水平气液分层流流速剖面实验测量研究.docx

1、第34卷第6期2010年12月测井技术WELLUXXilNGTECHNOLOGYVol.34No.6Dec2010文章编号:1004-1338(2010)06-0532-05水平气液分层流流速剖面实验测量研究马丽勤L王立恒之，王栋2（1.中国石油辽河油田公司钻采工艺研究院，辽宁盘锦124010；2.西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，陕西西安710049）摘要:根据工程实际，建立了水平注汽井内气液分层流动的1:1实验模型。用皮托管测量了分层流中各相流速,得到了分层流速度分布规律。借助分层流计算模型完成了分层流中速度分布与典型的单相流体流动速度分布的对比,得到了分层流速度分布的数学描述方法

2、。气相流场上部与下部具有不同的速度分布特性，上部与下部速度分布可分别用单相流体流经光滑管和单相流体流经完全粗糙面时的无量纲速度分布表达式来描述，最大偏差都不超过10%;液相速度分布接近线性，只有在较接近下管壁面的区域液相速度分布才可用单相流体流经光滑管的无量纲速度分布表达式来描述。关键词：水平注汽井；分层流；皮托管；速度分布；数学描述中图分类号：0359文献标识码：AAnExperimentalStudyonVelocityDistributionofGas-liquidStratifiedFlowinHorizontalSteamInjectionWellMALiqin1,WANGLihen

3、g2,WANGDong2(1.CNPCLiaoheOilfieldDrilling&ProductionTechnologyResearchInstitute,Panjin,Liaoning124010,China；2.StateKeylaboratoryofMultiphaseFlowinPowerEngineering,Xi'anJiaotongUniversity,Xi'anShaanxi710049,China)Abstract:Basedontherealloggingconditions,a1:1experimentalmodelisfoundedabout

4、gasliquidstratifiedflowinhorizontalsteaminjectionwell.ThevelocityineachphasewasmeasuredbyPitottube,andthenthevelocitydistributioncharacteristicwasobtained.Furthermore»byvisingthestratifiedflowcalculationmodel,comparedisthevelocitydistributionofstratifiedflowwiththevelocitydistributionoftypicals

5、ingle-phaseflow.Analysisresultsdemonstratethatthevelocitydistributioncharacteristicsaredifferentintheupperandthelowerpartofgasflowfield,andthevelocitydistributioncanberepresentedbythedimensionlessformulaeproposedforsinglephaseflow.Theformulaforthehydraulicsmoothpipeisused,whereasinthelowerpartthefor

6、mulaforthecompletelyroughregimeisused(maximumerrorsbothlessthan10%).Inliquidthevelocitydistributionisclosetolinearandonlyinthevicinityofthebottompipewallcantheliquidvelocitydistributionberepresentedbythedimensionlessformulaproposedforsinglephaseflowthroughthehydraulicsmoothpipe.Keywords:horizontalst

7、eaminjectionwell,stratifiedflow,Pitottube,velocitydistribution,mathematicdescription基金项目：国家自然科学基金资助项目（编号：50776071）作者简介：马丽勤，女，硕士研究生，主要从事稠油蒸汽驱、SAGD及水平井测试技术研究。0引言气液分层流是气液两相流中的基本流型，广泛存在于气液两相流系统中。深入开展水平注汽井内气液分层流的测量研究,为现场生产测井提供指导,直接关系到能源的有效利用和石油的产出率。速度分布是研究气液分层流必不可少的一部分。如今对水平管内分层流速度分布的研究还很不够，研究结果大都是关于速度分布

8、规律的定性分析"对，而定量的研究结果却很少。本文建立了实验研究模型，对水平注汽井内气液分层流的速度分布进行了系统深入的研究。根据工程实际建立了1:1的实验模型,利用气液两相流研究中惯用的方法，采用空气水为工质模拟蒸汽-水的流动，在大型多相流实飨平台上,完成了气液分层流速度分布的测量，得到速度分布规律;另外，还对分层流中速度分布进行了更深入地探讨，借助Taitel分层流理论计算模型将分层流中速度分布与典型的单相流体流动的速度分布进行了对比，得出了气液分层流速度分布数学描述方法。1实验装置及方法实羚在西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室的大型油气水三相流实验台上进行。为便于观测，实验

9、段由内径160mm透明有机玻璃管制成（筛管完井的水平井井筒内径为160mm左右），长10m,水平布置。实验段测量系统见图lo气体和液体的流速由美国Dwyer公司生产的L型ASME标准皮托管测量,精度为2%；皮托管由2根套装在一起的同心测压管组成（见图1）。其中,中心管的开口正对流体的流动方向，所测量的压力为流体的全压,而套管的开口则位于皮托管的侧面,与流动方向相切，测量的是流体的静压。全压与静压之差称为皮托管的差压，该差压与流速之间的关系为P=（1）式中,为皮托管差压;P为被测流体的密度;。为流速。根据式（1）,在测得差压后就可以计算出流体的流速c在本文中，测量气体流速时,皮托管差压采用Dwy

10、erMS-121微差压计测量，精度为2%,测量液相流速时采用上海贵谷公司生产的DP1000-III微差压计测量,精度为1%;水位高度及持液率由电容探针精确测量。电容探针由1根外表绝缘的细导线（直径为0.5mm）和1根裸导线组成。由于自然界中的水都具有一定的导电性，因此探针中的裸导线与水成等电位体,而绝缘导线与水构成1个特殊的电容器。该电容器的1个电极就是该导线的金属芯，另一个电极就是水，绝缘线表面的绝缘材料则充当了电介质。电容器的电容值与水位高度成正比C2ttL用DwyerMS-121微差压计测量，精度为2%,测量液相流速时采用上海贵谷公司生产的DP1000-III微差压计测量,精度为1%;水

11、位高度及持液率由电容探针精确测量。电容探针由1根外表绝缘的细导线（直径为0.5mm）和1根裸导线组成。由于自然界中的水都具有一定的导电性，因此探针中的裸导线与水成等电位体,而绝缘导线与水构成1个特殊的电容器。该电容器的1个电极就是该导线的金属芯，另一个电极就是水，绝缘线表面的绝缘材料则充当了电介质。电容器的电容值与水位高度成正比C2ttL(2)In（泛）式中,C为探针的电容值;e为绝缘材料的介电常数;，为水位高度混为绝缘线的外径;刁。为绝缘线金属芯的直径。根据式（2）,在测出电容值后就可以确定水位高度，进而根据几何关系计算出持液率。在实验中,探针的电容值由美国Fluke公司的PM6304测量仪

12、测得，精度0.1%;实验段压力采用日本横河STD920压力变送器测量，误差小于1%;温度采用玻璃温度计测量，其最小刻度为0.1C。利用NI6023E高速数据采集卡采集数据，实验中采样频率为2kHz。实验在同一管道截面内对气体和液体流速进行测量，测点布置在3条径向直线上（见图2,+表示测点位置），3条测量线与水平方向夹角分别为0°、45。、90。,根据分层流流场的左右对称性，与水平方向夹角为135。,径向线上不用布置测点。气相中测量线上每10mm设1个测点，液相中每5mm设1个测点。2结果与讨论2.1分层流速度分布规律图3为3条测量线上典型气相速度分布图。在!.00.60.64).6v

13、/(ms1)3条测量线上气相速度分布图3-90°45°'0°气液界面位置U.=5.0nVsU.=0.01nVs02¥、-0.2-图2所示管道截面内,取管道轴心。为极点,r/R为测点径向位置与管道半径之比，在4590°测量线上，离开。点靠近液相一侧r值取负，另一侧为正;在0°测量线上，离开O点向右厂取正，向左取负。p为测点气体流速,Usg为气相折算流速,Us为液相折算流速。由图3可知，管道水平中轴面以上区域3条测量线上气相速度分布曲线能较好重合，表明在该区域内与管道轴心距离相等的点速度值很接近，这类似于单相流体管内流动的速度分布

14、特点。从图3还可以看出，3条测量线上都存在流速最大值点，0°测量线上最大值点两侧速度对称分布，而45。和90。测量线上最大值点两侧速度分布不再对称，靠近气液界面一侧速度梯度较大。这是由于在45°和90°测量线上，气体在上部与管道壁面接触，卜部与气液界面接触，管壁面为水力光滑面,而下部的液体流速较低,而且气液界面为波动的界面，这样造成气液界面摩擦阻力系数较大，因此气体在气液界面附近受到阻力较大，使得速度梯度也较大。图4给出了90。测量线上分层流中液相速度分布e为测点液体流速，丁为测点到下管壁距离，。为管道直径。由图4可知，在90。测量线向上，从下管壁面附近的测点到气

15、液界面附近的测点，液体流速呈现逐渐增大的趋势，速度接近线性分布，这与典v/(ms'*)图490。测量线上液相速度分布型单相流体管内流动速度分布有较大差别，表明波动的气液界面对液相速度分布的影响很明显。2.2分层流速度分布数学描述方法由图3分析得知，在管道水平中轴面以上区域的气相速度分布具有单相流体管内流动速度分布的特点，而在靠近气液界面区域的气相速度分布则较明显地受到气液界面的影响。而且,根据分层流相分布特点,气体在上部与管道壁面接触，管壁面为水力光滑面,气体在下部与波动的气液界面接触，界面可看作完全粗糙面。由此可以推断这2个区域的速度分布特点应各不相同，管道水平中轴面以上区域速度分布

16、可能与单相流体光滑管内流动的速度分布类似，而靠近气液界面区域速度分布可能与单相流体流经完全粗糙面时的速度分布类似。为验证以上推断,将管道水平中轴面以上流通区域的气相速度分布与单相流体光滑管内流动速度分布进行对比;在靠近气液界面区域，将速度分布与单相流体流经完全粗糙面时的速度分布进行对比。在研究光滑管内单相流体紊流速度分布时在紊流核心区(到管壁面的无量纲距离,+>30)常用速度分布关系式为无量纲关系式(3);研究单相流体流经完全粗糙面时，常用速度分布关系式为无量纲关系式(4)。"=5.5+5.75lgV(3)"=B+5.75lgy/ks(4)式中，无量纲速度J=p/p*

17、,为测点流体流速P与摩擦速度p之比;=乂/I"为工质运动黏度；奴为界面表观粗糙度;系数B通常是界面粗糙度的函数,在完全粗糙区可取为6.3。由图3分析得知，管道水平中轴面以上区域3条测量线上气相速度分布曲线能较好重合，表明在该区域内与管道轴心距离相等的点速度值很接近，因此在该区域内只用任选1条测量线上的数据进行分析即可。图5得到了管道水平中轴面以上区域气相速度分布与单相流体光滑管内流动速度分布对比图（图5中选取了该区域内90。测量线上的测点数据），各测点数据利用式（1）计算，其中以为测点到管壁的距离，计算摩擦速度时，气相与壁面的剪切应力q用Taitel分层流计算模型求得，相应摩擦阻力系

18、数九用Blassius方程计算。由图5可知，在管道水平中轴面以上流通区域内，所有工况的数据点都与单相流体光滑管内流动速度分布规律线良好符合（最大偏差不超过10%）。图5管道水平中轴面以上区域气相速度分布与单相流体光滑管流速度分布对比图6靠近气液界面流通区域气相速度分布与单相流体流经完全粗糙面速度分布对比图6为靠近气液界面流通区域气相速度分布与单相流体流经完全粗糙面的速度分布对比图。图6中选取了该流通区域内45。和90°这2条测量线上的测点数据，各测点数据利用式（2）计算。其中，表观粗糙度奴按照文献5中的方法确定，计算摩擦速度时，气液界面剪切应力弓用Taitel分层流计算模型求得，相应

19、摩擦阻力系数采用文献5中的计算方法。设测量截面内由下管壁面竖直向上为K坐标轴，用来确定该区域各测点的丁坐标值。由图6（a）和图6（b）可知,在靠近气液界面的气相流通区域内，所有工况的数据点都与单相流体流经完全粗糙面的速度分布规律线良好符合（最大偏差不超过10%）。由以上分析，根据研究可以得出，在管道水平中轴面以上的气相流通区域，即图7所示的区域I,速度分布可用单相流体光滑管内流动的无量纲速度分布表达式（1）描述（最大偏差不超过10%）;在靠近气液界面的气相流通区域，即图7所示的区域n，速度分布可用单相流体流经完全粗糙面的无量纲速度分布表达式（2）描述（最大偏差不超过10%）；对于2个角形区域，

20、即图7所示的区域RI,文献口研究提出2个角落是2个流场扰动源，使得该区域特别是图7气相流通区域划分示意图在接近2个角落的区域速度分布十分复杂。因此,该区域气相速度分布特性还需进一步专门研究。利用无量纲表达式（1）,采用与气相类似的计算方法，利用90°测量线上测点数据，得到了液相速度分布与单相流体光滑管内流动速度分布对比图（见图8）。由图8可知，各工况速度分布均位于单相流体光滑管内流动的速度分布规律线之上，而且表现为逐渐偏离规律线，只有在下部一少部分数据点与规律线符合较好。这就表明，只有在比较靠近下管壁的流通区域内液相速度分布才与单相流体管内流动的速度分布类似。速度分布偏离到图8中规律

21、线的上方，是因为在气液界面处液体受到了与其流动方向相同的界面切应力的作用。从图8还可以看出，测点到下管壁面的无量纲距离J/+约为125时各工况速度梯度突然增大，速度分布开始远离图8中的速度分布规律线。因此在90。测量线及其临近区域，可取夕+=125作为界限,在丁+V125的区域，各工况速度分布与图8中规律线的偏差均不超过10%，速度分布可以用无量纲表达式（1）描述;在Z>125的区域，各工况的速度分布与图8中规律线的偏差均超过+10%,表明该区域速度分布受到气液界面的影响已十分明显。图8分层流液相速度分布与单相流体光滑管流速度分布对比3结论（1）本文将气液分层流气相流通区域划分为管道水平

22、轴面以上区域，靠近气液界面区域和2个角形区域。在管道水平轴面以上区域受气液界面影响较小，气相速度分布具有单相流体管内流动的速度分布特点，速度分布可用单相流体光滑管内流动的无量纲速度分布表达式描述（最大偏差不超过10%);在靠近气液界面区域受气液界面影响较大,气相速度分布可用单相流体流经完全粗糙面时的无量纲速度分布表达式描述(最大偏差不超过1。);而2个角形区域内的速度分布特性有待进一步研究。(2)分层流液相中，在90。测量线及其临近区域,从下管壁面附近的测点到气液界面附近的测点,液体流速呈现出逐渐增大的趋势，速度分布接近线性。只有在较接近下管壁面的区域(无量纲距离了+<125)液相速度分布可用单向流体光滑管内流动的无量纲表达式来描述(最大偏差不超过10%),而Z>125的区域为速度分布受到