韩悦 李梦杰

摘 要：为正确预测气井井筒气液两相流动规律，在多相流实验平台上开展了不同管径（28、60 mm）和不同压力（0.10、0.50 MPa）下空气/水两相流流型实验，利用高速摄像机再现了泡状流、段塞流、搅动流和环状流的流型结构和过渡现象，绘制了实验流型图，对比了管径、压力对流型过渡的影响以及分析了环状流形成与液滴夹带的关系，在气液两相流实验的基础上，以环状流形成过程为例，从流型的物理现象着手，对环状流形成的机理进行了定义和数学建模，从而建立了产液气井两相流流型转变组合机理模型。将该组合机理模型和不同管径、不同压力下的实验结果进行对比，发现新模型均能正确预测各流型间的转变条件，具有一定的通用性。

关 键 词：两相流；流型；物理现象；实验；预测

中图分类号：TQ 000 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）08-1697-04

Abstract： In order to correctly predict the flowing law of gas liquid two-phase flow in gas wells， the flow pattern and liquid membrane separation experiments of gas/water two-phase flow were carried out on the experimental platform of multi-phase flow in different pipe diameters（28， 60 mm） under different pressures（0.10， 0.50 MPa），the flow pattern and transition phenomena of bubble flow， slug flow， stirring flow and annular flow were reproduced by high speed camera， the flow pattern map of the experiment was plotted， and the influence of tube diameter and pressure on the flow pattern transition was contrasted， and the relationship between annular flow formation and droplet entrainment was analyzed； On the basis of the experiment of gas liquid two phase flow， taking the annular flow formation process as an example， from the physical phenomenon of the flow pattern， the annular flow formation mechanism was defined and the mathematical model was established， therefore the comprehensive mechanism model of the two-phase flow pattern transition in liquid gas wells was established. Compared with the experimental results of different diameters and pressures， its found that the new model can correctly predict the changing conditions of different flow patterns and has a certain generality.

Key words： two phase flow； flow pattern； physical phenomenon； experiment； prediction

目前，國内外许多气田都已进入生产中后期，绝大部分气井都存在不同程度的产液现象，由产液带来的井底回压增加、井筒气液滑脱加剧、气井难以稳产的问题日益突出[1-3]。为了减小井筒气液滑脱、延长气井稳产期，大部分气井急需开展井筒动态分析和排液采气工艺设计，而正确预测气井井筒气液两相流动规律则是基础。本文突破传统建模思想，以气液两相流实验为基础，从物理现象出发，运用机理模型方法对两相流流型发生和各流型间转变的机理进行了定义和数学建模，该方法能够解释流型产生的原因和现象，还能预测流型的结构参数和特性参数，具有广阔的发展前景。

1 实验部分

本文在28 mm内径有机玻璃管中开展小管径气液两相流流型实验及环状流液滴夹带实验；在60 mm内径有机玻璃管中开展大管径气液两相流流型实验和高压（0.50 MPa）、低压（0.10 MPa）流型对比实验。

实验由供给系统、举升系统、测试系统组成：实验用水由水罐中抽出，然后经液泵增压、稳压、计量后再与压缩气体混合进入测试管段，最后经气液分离器分离气体后回到水罐。液体在实验过程中循环利用。由高速摄像仪拍摄和肉眼观察相结合的方法进行流型的观察和判断。液滴夹带实验装置主体由一对同心管组成，其中内管内径为28 mm，钻有均匀的密集小孔，外管内径80 mm。实验装置流程图如图1所示。

实验中首先调整试验井筒段达到90°，然后采用固定液体体积流量，从小到大改变气体体积流量的方法，待试验管段内流动状态稳定后采集相关实验数据。一组实验后，改变液体体积流量进行下一组工况的实验。

2 实验结果与分析

图2为不同管径条件下的气液两相流流型图。由图上可知，不同管径下搅动流与环状流的过渡界限均为一竖直直线，且两条直线几乎重合，说明环状流的形成只与气流速度有关，而与液流速度和管径变化无关；段塞流与搅动流的过渡界限受管径的影响比较显著，随着管径的增大，过渡界限发生右移，使得攪动流的分布区域随之变窄，说明大管径下的搅动流较难形成；泡状流与段塞流的过渡界限受管径的影响很大，小管径下几乎不形成泡状流，而在大管径下才能观察到完整的泡状流，这是大气泡和小气泡上升速度的差异造成的。

图3为不同压力条件下的气液两相流流型图。由图3可知，形成环状流时所需要的气流速度受压力的影响非常显著，随着管内压力的增加，搅动流与环状流的过渡界限发生左移，即高压下形成环状流所需的气流速度减小了；

段塞流与搅动流的过渡界限在较高的气液流速条件下受压力的影响也较为显著，随着管内压力的增加，过渡界限也发生左移，并且由于高压下搅动流与环状流的过渡界限也发生左移，且左移的程度较大，使得高压下的搅动流分布区域随之减小，说明高压下的搅动流也较难形成；泡状流与段塞流的过渡界限在高气液流速条件下同样受压力的影响较为显著，随着管内压力的增加，过渡界限明显向左弯曲。

3 环状流形成机理研究

3.1 液滴的连续携带模型

由实验可知环状流的形成通常伴随着液滴的连续携带，并且环状流形成所需的气流速度与液流速度无关，因此推测环状流的形成是由液滴的连续携带所致。根据Turner[4]模型建立了液滴能够连续携带的力学模型。

小液滴同时受到自身的重力和气流的曳力，液滴所受的重力为

3.2 液膜的不稳定回落模型

通过实验发现环状流还能够维持液膜的稳定上升，而在非环状流条件下，会出现液膜回流的现象，由此推测环状流的存在还可能与液膜有关。当气流速度较低时，气流对液膜的剪切应力不足以维持液膜稳定上升时，液膜会发生回流，堵塞气芯，形成搅动流或段塞流。1987年，Barnea[5]基于环状流流型结构，建立了简化分相流模型，得到了气芯对液膜的剪切应力表达式为：

4 流型转变组合机理模型建立

新的流型判别综合机理模型充分考虑了流型的物理现象，比传统的经验流型图更具通用性，当流动条件改变时，其受到的影响不明显。其性能也能通过实验进行了验证，图4～图6为本文三组实验对新模型的评价结果。结果表明，随流动条件的改变，新模型均能正确预测各流型间的转变条件。

5 结 论

（1）借助多相流实验平台，开展了不同管径（28、60 mm），不同压力（0.10、0.50 MPa）下空气/水两相流流型实验，获得了泡状流、段塞流、搅动流和环状流相关流型，并绘制了实验流型图，为流型机理模型研究提供了实验数据。

（2）段塞流与搅动流过渡界限随管径的增大而增大，随压力的增加而减小；泡状流仅出现在60 mm大管径中，在28 mm小管径中没有出现；环状流形成时的气流速受管径的影响不大，但随压力的增大而明显减小。

（3）建立的两相流流型转变机理新模型不仅能对不同管径、不同压力下的环状流、搅动流、段塞流和泡状流流型进行正确预测，还能够解释各流型间过渡的原因和现象，比经验流型图更具物理意义，适用范围更宽。

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