油水两相流流型特性研究

中国工程热物理学会多相流

学术会议论文编号：086098 油水两相流流型特性研究

吕宇玲，何利民，罗小明

（中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，山东东营 257061）

（Tel: 0546-8390736, Email: lyl8391811@)

摘要：油水两相流流型是油水两相流的研究基础，本文通过自制环状电导探针、摄像和照相等方法，同步采集了持液率、压力、压差等信号，结合摄影图片来识别和划分了流型。通过研究所采集信号的特征发现，在本研究中油水两相流的流型可分为两大类共六种流型：分层流、混合界面分层流、O/W&W 分散流、O/W分散流、W/O&O/W混合流和W/O分散流，并绘制了油水两相流流型图。

关键词：多相流；油水两相流；流型；划分

0 前言

油水两相流广泛存在于石油的开采和运输过程中，只有充分掌握油水两相流的流动特性，才能保证设备安全、经济地运行。油水两相流的流型是油水两相流和油气水三相流的研究基础，近年来，一些学者针对油水两相流流型进行了大量的研究，通常采用可视观察、照相、高速摄像、电导探针、电阻探针及γ射线密度计等测试手段来采集流型的特征。从国内外发展来看，除Simmons&Azzopardi[1]和Lovick&Angeli[2]流型图外，其它研究者的流型图均包括：分层流（ST）、混合界面分层流（ST&MI）、水层上部水包油分散流（D O/W&W）、水包油分散流（O/W）、油包水和水包油混合流（D W/O&D O/W）及油包水分散流（W/O）。此外，在Nadler&Mewes[3]和Simmons&Azzopardi[1]流型图中包括水层上部油包水分散流（D W/O&W），Soleimani[4]和Angeli&Hewitt[5,6]流型图中包括油层上部油包水分散流（D W/O&O）。Angeli等人[6]把水平管中油水两相流的流型分为：波状分层流（SW），混合界面波状分层流（SWD），三层流（3L），分层混合流（SM），完全分散或混合流（M）。在油水两相流流型研究中，由于油相特性和实验装置的不同，仍没有得到满意的流型划分结果。油水两相流流型准确划分尚需要更多实验研究的支持。只有在对油水两相流流型及流型转变有足够认识的基础上，才能提出准确、合理的流型转换模型和压降模型等，油水两相流的研究工作才能取得突破性的进展。因此，对油-水两相流型的研究具有重要的意义。

1 实验系统

实验是在中国石油大学（华东）小型多相流实验室内的油水两相实验环道上进行的。实验环路为全长40m，内径为50mm的不锈钢管，其中一段实验管段为内径为50mm，长为1m的透明有机玻璃管。实验装置由油水各相计量系统、油水两相混合器、实验管段和两相分离系统组成。流程如图1所示：

*基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划 No.2006AA09Z302）

图1 油水两相流测试平台流程图

1-油罐；2-齿轮油泵；3-椭圆齿轮流量计；4-油相调节阀；5-水罐；6-离心水泵；7-椭圆齿轮流量计；

8-水相调节阀；9-两相混合器；10-实验管段；11-油水分离器

ρ本研究中油水两相分别为白油和自来水。实验温度控制在15~20℃，油相的密度

o

μ为28.6~35.7 mPa.s；水相的密度wρ为998.2 kg/m3，粘度wμ为为844~848 kg/m3，粘度

o

1.00 mPa.s；油水的界面张力为41.5~41.9 mN/m。

本研究采用数码照相机、数码摄像机及电导探针采集相分布特征，揭示油水两相流的流型特性。自制环形电导探针采用直径为0.6 mm的不锈钢丝制作电极，两电极之间严格平行，间距为5 mm。如图2所示。

图2 环形电导探针示意图图3 探针输出信号测量电路示意图电导探针的输入信号由信号发生器产生。电导探针输出的信号进入自制的处理电路，如图3所示。该信号处理电路包括4部分：A-电流－电压转换电路；B-全波整流电路；C-量程调整；D-二阶低通有源滤波。为了弄清电导探针的输出信号与持液率的定量关系，对其进行了标定，标定结果如图4所示。

本研究选用Keller PA23压阻式压力变送器，该压力变送器的频响为5kHz，精度和重复性以及温度稳定性都满足实验要求。数据采集使用NI PCI-6071E高速采集卡，采样频率为2kHz，采用DIFF接线方式，采用小波自适应滤波方法进行滤波。实验中为了确

保油水两相充分地分离，每组工况保持6小时的分离时间。

2 油水两相流流型划分

实验中通过电导探针、摄影机和压力

传感器等，同步采集了持液率信号、压力、

压差等信号，结合摄影图片来识别和划分

流型。通过研究所采集信号的特征发现，

在本研究中油水两相流的流型分为两大类

共六种：分离流包括分层流（ST）与混合

界面分层流（ST&MI）、分散流包括水层

上部水包油分散流（D O/W&W）、水包

油分散流（O/W）、油包水和水包油混合

流（D W/O&D O/W）、油包水分散流

（W/O）。下面简述油水两相流各流型的

特征。

U / V

h

l

图4 环形平行电导探针标定曲线

2.1 分层流（ST）

分层流发生在油水两相流速较低的工况下，油水两相由于密度不同分别在管道的上部和下部流动。油水两相均为连续相，且有明显的分界面，界面处没有两相的混合，如图5所示。

（a）示意图（b）拍摄图

图5 分层流（ST）

2.2 混合界面分层流（ST&MI）

在分层流的基础上进一步增大油水两相的流速，油水界面出现扰动，部分油相和部分水相以液滴的形式互相混合，加大了油水界面的厚度，管道上部的油层和下部的水层厚度均减小。混合界面分层流的特征为：在管道上部和下部分别有连续的油层和水层，有明显的油水两相液滴彼此混合的分界面，如图6所示。

（a）示意图（b）拍摄图

图6 混合界面分层流（ST&MI）

2.3 水层上部水包油分散流（DO/W&W）