论文摘要
油、气、水三相混合物在管内的流动是常见于石油、天然气工业中极其复杂的气液多相流动现象。深入研究油-水两相和油-气-水三相在管道内的流动规律,特别是流型和压降规律,可以为石油生产解决重要的技术难题,对完善多相流理论及实际应用具有十分重要的意义。本文在内径50mm、长为40m的水平管中,系统地研究了油-水两相和油-气-水三相的流动型态及流动特征。主要研究内容和结论如下:1.通过可视观察、摄影、摄像以及电导探针和压力传感器采集的信号特征分析,得到9种油水两相流型:（1）SM;（2）SW;（3）DOSW;（4）ST-MI;（5）O-DO/W-W;（6）DO/W-W;（7） O-DO/W;（8）O-DW/O;（9）DO/W。并结合静态分析手段（PDF分析）,从形成机理上详尽描述了各流型的相分布及流动特征。采用无因次量关联的方法,得到了各流型转变的预测关系式。分别以油水混合速度vm和入口体积含水率φ、折算油速和折算水速为横纵坐标,绘制了油-水二相流型图,并尝试性绘制了以油相和水相的无量纲数Re、Fr、We以及体积含水率φ的乘积为横纵坐标的流型图,以强化流型图的普适性。2.根据油-气-水三相流动是气液流动与油水流动的耦合的特点,提出了一种新的油-气-水三相流型定义,据此识别了12种典型流型:（1）SM‖SM;（2） SW‖ST;（3） SW‖IN;（4） SW‖DW/O&DO/W;（5） IN‖ST;（6） IN‖O&DO/W;（7） IN‖DO/W&W;（8） IN‖O&DW/O;（9） IN‖DO/W; （10） AN‖O/W;（11） AN‖W/O;（12） AN‖DW/O&DO/W。从可视特征、压力信号、压差信号以及电导探针测取的信号特征入手,结合静态分析手段（PDF分析）,详尽描述了各流型的相分布及流动特征。以折算气液速分别为横纵坐标,将实验数据按不同的油水比绘制了油-气-水三相流型图,从机理上分析了各流型转换的特性。并尝试性绘制了以气相和油水混合液相的无量纲数Re、Fr、We以及体积含气率β的乘积为横纵坐标的流型图,其适用性还处于探索阶段。3.与Mandhane和Taitel&Dukler气液两相流型图对比,发现当液相中入口体积含水率小于80%时,油气水三相波状分层流动区域上移,该区域对应为SW || IN流型范围,其油水两相呈间歇流动状态,液相含水率高于50%时该流动型态是由IN || DO/W段塞流型转变而来,液相含水率低于50%时由SW || ST流型转变而来;在低气速时,SM || SM流型向IN || ST间歇流转换的边界随着含油率的升高以及折算气速的增加而下移。4.对水平管中油-水两相和油-气-水三相流动平均压力梯度、截面持水率和管壁水润高度的变化规律进行了详细地研究。油水两相压力梯度随着油水混合液速vm的增大均单调非线性递增。而随着入口体积含水率的增加,当混合速度大于0.566m/s时,均出现了压力梯度的峰值特性,结合流型转变分析,确定油水两相流动转相对应的入口体积含水率大约为60%,并以转相点为分界点,得到了截面持水率与体积含水率和混合速度间的模拟关系式;利用双流体模型对油水分离分层流动压力梯度及截面持水率进行了预测分析,并对平面与曲面两种油水界面形态下的模拟结果与实验结果进行比较分析。对于油-气-水三相流动,不同液相含水率下的压力梯度均随着气液相折算速度的增加而增大。但随着入口体积含水率的增加,在一定的折算气液速的条件下,压力梯度出现了与转相相关的峰值特性,由峰值对应的液相入口体积含水率确定转相点对应的液相体积含水率为40%,明显低于油水两相流动时的转相点（入口体积含水率约为60%）。在高折算液速或者低折算液速但液相含水率高于50%工况下,随折算气速的增大,截面持水率呈指数衰减的变化趋势。定义了一个新的概念——管壁水润高度,分析了折算气液速以及入口体积含水率对该参数的影响趋势。5.采用互相关技术分流型研究了油-气-水三相分层流和环状流界面波速特性,结果表明:固定油水比时,SW‖ST流型气-油界面和油-水界面波速、AN‖DO/W流型和AN‖DW/O流型的气液界面波速均随折算气速和折算液速的增大而增大。固定折算液速或折算气速时,随着液相中入口体积含水率的增加,SW‖ST流型气-油界面波速逐渐减小,而油-水界面波速增大,且含水率越高,增大的幅度越大。AN‖DO/W流型和AN‖DW/O流型的气液界面波速均增大。SW‖IN流动型态其油水间歇流动的特性使气液界面波速的变化比较复杂,没有表现出比较有规律的变化趋势。而油水间歇流动的特性参数（水塞速度、水塞长度、水塞频率）随折算气液速及液相含水率的变化表现出一定的变化规律。