劉文生* 張磊 康燕 薛釗 楊金惠

（1.中國石油華北油田公司工程技術(shù)研究院；2.中國石油華北油田公司第二采油廠；3.中國石油華北油田公司友信勘探開發(fā)服務(wù)有限公司；4.河北華北石油路橋工程有限公司；）

0 引言

目前，大部分陸上油田開發(fā)已超過50年，進入高含水期，其中大慶、華北、大港、河南、江漢、遼河、勝利等油田均已進入特高含水期。由于水的比熱容是油的2倍，加熱流程會造成集輸系統(tǒng)能耗增加，而油水混輸中兩相流流型的轉(zhuǎn)換、流動及壓降規(guī)律，對合理規(guī)劃設(shè)計集輸管網(wǎng)，降低集輸系統(tǒng)能耗起到至關(guān)重要的作用[1]。因此，系統(tǒng)的分析和梳理高含水期油水兩相流流型可為常溫集輸提供理論支持。

由于石油行業(yè)中的油田采出液基本采用油氣水多相混輸方式輸送到接轉(zhuǎn)站或聯(lián)合站統(tǒng)一處理，與氣、液兩相流相比，油水之間的液、液兩相流研究開展較晚，且內(nèi)在機理仍不明確。此外，Hewitt和Spedding等學(xué)者認為研究油水兩相流流型可對多相流計量起到重要的推動作用。由此可見，總結(jié)和梳理油水兩相流流型的研究現(xiàn)狀具有重要的工程和實踐意義。

1 油水兩相流流型研究的發(fā)展概述

最早的油水兩相流流型研究開始于長輸管道稠油減阻，1959年Russell等人[2]通過一系列簡單的室內(nèi)環(huán)道試驗，將礦物油和水按照一定比例進行混合為試驗介質(zhì)，得到了分散流、分層流和混合流 3種流型。1961年Charles等人[3]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)原油中摻入 40%～60%的游離水后，能夠促使原油乳狀液流型轉(zhuǎn)相，轉(zhuǎn)相之后表觀黏度大幅降低，可降低水力能耗。在隨后的10年內(nèi)，以Charles、Russell、Goviel、Guzhov等人為代表的國外學(xué)者，分別對油水兩相流的流型及壓降規(guī)律進行了一系列試驗研究，該階段流型的定義和判斷主要靠肉眼觀察[4]。

1980—2000 年之間，國外油氣管網(wǎng)大量投產(chǎn)建設(shè)，美國、歐洲及前蘇聯(lián)的相關(guān)學(xué)者利用光電傳感、電子成像等相關(guān)技術(shù)對油水兩相流進行了深入研究。1989年，Arirachakaran等人[5]進行了可視化試驗，在直徑25.1 mm的水平玻璃管中分別觀察到分層流、混合流、環(huán)狀流、間歇流和分散流5種流型，并繪制了相應(yīng)的流型圖。1996年，Trallero等人[6]采用低黏礦物油和水進行比例混合，得到了兩大類（分層流型和分散流型）共計6種具體的流型。1997年，Nadler等人[7]在內(nèi)徑為59 mm的水平直管內(nèi)進行了油水兩相流試驗，得到了8種流型，其中有兩種流型屬于試驗中首次出現(xiàn)，分別是上層油包水下層游離水混合流型（W/O&W），上層油包水和水包油下層游離水分散流型（W/O&O/W&W）。2000年，Angeli等人[8]以自來水和煤油為介質(zhì)進行了環(huán)道試驗，得到了與 Trallero相似的流型，此外還定義了三層流流型（3—Layer，三層分別為連續(xù)油相、油相液滴、連續(xù)水相）。對于高黏度原油，由于油水之間界面能和界面張力的存在，高黏油和之前試驗中采用的礦物油、煤油等低黏油品相比流型更復(fù)雜。同年，McKibben等人[9]在室內(nèi)采用油田現(xiàn)場常用的最小集輸管徑（內(nèi)徑50 mm），對高黏稠油-水兩相流進行試驗研究，得到了之前低黏原油試驗中沒有發(fā)現(xiàn)的彈狀流（有的文獻稱為間歇流，主要發(fā)生在高含水油品中，連續(xù)油相被水相分割成不連續(xù)的塊狀）和環(huán)核流（又稱環(huán)狀流，包括水核和油核兩種）。1992—2002 年期間，Brauner等人[10]全面總結(jié)了前人的試驗研究成果，對油水兩相流流型劃分了20種具體流型。

近十幾年來，越來越多的學(xué)者逐漸開始運用數(shù)值模擬和數(shù)理統(tǒng)計的方法進行油水兩相流流型研究。1998年，Brauner[11-12]在不考慮存在油水過渡帶的初始條件下，構(gòu)建了雙流體模型，即將油相和水相定義為兩個獨立的部分且之間存在明顯分層的界面，不存在層間擾動，隨后根據(jù)壓力梯度相等并利用動量方程對油水界面曲率進行求解，得到預(yù)測流型的模型算法。2002年，Ng和Gao等人[13-15]用Yong-Laplace方程對油水均為分層流的分層流動邊界形狀進行了預(yù)測，并用邊界元法對該流體的流動特性進行了估算。

與國外研究相比，國內(nèi)從近10多年開始關(guān)注油水兩相流型，中國石油大學(xué)、天津大學(xué)和西安交通大學(xué)等高校先后從 2000年開始建立自己的室內(nèi)試驗裝置并對流型進行研究，陳杰[16-18]和吳鐵軍[19-20]等人在分別對水平管內(nèi)含水率 10%～90%的油水兩相流流型進行研究時，通過對兩相界面之間平衡力的分析和計算，引入了弗勞德數(shù)Fr和韋伯?dāng)?shù)We，并進行了無量綱的模型預(yù)測和計算，得到了不同流型之間轉(zhuǎn)換的公式，公式擬合度高，具有一定的可操作性。2001年穆虹等[21]人通過試驗研究了稠油-水兩相流動，對影響流型的因素進行了分析，同時得到了水核環(huán)狀流、段塞流等過渡流型。2004年，Cai[22]在試驗研究的基礎(chǔ)上，提出了三層流體模型。宮敬、姚海元等人[23-24]分別以高黏白油-水和稠油-水為介質(zhì)進行試驗研究，給出了相應(yīng)的流型圖，并且將得到的流型分為水為連續(xù)相流型、油為連續(xù)相流型、間歇流型和分層流型4類。

由于不同的研究人員所采用的試驗條件（溫度、壓力、流速）、油水介質(zhì)（油品黏度、油水比例）和考察重點均不相同，同時隨著檢測技術(shù)不斷發(fā)展，觀察到的流型略有不同。盡管不同的文獻對流型的認知和定義不統(tǒng)一，但從對流型的實際描述來看，常見的流型分為分層流、混合流、分散流三大類，其中每類流型又劃分為若干小類，具體見圖1。

圖1 油水兩相流流型分類

2 高含水期油水兩相流流型的劃分

以原油凝點溫度為界限，高含水期油水兩相流流型分為高于凝點溫度的油水兩相流流型和低于凝點溫度的油水兩相流流型。

2.1 高于凝點溫度下的高含水期油水兩相流流型

由于之前的研究成果含水率范圍較寬，且試驗的溫度均在高于凝點溫度的條件下進行。因此，可從之前的文獻中總結(jié)和歸納高于凝點溫度下的高含水期油水兩相流流型特性。

1996年，Trallero等人在美國Tulas大學(xué)建立了水平管路的油水兩相流試驗裝置，測試段長度為15.54 m，內(nèi)徑50.13 mm，油水密度比0.85，黏度比29.6，根據(jù)試驗要求，將油、水預(yù)先分別放置在各自的管路中，由T形混合器按照不同的油水比例混合后進入測試管段。結(jié)合測試管段前后的壓降數(shù)據(jù)以及連續(xù)拍照的試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)流型變化主要與油品含水率和混合流速相關(guān)。在含水5%～95%的范圍內(nèi)，發(fā)現(xiàn)了分層流型（ST）、相界面略有混雜的分層流型（ST&MI）、上層水包油下層游離水混合流型（O/W&W）、水包油分散流型（O/W）、油包水和水包油混合型（W/O&O/W）以及油包水分散流型（W/O）共 6種流型。由于油的黏度較低且基本不含膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等天然乳化劑，同時油水沒有預(yù)先混合攪拌且時間較短，因此未觀察到油基（OA）或水基（WA）環(huán)狀流。

經(jīng)分析，上述試驗機理為當(dāng)含水率 80%～95%之間時，如果混合流速大于 0.25 m/s，原油乳狀液流型轉(zhuǎn)換進入水相主導(dǎo)區(qū)，形成下層水相、上層油相且界面出現(xiàn)連續(xù)液膜的分層流型和相界面略有混雜的分層流型；當(dāng)保持油相折算速度不變，水相折算速度大于0.5 m/s時，由于水相液滴不斷增大，水滴碰撞聚集效應(yīng)增強，將上層油相破壞分割，形成了上層水包油下層游離水混合流型；當(dāng)水相折算速度大于1.6 m/s時，由于油品黏度較低，在高含水的情況下，油滴無法穩(wěn)定的存在于上層水包油相中，大流速將其沖散為更小的油滴，并迅速充滿整個管道，形成水包油分散流型。

2000年，Angeli等試驗人員考慮到管道內(nèi)部粗糙度對流型轉(zhuǎn)換的影響，分別用金屬（不銹鋼）和非金屬（丙烯酸樹脂）兩種管道材質(zhì)進行試驗，測試段長30.80 m，內(nèi)徑25.40 mm，油水密度比0.8，黏度比 1.6（煤油），試驗采用高速攝像機觀察測試段流型變化，高速電子探針測試前后端壓差變化及混合物含水率，通過直連型單螺桿泵進行流量及流速調(diào)節(jié)，試驗中混合流速范圍為0.2～3.9 m/s。試驗結(jié)果為，在含水率6%～86%之間，流型從分層流到均勻混合流等多種流型均被觀察到，但在不同的管道材質(zhì)條件下，含水率和流速對于轉(zhuǎn)相點的影響略有差別。

該試驗機理為，當(dāng)油水混合物含水率處于80%～86%之間時，流型轉(zhuǎn)為水相主導(dǎo)區(qū)，壓降梯度大幅降低，當(dāng)混合流速小于 1 m/s時，管道底部的游離水不斷增加，水相與管底的接觸不斷增加。在混合流速較低的條件下，受重力作用，連續(xù)水相占據(jù)整個管道底部，形成上層水包油下層游離水混合流型（O/W&W）；當(dāng)混合流速大于1 m/s時，上層水包油中的油滴被沖散，形成均勻分散的水包油流型（O/W）。

2001年，陳杰等人分別采用白油和柴油與水混合進行環(huán)道試驗，測試段長30 m，內(nèi)徑33.3 mm，其中白油黏度比為62.8，柴油3.47。該試驗為將混合液在攪拌罐內(nèi)（有效容積50 L）充分攪拌乳化后，分別通過質(zhì)量流量計、水平管段、壓降測試段和流型觀察段后回到攪拌罐內(nèi)。隨后將質(zhì)量流量計采集到的流體密度、質(zhì)量流量和體積流量等數(shù)據(jù)，結(jié)合壓差變送器結(jié)果，利用電阻探針測試不同條件下流型的含水率。參照工業(yè)相機拍攝圖片，得出在含水率為 10%～90%的范圍內(nèi)，油水兩相流流型為分散流型（W/O和O/W）、油水分層流型（ST和ST&MI）、混合流型（W/O&W和O/W&W）以及三層流型（3L）。其中，當(dāng)含水率在 80%～90%之間，混合流速變化范圍為0～1.2 m/s時，隨混合流速的增加，觀察到的流型依次為分層流型（ST、ST&MI）、上層水包油下層游離水的混合流型（O/W&W）和分散流型（O/W）。

2003—2006 年，Oddie、OMH Rodriguez等人[25-26]分別考察了管道傾角、流速、溫度等因素對流型轉(zhuǎn)換的影響，在長11 m、內(nèi)徑150 mm的環(huán)道裝置中使用礦物油、鹽水、氮氣進行了兩相流和三相流試驗，其中油水密度比為0.84，黏度比為27，管道傾角為 0～92°，生成了不同油水折算速度和管道傾角范圍下的油水兩相流流型圖。其中，含水率在80%～95%之間，試驗得到了Trallero所劃分的所有高含水流型，不同的是由于管道傾角的存在，在上傾管與下傾管的試驗中還得到了分層波浪流型（SW），該流型在界面處不呈現(xiàn)任何混合，介于分層流型（ST）和半分層流型（ST&MI）之間。

2015年，ASI Ismail等人[27]在長徑比為1 311的水平管道中進行了油水兩相流流動試驗。試驗流體為輕質(zhì)含蠟原油和合成地層水，試驗中含水率變化為10%～90%，混合流速為2.0～16.2 m/s，通過測量不同油水兩相流速下壓降和持液率的變化，確定了不同流速和含水率下的流型。試驗結(jié)果表明，當(dāng)含水率在80%～90%之間時，隨混合流速的增加，觀察到油水兩相流的流型會從分層流型（ST、ST&MI）逐漸過渡到完全分散的分散流型（O/W）。

綜上所述，盡管研究人員的研究方法和手段不盡相同，但結(jié)果類似，高于凝點溫度下的高含水期油水兩相流流型主要分為三種：分層流型（ST、ST&MI）、上層水包油下層游離水的混合流型（O/W&W）和水包油分散流型（O/W），具體流型見圖2。

圖2 水包油分散流型（O/W）

2.2 低于凝點溫度下的高含水期油水兩相流流型

根據(jù)GB 50253—2014《輸油管道工程設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，集輸管道回站溫度應(yīng)高于凝點3～5 ℃，用于保證集輸?shù)陌踩煽?。因此，對比高于凝點下的油水兩相流流型的研究，針對低于凝點溫度下油水兩相流流型的研究很少，且可應(yīng)用的工程實例幾乎沒有。下面是近幾年來關(guān)于高含水期低溫油水兩相流流型的相關(guān)研究。

2013年，劉曉燕等人[28]設(shè)計建立了一套水-膠凝原油兩相流流態(tài)化試驗系統(tǒng)，在內(nèi)徑為53 mm的水平管道內(nèi)對水-膠凝原油兩相流流態(tài)化進行試驗研究，試驗介質(zhì)為原油和水，原油凝點32 ℃，混合流量5.9 m3/h，含水率90%，對溫度從33～20 ℃的油水兩相流進行了流態(tài)化的試驗研究。研究表明：當(dāng)溫度在原油凝點以上時，油水兩相是分層流型流動，如圖3（a）所示；隨著溫度持續(xù)降低，會逐漸出現(xiàn)水漂油混合流型（W/O&W floating），如圖3（b）所示；當(dāng)溫度低至一定程度后，就會出現(xiàn)原油粘壁阻塞管道的情況，無法再繼續(xù)進行試驗。如圖3（c）所示。

圖3 低溫條件下油水兩相的流型圖

2014年，范偉研究了低于凝點的原油中凝膠粒徑大小和分布規(guī)律對水力輸送的影響，在井口處安裝了可視化試驗管路，觀察段長1 m、內(nèi)徑為53 mm，在井口綜合含水 95%的條件下，得到了不同流量（2.0～6.5 m3/h）、溫度（12.8～20 ℃）和壓力（0.71～1.12 MPa）條件下的流動特性。隨著流動條件的不斷變化，原油顆粒均以水漂油混合流和水包油團分散流形式分布在連續(xù)的水相中，選取油水混合液流量分別為 3.7 m3/h、4.7 m3/h、5.7 m3/h，通過 Image Pro軟件進行圖像分析發(fā)現(xiàn)，水中膠凝原油顆粒的尺度和粒徑分布規(guī)律隨混合液流量的不同而變化。

2015年，董燕等人采用室內(nèi)環(huán)道裝置對含水率80%～95%的原油乳狀液在水平管內(nèi)進行低溫流動試驗，整個環(huán)道長度為30.8 m，內(nèi)徑為25.4 mm，通過二甲基硅油作為套管溫控介質(zhì)，流速控制在0.4～1.4 m/s，分別在 32 ℃、28 ℃、25 ℃和 22 ℃四個點進行溫降試驗，如圖 4。通過試驗觀察得出溫度越低、油水兩相的混合流速越低、含水率越低，壓降梯度越大，越容易出現(xiàn)凝管現(xiàn)象。

圖4 低溫試驗流型圖

研究表明：在原油凝點溫度時，混合物流速較低（0.4～0.6 m/s），油水兩相混合物的流型為水漂油塊，隨著流速增高（1.2～1.4 m/s）時，油水兩相混合物的流型為水包油團分散流型（E W/O&W, 水包油團分散流是油包水乳狀液在水中的分散體系，僅存在于流動狀態(tài)下，只在含水90%以上出現(xiàn)）如圖4（a）；在原油凝點溫度以下，且含水率較高時，由于膠質(zhì)、瀝青質(zhì)功能基團的相互作用，出現(xiàn)水漂油塊流型，此時壓降梯度基本接近相同條件下水的壓降梯度，如圖4（b）所示；而由于管壁粘油會導(dǎo)致管路內(nèi)徑的減小，隨著管線上部積聚的原油逐漸增多，管路內(nèi)徑更小，在小流量條件下出現(xiàn)不滿流現(xiàn)象，如圖 4（c）所示；當(dāng)溫度降低至 22 ℃，試驗出現(xiàn)明顯的管壁粘油現(xiàn)象，且溫度越低，含水率越低，管壁粘油現(xiàn)象就越明顯，如圖4（d）。

綜上所述，研究人員盡管研究方法和手段不盡相同，但結(jié)果類似，低于凝點溫度下的高含水期油水兩相流流型主要分為兩類：水漂油流混合流型（W/O&W floating）、水包油團分散流型（E W/O&W），具體流型見圖5。

圖5 低于凝點溫度下油水兩相流型圖

3 結(jié)論與建議

通過對不同時期研究學(xué)者的油水兩相流流型研究成果進行了系統(tǒng)的分類和梳理，歸納得出高于凝點溫度下的高含水期油水兩相流流型主要有分層流型（ST、ST&MI）、上層水包油下層游離水的混合流型（O/W&W）和水包油分散流型（O/W）；低于凝點溫度下的高含水期油水兩相流流型主要有水漂油流混合流型（W/O&W floating）和水包油團分散流型（E W/O&W）。對兩相流流型進行總結(jié)，可以預(yù)測井底、井筒、地面等位置的流動狀態(tài)，分析影響流型轉(zhuǎn)換和流型壓降的因素，將試驗結(jié)果同現(xiàn)場工況對照，對現(xiàn)有水力、熱力模型的相關(guān)參數(shù)進行修正和擬合，為管道的流動保障提供理論依據(jù)。

然而目前，對于流型的研究多停留在室內(nèi)試驗過程中，現(xiàn)場可操作性不強，影響了試驗成果的實際應(yīng)用。因此對于兩相流流型的研究提出如下建議：

（1）室內(nèi)試驗為方便可視觀察，多采用水平玻璃管進行觀察，與實際應(yīng)用工況差異較大。建議相關(guān)研究應(yīng)充分考慮管材內(nèi)壁粗糙度、管道傾角等因素對流型轉(zhuǎn)換的影響，同時對于彎頭、三通、變徑、閥門等管件處容易出現(xiàn)層間干擾形成湍流現(xiàn)象進行模型和試驗，以便更加準(zhǔn)確地預(yù)測現(xiàn)場實際工況。

（2）油水兩相流涉及的流型較多，但對于流型轉(zhuǎn)換時的過渡條件及內(nèi)在機理仍不明確。此外隨著我國稠油開采的力度加大，影響稠油流型的因素更多（黏度、含水率、流速、水型、入口形狀等），建議加強稠油和超稠油的油水混合物流型研究，加強稠油流型轉(zhuǎn)換模型的建立和預(yù)測。

（3）室內(nèi)試驗為避免其他因素的影響，基本上為靜態(tài)、閉式流程，但現(xiàn)場工況條件下油水混合物處于多因素影響的不穩(wěn)定流態(tài)，如存在泵的剪切、溫度、流速的變換等，因此有必要借助數(shù)值模擬的相關(guān)方法，如 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和小波變換等對模型數(shù)據(jù)進行濾波、分析和處理，逐步形成理論和半經(jīng)驗公式。

（4）兩相流型轉(zhuǎn)換應(yīng)與多相流計量技術(shù)相結(jié)合，同時利用計算流體力學(xué)CFD（如Fluent、CFX）相關(guān)軟件對流體進行建模和計算，并針對現(xiàn)場實際，積極開展低于凝點以下的高含水油水混合物常溫集輸界限研究，為高含水油田常溫集輸提供理論依據(jù)。