吕宇玲， 何利民， 王安鹏， 何正榜， 罗小明

（中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，山东青岛266555）

油水两相分散流在管道中流动时，随着流动参数、物性参数的变化，水包油型分散流和油包水型分散流会互相转变，两种流型的转变临界含水（油）率称为反相点。在反相点运行时，两相流的流体力学特性会突然发生改变，并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有热量和能量的传递，会造成管道压降急剧增大，严重影响管道的正常运行。Laflin G C等［1］进行了油水两相流的实验发现当含水率在30%～50%时压降发生大幅度变化。Angeli P等［2］在水平的钢管和丙烯酸管中进行了反相的实验研究发现反相点为含水率37%～41%。Oglesby K D［3］通过实验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。Selker A H等［4］发现液液两相的粘度相等时得到最宽的两相共存区。Ioannou K等［5］在大管径实验中发现两相共存区宽度随着混合流速的增大而增大，而在小管径实验中并没有观察到两相共存区。Norato M A等［6］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的减小而增大。前人的研究结果表明，反相点受流体流动特性和流体物性多种因素影响，反相理论和反相特性还很不完善，因此，深入研究油水反相特性和反相过程的各种影响因素，对两相流的研究具有重要的理论价值，对管道的设计和生产运行具有重要的指导意义。

1 实验系统

实验系统由储罐、双螺杆泵、质量流量计、实验管段、有机玻璃观察段和等动量取样装置等组成，流程图如图1所示。其中实验管段为内径25.4mm，长约25m的不锈钢管，在实验管段上安装了一段长1m的有机玻璃管。在有机玻璃管段观察油水两相的流动过程，通过等动量取样装置在线获取油水混合物样品，利用高速摄像与显微镜结合拍摄反相前后的液滴。管路沿线布置了P1～P66个Keller压力传感器和T1～T44个温度传感器采集压力和温度；采用Bornemann双螺杆泵，该泵对油水混合物的剪切作用较小。在整个实验系统上，有两台水浴分别对实验环道和储罐进行伴热，从而调节测试系统中油水混合物的温度。

Fig.1 The flow chart of oil－water two－phase temperature controlled flow loop图1 油水两相控温实验环道流程图

实验介质［7］：采用3种不同粘度的油品（1＃、2＃和3＃）和水。实验温度：20～50℃。

3种白油的粘温关系式如下：

式中：μ－动力粘度，mPa·s；

t－温度，℃。

3种白油与水的油水界面张力和温度关系式如下：

式中：σ－油水界面张力，mN／m；

t－温度，℃。

从关系式（1）～（6）中可以看出3种油品的粘度明显不同，并且随温度的变化较大，而3种油品的界面张力则相差不大，随温度的变化也不大，所以本文重点研究了粘度对反相的影响。

实验采用连续性实验方法，连续性实验分为水到油实验和油到水实验两种。其中水到油实验是指系统初始时为水包油分散体，将油品逐渐加入最终经过反相形成油包水分散体；油到水实验是指系统初始时为油包水分散体，将水逐渐加入最终经过反相形成水包油分散体。

2 油水两相分散流反相特性研究

2.1 不同粘度油品反相过程中压降特性变化规律

图2（a－d）分别是3种油品在温度30℃、流量2.0m3／h下，水到油实验和油到水实验中的压降梯度与随含油率的变化曲线。

从图2（a）中可以看出，水到油实验中，随着含油率的增加，压降梯度缓慢增加，当含油率大于0.7时，压降梯度开始迅速增加，在含油率达到0.835时压降梯度增加到最大值，在这一过程中，压降梯度的升高是一个漫长的过程，称之为“爬坡段”，而当含油率超过0.835之后，压降梯度急剧减小，称这一阶段为“跳跃段”，随着含油率的升高，压降梯度缓慢降低，且反相时压降梯度比远离反相点处大的多；通过图2（b）可以看出，油到水实验中同样存在压降梯度的“爬坡段”和“跳跃段”；图2（c）中1＃油品的连续性实验中同样存在压降梯度的“爬坡段”和“跳跃段”；但图2（d）中3＃油品的水到油实验反相前并没有观察到“爬坡段”，而是“跳跃段”，在反相之前压降梯度急剧的升高，反相之后压降梯度缓慢减小，这主要是由于油水混合物的表观粘度主要由外相的粘度所决定，因此水包油分散体的表观粘度比与纯油体系小得多，而3＃油品的粘度要比水的粘度大的多，这就造成水包油分散体在反相前压降梯度并不能逐渐增加到最大值，而是在反相前急剧增加达到最大值，反相后逐渐减小。

Fig.2 Pressure drop vs.oil volume fraction curves图2 压降梯度随含油率的变化规律

从图2中还可以看出，3种油品在油到水和水到油实验中远离反相点处的压降梯度相差不大。对于低粘度的1＃油品来说，水到油实验中反相时压降梯度比油到水实验中大的多，Piela K等［8］使用低粘度油品实验时得到相同的结果，这主要是由于反相时油水混合物的表观粘度受分散相粒径、粒径分布和含油率等共同作用，水到油实验反相时比油到水实验反相时分散体的含油率要大，反相时油滴比水滴难以聚结，油滴粒径较小，Pal R［9］认为在分散相的体积分数相同时，分散体的表观粘度随着分散相粒径的减小而增大，使得水到油实验中反相时压降梯度要大一些。并且1＃油品在管路中形成油包水分散体时的压降梯度只比水包油分散体时略大，这是由于油品粘度相对较小使得管路中形成油包水分散体的粘度较小。

对于高粘度的3＃油品来说：由于高粘油在温度相对较低的情况下油水粘度比非常大，因此在反相前形成的水包油分散体的表观粘度还受油品粘度的影响，使得水到油实验中反相时的压降梯度与油到水实验时的压降梯度几乎相等；管路中形成油包水分散体时的压降梯度要比水包油分散体时大的多，这是由于油包水分散体的表观粘度主要由外相的粘度所决定，并且油相粘度很大，使得油包水分散体的表观粘度就很大，造成管路中形成油包水分散体时压降梯度非常大。

2.2 反相现象中两相共存区的影响因素分析

2.2.1 混合物流量对两相共存区的影响 图3（a）－（c）分别是1＃、2＃、3＃油品的两相共存区随流量的变化曲线。图3中上曲线是水到油连续性实验中不同流量下反相时含油率；下曲线是油到水连续性实验中不同流量下反相时含油率；在两条曲线之间的区域被称为两相共存区，油相或水相都可能成为连续相。从图3中可以看出，在相同流量下，水到油实验中反相点较大，油到水实验中反相点较小，这是由于初始的连续相有保持其继续“连续”的倾向，水的密度比油的密度大，其惯性力大，在水到油实验中，水相保持其连续性更持久，因此水到油实验中的反相较难发生，使水到油实验中反相点较大。

如图3（a）－（c）所示：1＃油品水到油实验的反相点随着混合流量的增加而增大，油到水实验中的反相点随着混合流量的增加而减小，两相共存区的宽度随着混合流量的增加而变宽；2＃油品水到油和油到水实验中反相点随着流量的增加均减小，两相共存区的宽度随着混合流量的增加变化不大；3＃油品水到油实验的反相点随着混合流量的增加略有减小，油到水实验中的反相点随着混合流量的增加略有增大，两相共存区的宽度随着混合流量的增加稍有减小。3＃油品随流量的变化引起反相点的变化幅度很小，流量对反相点的影响不明显。

Fig.3 Ambivalent range vs.flow rates curves图3 油品两相共存区随流量的变化曲线

出现以上结果的原因分析如下：流量的变化对反相点的影响有两方面，一是随流量的增大分散相越容易被剪切成更小的液滴，使反相延迟；另一方面随着流量的增加流体的扰动增大使得分散相液滴的碰撞与聚结频率增大，促进反相发生。流量变化对反相的影响最终取决于液滴的破裂和聚结哪一方面占主导地位，而液滴的破裂和聚结又与油品的粘度有关。1＃油品粘度较小，随着流量的增加，分散相液滴容易被剪切成更小的液滴，只有继续增加分散相的体积分数才能促进反相现象的发生，因此1＃油品两相共存区的宽度随着混合流量的增加而变宽。2＃油品粘度较大，对于水到油实验，分散相被剪切成更小的油滴的难度增大，流量增加产生的扰动使液滴的碰撞聚合占主导地位，随着流量的增加，反相点减小；对于油到水实验，油品粘度大，流量增加引起的扰动不明显，水滴碰撞聚合频率减小，随着流量的增加，反相点减小。3＃油品的粘度最高，液滴的破裂和聚合难度增大，混合流量变化引起的分散相粒径变化不明显，因此3＃油品的两相共存区宽度随流量的变化不大。

2.2.2 不同油品下两相共存区的变化 图4是连续性实验中，流量为2.0m3／h时两相共存区随粘度的变化曲线。从图4中可以看出水到油实验中的反相点随着油品粘度的增加而缓慢增加，油到水实验中的反相点随着粘度的增加而迅速增加，两相共存区的宽度随着粘度的增加而减小，油相成为分散相的趋势增加。液滴的聚合一般分为三个阶段：（1）连续相的湍流驱动使液滴靠近和碰撞；（2）液滴间的连续相液膜排液减薄；（3）液膜达到临界厚度破裂，液滴聚合现象发生。Norato M A等［6］认为随着油相粘度的增大，两个油滴发生碰撞时膜的排液时间变长导致液滴的聚合频率变低，只能在更高的含油率才能发生反相，所以水到油实验中反相点随油品粘度的增加而升高。

Fig.4 Ambivalent range vs.viscosity curve图4 两相共存区随粘度的变化曲线

2.3 反相过程液滴的变化特点

显微高速摄像测量系统主要由高速摄像机、倒置式显微镜、计算机和样槽组成，其中样槽与等动量取样装置相连接。在实验中利用显微高速摄像测量系统对反相前后的液滴进行拍摄，分析反相前后分散相液滴的变化情况。

图5是连续性实验中，1＃油品在温度为30℃、流量2.0m3／h的水到油实验中反相前后液滴的变化情况。图5（a）是反相前液滴的照片，此时含油率为76%，其中的液滴为油滴；图5（b）是反相后液滴的照片，此时含油率为83%，其中的液滴为水滴。可以发现：反相前油滴的粒径相对较小，且有部分油滴已经变形为椭球体甚至为更不规则的油滴，油滴中有少量小水滴（二次分散体），称为多重液滴；反相后水滴粒径相对较大，且全部为球形水滴，在水滴中还包含有较多更小的油滴。

图6是连续性实验中，1＃油品在温度为30℃、流量2.0m3／h的油到水实验中反相前后液滴的变化情况。图6（a）是反相前液滴的照片，此时含油率为65%，其中的液滴为水滴；图6（b）是反相后液滴的照片，此时含油率为60%，其中的液滴为油滴。可以发现：反相前分散相体积分数大约为35%，此时水滴的粒径较大，但并没有观察到二次分散体的出现；反相后分散相体积分数为60%，此时产生的油滴粒径较小，且有部分油滴呈现为不规则的球体，与水到油实验中反相前的油滴比较相似，在反相后也没有发现二次分散体。Piela K等［8］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，与本文观察到的现象不同。

Fig.5 The change of droplets from water continuous flow to oil continuous flow图5 水到油实验中液滴的变化情况

Fig.6 The change of droplets from oil continuous flow to water continuous flow图6 油到水实验中液滴的变化情况

3 结束语

1）不同粘度的油品反相时其压降梯度的“爬坡”和“跳跃”特性不同。对于低粘度的油品，水到油实验中反相时的压降梯度比油到水实验中大的多；对于高粘度的油品，水到油实验中反相时的压降梯度与油到水实验几乎相等。油品在油到水实验和水到油实验中远离反相点处的压降梯度相差不大。对于低粘度的油品，管路中形成油包水分散体时的压降梯度只比水包油分散体时略大；对于高粘度的油品，管路中形成油包水分散体时的压降梯度要比水包油分散体时大的多。

2）混合流量对两相共存区的宽度的影响与油品的粘度有关，对于低粘度的油品，两相共存区的宽度随着混合流量的增加而变宽；而对于高粘度的油品，两相共存区的宽度随着混合流量变化不大。相同流量下，油品粘度对两相共存区宽度的影响在水到油实验中的反相点随着油品粘度的增加而缓慢增加，油到水实验中的反相点随着粘度的增加而迅速增加，两相共存区的宽度随着粘度的增加而减小。

3）水到油实验中反相前油滴的粒径相对较小，且有部分油滴已经变形为椭球体甚至为更不规则的油滴；反相后水滴粒径相对较大，且全部为球形水滴，但在水滴中还包含有更小的油滴。油到水实验中反相前水滴的粒径较大，但并没有观察到二次分散体的出现；反相后油滴粒径较小，且有部分油滴呈现为不规则的形态。

［1］ Laflin G C，Oglesby K D.An experimental study on the effect of flow－rate，water fraction and gas－liquid ratio on air－oil－water flow in horizontal pipes［D］.［s.n.］：University of Tulsa，1976.

［2］ Angeli P，Hewitt G F.Pressure gradient in horizontal liquid－liquid flows［J］.Int.J.of multiphase flow，1998，24（7）：1183－1203.

［3］ Oglesby K D.An experimental study on the effect of oil viscosity，mixture，velocity and water fraction on horizontal oil－water flow［D］.［s.n.］：University of Tulsa，1979.

［4］ Selker A H，Sleicher Jr C A.Factors affecting which phase will disperse when immiscible liquids are stirred together［J］.Can.j.chem.eng.，1965，43：298－301.

［5］ Ioannou K，Nydal O J，Angeli P.Phase inversion in dispersed liquid－liquid flows［J］.Experimental thermal and fluid science，2005，29：331－339.

［6］ Norato M A，Tsouris C，Tavlarides L L.Phase inversion studies in liquid－liquid dispersions［J］.Can.j.chem.eng.，1998，76（3）：486－494.

［7］ 王安鹏，水平管内油水分散流反相研究［D］.中国石油大学（华东）硕士论文，2011.

［8］ Piela K，Delfos R，Ooms G，et al.Experimental investigation of phase inversion in an oil－water flow through a horizontal pipe loop［J］.Int.j.multiphase flow，2006，32：1087－1099.

［9］ Pal R.Shear viscosity behavior of emulsions of two immiscible liquids［J］.J.colloid interface sci.，2000，255：359－366.