管内多相流流型及流型转变机理总结

管内多相流流型及流型转变机理的调研

（热能工程系，陕西西安 710049）

摘要：多相流流型在油气田开发中有着广泛的应用，无论油藏工程，钻井工程，采油工整还是油气

田地面工程，都会遇到管内油气两相流，油水两相流和油气水三相流，因此能否准确判断管内多相流流型

及流行转变条件，将直接影响到对管道阻力，压降，流量的计算，出现严重偏差时将影响到油气生产，甚

至危害到各种设备安全

关键词：气液两相流；油水两相流；流型；流型图；流型转变；

1 研究背景

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[1-3]。管内油气水三相流动属于气液液三相流动范畴，油气水混合物流动现象广泛存

在于石油和天然气工业中，特别是随着油气田的勘探开发逐渐转移到沙漠、极地、海洋等

自然环境相对复杂的地区，而部分在役油气田又相继进入开发的中后期，从勘探开发到油

气田地面工程，从地下到地面，处处都可以找到关于油气水多相流的应用实例[4]。

油气是深埋于地下的流体矿藏，多相流动现象广泛地存在于油气藏的开发与开采过程中。在油气田地面工程中，从井口到联合站的集输管道中一般都是油气水混合物流动，在

海洋采油中，采用多相混输技术，既可省去油气分离设备，又可减少一条输送管道，从而

大大减小平台面积和简化生产管理。无论是油藏工程，钻井工程，采油工程还是油气田地

面工程，都不可避免地会遇到管道中的油气两相，油水两相以及油气水三相流动问题，开

展此方面的研究无疑会对石油工业的发展和科技进步产生重要作用[5-7]。

相对于气液两相流的广泛研究而言，管内液液两相流的研究则进行的相对较少，而且

不同研究者的研究结果也相差很大[8-13]。但是几乎所有的研究者都认为油水混合物的流动

特性与气液两相流的流动特性存在很大差别。

管内油气水三相流非常复杂，管内油气水三相混合物的流型不仅取决于气相和液相的

流量，而且还与液相的含水率有关。此外，管道的几何形状、尺寸和倾斜角，流动稳定性

等都对流型有重要的影响。迄今为止，对于管内油气水三相流仍未有成熟的模型和关联式。其中一个最重要的原因在于对管内流动情况下的油水复杂混合物的物性特别是粘性和表面

张力没有深入的认识[4,14,15]。

2 国内外研究现状

2.1 气液两相流

2.1.1 流型及流行图

在水平管或者微倾斜管中，由于重力的影响，两相分布呈现出不对称状态，即气相偏

向于管顶部聚集，液相偏向于在管底部分布。一般认为水平管内气液两相流的流型可分为

光滑分层流，波状分层流、段塞流、弹块状流、泡状流和环状流等六种。还可将光滑分层

流和波状分层流称为分层流，把段塞流和弹块状流称为间歇流。图1-1 给出了几种典型的

水平以及近水平管内的流型结构示意图。

流型图可以给出不同的流型存在的范围。对于水平管内气液两相流相继提出了许多流型图。最早的流型图概念由Kosterin[13]提出，随后Baker(1954)[13,16,17]根据大量实验数据整

理出了适用于水平管内气液两相流的第一张实用流型图(见图1-2(a))，并在石油工业和冷

凝工程设计中得到了广泛应用。随后Scott 对Baker 的流型图进行了修正使其更符合实际；Govier 和Omier[13]也提出了一张水平管内的流型图。Mandhane 等[18]通过大量的实验结果

得出了一个适用范围更为广泛的流型图(见图1-2(b))，其在实际工程中比较常用。

Taitel 和Dukler[13,19]对水平管中气液两相流的流型和转变机理进行了全面的理论探

讨，建立了相应的数学物理模型，从而改变了过去仅仅依靠实验流型图来判别流型的方法，真正从理论上有了突破。随后许多研究者又进一步发展了水平管中流型转变预测的理论模型。总之，人们对于气液两相流的研究已经进行了大量的研究，并且积累了大量的实验数据和理论模型[13]。气液两相流体在管道中产生的压力降、截面相份额、传热传质规律、结构传播速度、相界面的稳定性等都与流型有着密切的关系，流型的不同对流动参数的准确测量有着重要的影响。只有在考虑流型影响的前提下，气液两相流的研究工作才能趋于完善，否则其相应的研究结果的使用范围比较狭窄，结果比较片面、主观、不能广泛地在工程应用中加以应用。图1-3 是对文献中不同转变机理的总结。

2.1.2 气液两相流的流行转变预测模型

对于每一个特定的流型已经提出了很多预测模型，这里主要对水平以及倾斜管内分层流向非分层流(包括间歇流和环状流)的转变，间歇流向(分散)泡状流的转变以及间歇流向环状流的转变准则进行简述。

a)分层流向非分层流(间歇流和环状流)的转变

Taitel 和Dukler [19]认为分层流的转变是由于界面的不稳定性引起的，在一定的流速条件下，气液两相成层流动时，由于两层之间的相对运动产生一个压力，于是在气液界面上就会产生一个较小的液面波动，使得气相的流通截面变小，流速增加。根据Bernoulli 效应，气体流速的增大将使该处的压力降低，在界面上形成所谓的“卷吸力”，使得液面的波动加剧。另一方面，突起的波浪受重力作用有恢复正常液面的趋势。当卷吸力大于重力时就会发生分层流的转变。据此Taitel 和Dukler(1976)

[19]提出如下的从分层流向间歇流转

变的准则关系式，

5

.02)~/()~1(⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-=L L G G L h d dA U A h F 方程中F 为修正的气相Froude 数

θρρρcos Dg U F SG G L G -=

2

)1~2(1~/--=L L L h h d dA

对于水平以及近水平管内的气液两相流，分层流向间歇流的转变就由三个参数X 2，Y 以及F 确定。如果Y 一定，转变仅由X 2及F 确定

许多研究表明，气液界面摩阻系数对于流型转变预测模型以及压降的计算影响很大，而且关于界面摩擦阻力系数的计算也进行了不少的改进和修正。

在 Taitel 和Dukler 的原始模型中，气液界面摩阻系数i f 等于气相和管壁面的摩阻系数。但以后的研究者发现，这样计算得到的压降梯度比实际的要小。

Shoham 和Taitel(1984)[13]取定值来计算界面摩阻系数，亦即

0142.0=i f 还有很多研究者采用Ellis 和Gay(1959)

[20]的关系式来计算界面摩阻系数

57.0Re 3.1-=G i f Petalas 和Aziz[21]采用如下经验关系式来计算气液界面摩擦阻力系数

)()Re 105.0004.0(2335.16G G L L SL i U Dg Fr f ρρ-⨯+=

其中Froude 数定义如下

L L L gh U Fr =

b)间歇流向环状流的转变

现有的几种典型的向环状流转变的模型基本上是从以下几个方面进行研究的，即作用在气芯上液滴受到的力，液膜的不稳定性以及临界持液率。

2.2 油水两相流

准确掌握和了解油水两相的流动特性不仅对于管线设计，同时对于提高油水分离效率、油田污水处理、预测管内与管壁面接触的自由水的含量以及由此引起的腐蚀问题，都有十分重要的意义[22-24]。以下就对国内外一些学者对于油水两相流的研究进行简述：

2.2.1 油水两相流的流型

管内油水两相流动时亦呈现为各种各样的流型。每一种流型对应于一种特定的流动特性，对于不同的流型分别建立相应的模型将使得对于流动规律的预测精度大大提高。因此，对于流型的研究是油水两相流研究的起点和基础。

Guzhov 等(1973)[25]研究了直径为26.4mm 、高度为11.3m 的垂直上升管内油水两相流的流型特征。得到了四种基本流型，即油滴流，油弹状流，油水块状流和分散水滴流动。并且得到了如图1-4所示的流型图，其结论是：若把油相作为一种高密度的“气相”，可以认为油水流型和气液两相流的流型相近似。并且认为油水对壁面润湿性的不同，对于流型的变化有直接的影响。Charles 等认为这种特性的存在是高粘油和低粘油的不同流动行为的