒就会更多地遇到水平油水混 合流动现象，而地面上的出油管道和输送系统中，水平管道又是最基本的管型。 第一章绪论 在这种情况下，研究水平油水两相流动的流变特性及其在集输管线中的流动规律 具有十分积极的意义。 流型是影响流动参数准确测量的重要因素，由于流型的复杂多变，依靠单一 传感器难以实现流动参数的准确测量，对于难以用数学模型精确描述的流体动力 学特性更显得无能为力。近年来，越来越多的学者尝试将传感器与非线性分析、 现代数据融合等方法结合起来以实现流型的智能识别，并取得了较好的研究结 果。同时，基于微型传感器阵列，如微型转子流量计，微电导光纤探针阵列等 的局部参数测量研究取得新进展，由于此类微型传感器体积小，不破坏流型演化， 能够胜任复杂流型条件下的局部参数测量。 本项研究在国家自然科学基金项目的资助下，开展了基于多传感器阵列数据 融合的倾斜及水平油水两相流测量方法及流动特性研究，为解决复杂混相流体流 量测量问题提供了新思路。 1 2 两相流流动参数 流： 在两相流流动参数研究中，主要考察以下参数。 两相流体积流量指在单位内流经某一截面的流体总体积绋，对于油水两相 鳞= q o + 瓯 式中，q 表示油相体积流量，q 表示水相体积流量。 单位时间内管道截面上通过的各相体积流量与总管截面积之比为各相表观 速度： 叱= 鲁，= 盟a ( 1 - 2 ) 式中，叱表示油相表观速度，表示水相表观速度，彳表示管截面积。 单位时间内管道截面上通过的各相体积流量与所占管截面积之比为各相实 际速度： 乩= 譬，虬= 譬 ( 1 - 3 ) 式中，虬表示油相速度，玑表示水相速度，4 表示油相所占的管截面积，4 表 示水相所占的管截面积。由于各相所占面积均小于管截面面积，因此各相实际速 天津大学博士学位论文 度总是大于表j 5 1 l l 运度。 各相体积含率是指单位时间内流过管截面的两相总流量g 中各相所占的体 积分数，即 疋= 孬q 瓦o，e ，= 彘 ( 1 4 ) 式中，疋为含油率，k 。为含水率。由上述两式可知 老= 惫 m 5 ， u 。k 。 、 各相持率又称为真实含率或折算含率，是指在两相流动中各相所占面积与总 管截面积之比，即持油率艺和持水率l 分别为 艺= 鲁，匕普a ( 1 - 6 ) 各相宴际谏摩与表观谏摩之间的关系为 眈= 告， 口 【，：堡 。” l ， jw ( 1 - 7 ) 两相混合速度，又称为总表观速度或总平均流速，是指总体积流量与管 截面积之比 。 显然 = 哗( 1 - 8 ) = u 。+ ( 1 9 ) 油水速度比s 定义为油相实 际速度乩和水相实际速度玑，的比值，即 趾乩v o ( 1 1 0 ) 由公式( 1 - 7 ) 、( 1 - 1 0 ) 可知 s = 可k oi f k , , ( 1 - 1 1 ) 只z 。 、 油水滑脱速度是油相实际速度与水相实际速度之差，即： 第一章绪论 1 3 油水两相流流型 u 。= u o u 。 ( 1 1 2 ) 在多相流动过程中，相界面分布呈现不同的几何形状或流动结构，称为两相 流流型。由于相界面的形状和分布在时间和空间上随机可变，而相间又存在不可 忽略的相对速度，致使流经管道的分相流量比和分相所占管截面比并不相等，从 而导致多相流流型的复杂多样。流型的形成取决于流体密度、粘度、管径、倾角 以及各相流量等多种因素，其中起主要作用的是各相流量和倾角。 流型的复杂多变给多相流参数的准确测量带来了极大困难，使得流型的描 述、表征、识别等相关研究成为多相流研究领域的一个重要方向。对于油水两相 流，早期的研究者主要集中于垂直上升管内油水两相流流型识别与参数测量问 题。随着大斜度井和水平井钻井数量的日益增多，倾斜油水两相流和水平油水两 相流流量测量问题变得十分迫切，而由于倾角变化导致的斜井、水平井的流型与 垂直井中的流型区别很大，导致在垂直井中的测井仪器无法工作在大斜度井、水 平井中。本文主要研究在倾斜上升管内油水两相流和水平油水两相流，对于这两 种情况，其流型的划分也是不同的。 油水两相流由于两相介质均为液体，且密度相近，所以其流动特性与气液两 相流有很大的不同，不能按照气液两相流流型分类方法进行划分。从二十世纪五 六十年代开始，世界各国的研究者就对倾斜水平油水两相流进行了相关研究， 不同的研究者对流型的分类也不一样，这主要是由以下三类原因造成的：流 型测量方法不同。由于受实验条件限制，早期的学者通常采用目测法划分流型， 有很大的局限性；研究人员一般通过实验手段对水平油水两相流流型进行研 究，实验中选用的管道材质、管径大小到油品的不同，都会导致得到的结果不同； 即使实验条件完全相同，研究人员的主观性也会使得流型的命名存在差异。 1 3 1 垂直上升管内油水两相流流型 垂直上升管内油水两相流流型研究始于2 0 世纪6 0 年代，g o v i e r 等1 1 ( 1 9 6 1 ) 在内径为1 0 4 英寸的垂直管中观察到有4 种流型，分别为泡状流( b u b b l e ) 、段塞 流( s l u g ) 、泡沫流( f r o t h ) 以及乳化流( m i s t ) 。z a v a r e h 掣列( 19 8 8 ) 在内径l8 4m m 的垂 直管内观察到4 种流型，分别为泡状流( b u b b l e ) 、分散泡状流( d i s p e r s e db u b b l e ) 、 反相泡状流( i n v e r s e db u b b l e ) 以及反相分散泡状流流型( i n v e r s e dd i s p e r s e d b u b b l e ) 。1 9 9 7 年，美国t u l s a 大学的f l o r e s 掣3 j 在内径5 0 8m m 的垂直管中观察到 如图1 1 所示的6 种油水两相流流型，其中水为连续相的流型包括水包油的分散 天津大学博士学位论文 油泡流( d i s p e r s i o no w ) 、水包油的细小分散油泡流f 、奸yf i n ed i s p e r s i o no n ) 、水 包油的过渡流型( o wc h u m ) ；油为连续相的流型包括油包水的过渡流型( w o c h u m ) 、油包水的分散液滴流( d i s p e r s i o nw o ) 以及油包水的细小分散液滴流( v e r y f i n ed i s p e r s i o nw o ) 。f l o r e s 对垂直管内油水两相流流型的分类方式得到了普遍认 可。此外，对于高粘度油- 水两相流来说，还存在环状流流型，b a n n w a r t 和r o d d g u c z 等5 i 在2 0 0 4 和2 0 0 6 年对粘度为4 4 8m p as 、密度为9 2 55 k g m 3 的重质原油一水 两相流系统进行流型研究，发现在垂直管和水平管中均存在环状流流型。2 0 0 9 年l i n 等h 则倾向于在垂直管中划分4 类流型，分别是：细小分散的泡状流、 较大泡的泡状流、间歇流( 包括s l u g 和p l u g 流型) 、环状流，显然l i n 的流型划分 方案不考虑连续相组分，而仅考虑了两相分布状态，而f l o r e s 对垂直管内油水两 相流流型划分考虑了连续相之间的差别。此外，s c h l u m b e r g e 一( 1 9 7 3 ) 的研究人员 采用持水率划分流型，指出由泡状流到雾状流，持水率变化范围在o2 5 - 03 0 之 间，在这两种流型转换过程中，存在一个段塞流动的不稳定状态。钟兴福等i s l ( 2 0 0 1 ) 利用阻抗式传感器测得的波动信号进行了油水两相流流型混沌表征研究，并通过 观察方法对1 2 5 r a m 管径内垂直上升油水两相流流型进行了分类。李明忠等 9 ( 2 0 0 2 ) 采用快关阀法对垂直上升管内的持术率预测方法进行了研究。j i n 等 ”( 2 0 0 3 ) 基于运动波理论建立了垂直上升管中油水两相流流型转化边界。z h a o 等 ( 2 0 0 6 ) 应用双电导探针测量系统，得到垂直上升油水两相流分散相的局部含率 分布结果。 噻霆蘑蘑 ( 时d o w0 ) v f do w忙) o ，w c h u r n ( d h 怕c h u r n ( e ) d w o ( o v f d w o 圈i - 1 垂直上升油水两相流漉型分类( f l o r e s l 目1 9 9 7 ；管内径d ；5 08 r a m ) 1 3 2 倾斜上升管内油水两相流流型 由于受到重力分量的影响，倾斜上升营内油水两相流流型明显区别于垂直或 水平情况。从2 0 世纪6 0 年代起，人们就开始了对垂直和水平条件下的油水两相 流流型的研究。而倾斜油水两相流流型研究是伴随着对相速度及相含率等流动参 数测量需求而出现的，当时人们已经发现在相同油水配比条件下，涡轮流量计和 第一章绪论 持水率计等测井仪器在垂直井和斜井中的测量结果产生较大偏差，倾斜油水两相 流比垂直或水平油水两相流的流型更复杂。8 0 年代出现了倾斜油水两相流相关研 究的第一次高潮。主要有m u k h e r j e e ( 1 9 8 1 ) 、h i l l ( 1 9 8 2 ) 、d a v a r z a n i ( 1 9 8 5 ) 、 z a v a r e h ( 19 8 8 ) 及v i g n e a u x ( 19 8 8 ) 等学者。 早期，倾斜油水流动研究多基于半经验半理论方法。m u k h e r j e e 等 ( 1 9 8 1 ) 在3 8 1 c m 的管径条件下考察了倾角和含水率对持水率和压力梯度的影响，发现 在倾斜上升管中发生相态逆转时摩阻压降的极大值与倾斜角度有关，在总流速为 2 1 2 f t s 时，相态逆转点的持水率接近0 5 ，但没有给出对流型的观察描述结果。 h i l l 和o o l m a n 忆 ( 1 9 8 2 ) 在内径为1 5 2 c m 的管径条件下发现倾角的微小变化会引 起涡轮流量计所测局部速度剖面出现极大变化。他们观察到油相和水相在倾斜时 分层流动，油相沿管道上部快速流动，而在管道底部形成滚波逆流。当倾角离开 垂直方向超过1 5 0 时，安装在管道底部的涡轮甚至出现倒转现象。揭示了倾斜油 水两相流流型明显不同于垂直情况。d a v a r z a n i 等【1 3 1 ( 1 9 8 5 ) 在内径1 6c 衲的倾斜3 0 0 上升管内观察到层状流和层状波动流两种油水两相流流型。z a v a r e h 等1 2 ( 1 9 8 8 ) 对 内径1 8 4c m 的倾斜上升管中油水两相流进行了实验研究，发现逆塞泡状流这种 新流型，并描述了逆塞泡状流、分散泡状流以及逆塞分散泡状流的流型结构图。 v i g n e a u x 等【1 4 1 ( 1 9 8 8 ) 使用高频阻抗探针发现在管径2 0c m 的条件下倾斜油水两相 流的持水率梯度分布和流型密切相关，并观察到两种流型：一是管道上部油相以 间歇性的泡群流动，在油泡群下面出现水相逆流；二是管道顶部油泡群几乎连续 并快速向上流动，底部存在水的逆流。这两种流型的描述与后面f l o r e s 所定义的 拟段塞水包油流型( do wp s ) 和局部逆流水包油流型( do wc t ) 是一致的。 进入9 0 年代，倾斜油水两相流进入新的研究高潮。t a b e l i n g 等i l 纠( 1 9 9 1 ) 谢j 管径、平均持水率和倾角是影响流型的主要因素，而总流量的影响则很小。基于 “等效混合层”思想提出持水率的局部结构现象模型，以倾角和持水率为坐标建 立了包含4 种流型的倾斜油水两相流流型图，这4 种流型具有不同的持水率梯度 分布特点。d i n g 等( 1 9 9 4 ) 对1 6 5c m 管径的倾斜油水两相流几种持水率模型进 行了比较，发现改进的漂移流动模型可有效用于垂直和倾斜油水两相流，倾角对 流动参数和流型都有很大的影响。他们观察到在倾斜3 0 0 时，管道上层为分散油 泡，中间为混乱的油水混合体，底部水相出现间歇性逆流流型；当倾角为6 0 0 时， 出现大量的水相循环滚动的逆流流型；当倾角为7 5 0 时，出现清晰的分层流流型。 h a s a n 等【1 。飞1 9 9 8 ) 利用漂移速度方法对泡状流、拟段塞流和湍流这三种水为连续 相流型的油水流动规律进行研究，发现油相漂移速度取决于它的就地体积百分数 及单泡在滞留相中的极限上升速度，并给出了泡的极限上升速度和倾角的关系 式。f i o r e s 等【3 ( 1 9 9 9 ) 舜j 管径为5 0 8 c m 的倾斜油水两相流进行了综合实验研究， 天津大学博士学位论文 并分为7 种流型( 图1 - 2 ) ，包括4 种水为连续相的流型，2 种油为连续相的流型和 一种过渡流型，其中承为连续相的流型分别为拟段塞水包油流型d0 ，wp s 、局 部逆流水包油流型d o w c t 、平行流水包油流型do ，w c c 和油相乳化的水包油 流型v f d o a v 油为连续相的流型为油包水流型d w o 和水相乳化的油包水流型 v f d w o 。 园。营毋 图i - 2 额斜上升油水两相流流型分类( f l o r e s p l ，1 9 9 7 ；管内径d 15 08 m m l u c a s i f l j i n ( 2 0 0 l a , 2 0 0 1 b ) ”哪对倾斜油水两相流漂移通量模型进行了研究， 发现相分布系数及单泡在滞留相中的极限上升速度与倾角有较大关系，同时他们 发现电导式相关流量计测量得到的相关速度不仅与倾斜油水两相流流量有关，而 且也依赖于流型变化，尤其当倾角为6 0 咐，流型对相关测速的影响更是显著。 d o n g 等”( 2 0 0 1 ) 探讨了电阻层析成像方法识别流型的可能性，并初步获得了倾斜 油水分层流动的图像重建结果。o d d i e 等8 ”( 2 0 0 3 ) 在1 5 c m 的管径条件下采用多种 持水率计对0 0 9 2 0 之间倾斜油水两相流和油气水三相流流动参数进行了实验研 究，他们在每个角度下有9 个油水两相流实验测点，而且在颤角小于7 0 咐流型 分为半混合、分散流和均匀流三种种流型。l u m 等吲( 2 0 0 6 ) 在3 $ c m 的管径条件 下发现倾斜8 0 0 和8 5 0 时存在油塞流流型，而在9 5 0 时层状拨动流消失。由于倾斜 角度接近水平，因此其流型分类和命名均源于水平油水两相流流型。 国内关于倾斜油水两相流的研究始于9 0 年代末期，目前已引起越来越多的 重视，但是大都基于生产测井的实际需求出发，考察倾斜对流量和相含率的影响， 而对具体流型的研究仍然桓少。罗彦生等”在倾角从垂直方向开始o 6 0 。范围 内进行了集流型涡轮流量计和电窑法持水率计的组合测量实验；赵忠健等 2 4 、钟 第一章绪论 兴福等【2 5 】等、戴家才等【2 6 】均采用类似组合测量方法进行斜井实验，回避了流型 对流量参数测量带来的影响。 从二十世纪9 0 年代开始，研究者们开始采用数值模拟方法对倾斜油水两相 流进行研究。m o b b s 和l u c a s l 2 。7 】( 1 9 9 3 ) 对倾斜液液两相流流动结构进行了数值模 拟，并提出了大幅度k e l v i n h e l m h o l t z 漩涡波定性特征的数学模型，研究表明这 种漩涡波周期性的生长和衰落，其幅度最大可与管径相当。l u c a s 等【2 8 ( 1 9 9 5 ) 建 立了倾斜油水两相流流速剖面数学模型，该模型在倾斜管道顶部和中间区域的速 度剖面预测结果与实验结果较为接近，而在管道底部与实验结果偏差较大。 b r a u n e r ( 2 0 0 2 ) 2 9 】从双流体模型出发，对近水平条件下的液液两相流，如层流非 层流的相互转化、相态逆转等流型边界进行了综合研究。发现e o t v 6 s 数、液体速 度、流体相间密度差、表面张力、黏度等流体物性参数对流型均有影响，但其研 究成果尚未见推广到大斜度油水两相流情况。 1 3 3 水平油水两相流流型 当倾斜角度达到9 0 0 时，管道为水平状态。在总流速不高时，由于重力的分 离作用使得密度不同的油水两相产生分层现象，出现清晰的油水界面并表现为分 层流型；而当总流速足够高时，流体动能足以克服重力作用而表现为分散流型。 水平油水两相流流型研究最早始于1 9 5 9 年，r u s s e l l 等( 1 9 5 9 ) p 0 】在矿物油水 两相流实验中，观察到分散流型、分层流型和混合流- 3 种流型；在随后的6 0 - 7 0 年代，相关研究逐渐展开。c h a r l e s 等1 3 1 1 ( 1 9 6 1 ) 在直径2 6 4m m 的水平管内研究了 等密度的油水两相流；之后以h a s s o n l 3 2 1 ( 1 9 7 0 ) 、g u z h o v l 3 3 1 ( 1 9 7 3 ) 、 m a l i n o w s k y l 3 4 1 ( 19 7 5 ) 、o g l e s b y 3 5 1 ( 19 7 9 ) 等学者为代表，对水平油水两相流流型进 行了一系列的实验研究，其实验在小尺寸的玻璃管或有机玻璃管内进行，主要依 靠肉眼观察分辨流型，对流型的定义和判别存在较大的主观性，此阶段也没有提 出任何流型转换理论准则，尚处于对各种流型的感性认识阶段。 二十世纪8 0 9 0 年代是油水两相流研究的一个高潮。a r i r a c h a k a r a n 等 3 6 1 ( 1 9 8 9 ) 在直径为2 5 1 m m 的水平管中，观察到分层流、混合流、环状流、间歇流和分散 流5 种流型，并得出流型图。t r a l l e r o 掣3 7 1 ( 1 9 9 6 ) 通过对前人工作的总结，在矿物 油水两相流流型实验研究的基础上，提出了两大类6 种具体的水平油水两相流 流型( 图1 3 ) ，分为分层流和分散流两大类：其中分层流包括界面清晰的分层流 ( s t ) 、界面混合的分层流( s t & m i ) 流型；分散流包括上层水包油下层水的分散流 (