油水兩相管流測(cè)量方法應(yīng)用進(jìn)展

　　摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，大量基于電學(xué)及光學(xué)基礎(chǔ)的測(cè)量設(shè)備逐漸被學(xué)者們用于定量描述油水兩相流動(dòng)規(guī)律的研究中。通過簡(jiǎn)述國內(nèi)外關(guān)于油水兩相管流實(shí)驗(yàn)中所采用的測(cè)量方法及測(cè)量原理，總結(jié)電導(dǎo)探針、聚焦光束反射測(cè)量儀、光學(xué)測(cè)量設(shè)備及伽瑪相分率儀在油水兩相管流動(dòng)中的應(yīng)用進(jìn)展，并在其基礎(chǔ)上分析了各種測(cè)量方法的局限性。根據(jù)管流油水流動(dòng)研究現(xiàn)狀，提出油水兩相管流研究應(yīng)從兩相流場(chǎng)信息測(cè)量及油水界面捕捉入手，通過實(shí)驗(yàn)確定影響油水兩相相間作用的決定性因素，建立新的流型轉(zhuǎn)化機(jī)理，明確局部及完全分散對(duì)有效黏度變化的影響趨勢(shì)，并結(jié)合現(xiàn)有兩相流動(dòng)規(guī)律，改進(jìn)及完善了現(xiàn)有壓降計(jì)算模型。

　　關(guān)鍵詞：油水兩相管流;電導(dǎo)率探針;聚焦光束反射測(cè)量儀;光學(xué)測(cè)量設(shè)備;伽瑪相分率儀

　　在石油開采和運(yùn)輸過程中，油水兩相混合流動(dòng)的現(xiàn)象普遍存在。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)增長陸地能源不斷消耗，石油資源開發(fā)利用已逐漸轉(zhuǎn)向海灘、沙漠、極地等自然環(huán)境極其惡劣的區(qū)域，對(duì)于油氣水的分離運(yùn)輸，無論是分離設(shè)備及管道的建設(shè)，還是技術(shù)條件的要求，不僅代價(jià)高，而且難以實(shí)現(xiàn)。采用混輸管路，將油井產(chǎn)出液輸送至集中處理終端，可大幅度降低基礎(chǔ)投資及相關(guān)輔助設(shè)施的運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用。目前，陸地及海洋集輸系統(tǒng)廣泛采用混和輸送工藝，開展針對(duì)油水兩相流動(dòng)規(guī)律的研究對(duì)于油田集輸管線的設(shè)計(jì)及運(yùn)行具有重要意義。

　　例如，成功實(shí)現(xiàn)混輸油水流型的控制可防止管路的腐蝕及結(jié)垢，而控制外相為水環(huán)的環(huán)狀流動(dòng)可以成倍地降低壓降損耗，極大地提高輸送效率，經(jīng)濟(jì)收益顯著。油水混輸過程中，由于油水兩相密度接近，界面自由能小，因而易發(fā)生兩相動(dòng)量及質(zhì)量的交換，在管道中形成復(fù)雜的局部摻混，增加了油水流動(dòng)規(guī)律研究的難度，使得開展流型觀察及壓降規(guī)律研究變得極為復(fù)雜[1-2]，因而實(shí)現(xiàn)油水流動(dòng)參數(shù)的測(cè)量對(duì)油水復(fù)雜混輸體系流動(dòng)規(guī)律的研究至關(guān)重要。20世紀(jì)六七十年代，學(xué)者們?cè)谛〕叽绲牟ＡЧ芑蛴袡C(jī)玻璃管內(nèi)進(jìn)行了油水流型觀察及壓降規(guī)律研究，由于主要依靠肉眼分辨不同流型，對(duì)于油水兩相流動(dòng)規(guī)律認(rèn)知的客觀性值得商榷。

　　1電導(dǎo)探針

　　1.1基本測(cè)量原理

　　電導(dǎo)探針由于其工作原理簡(jiǎn)單，制作工藝方便等優(yōu)勢(shì)被國內(nèi)外學(xué)者廣泛使用。目前，應(yīng)用最廣泛的電導(dǎo)探針主要有雙平行探針[3]、環(huán)形平行探針[4]及侵入式探針[4]。電導(dǎo)探針的工作原理主要是利用油水兩相電導(dǎo)率的差異，當(dāng)探針與水相接觸時(shí)，回路電流較大，阻抗值較小，而當(dāng)其與油相接觸時(shí)則回路電流較小，阻抗值較大，通過對(duì)探針之間回路電流、電壓或阻抗值等輸出信號(hào)的處理，結(jié)合實(shí)驗(yàn)前針對(duì)輸出信號(hào)與截面相分率等參數(shù)的標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際管流流動(dòng)條件下流經(jīng)雙探針之間兩相流體的識(shí)別。

　　1.2油水兩相流動(dòng)中的應(yīng)用

　　LOVICK[5]和ANGELI[6]采用侵入式探針對(duì)雙流體流型下的橫截面局部相分率進(jìn)行測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)：油水界面曲率與含油率相關(guān)，低入口含油率向下彎曲，中高入口含油率向上彎曲，隨著混合流速的增加，油水界面逐漸模糊，不再存在清晰的油水界面;LAWRENCE等[7]采用雙平行探針和環(huán)形探針測(cè)量分層流動(dòng)油水界面的高度及界面形狀，發(fā)現(xiàn)不同實(shí)驗(yàn)條件下油水界面均向上彎曲;部分學(xué)者采用雙平行探針對(duì)分層流動(dòng)的界面波動(dòng)特性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)流速越小，界面波動(dòng)越規(guī)則，相同含水率下，隨混合流速的增加，界面波動(dòng)幅度增加，波動(dòng)不規(guī)則，而隨著含水率的上升，油水界面波動(dòng)幅度增大;與此同時(shí)，還嘗試采用環(huán)形電阻探針對(duì)管流半分散、完全分散體系進(jìn)行平均持水率及局部相分率的測(cè)量，得出了不同流型下的阻抗和平均含水率關(guān)系曲線;NGAN[4]與PLASENCIA[8]采用環(huán)形平行探針成功地對(duì)管壁處連續(xù)相流體進(jìn)行識(shí)別，高電流值代表水連續(xù)，而低電流值則代表油連續(xù)。

　　綜上所述，電導(dǎo)探針主要用于兩相流動(dòng)流型檢測(cè)、管道橫截面平均及局部相分率測(cè)量、兩相界面波動(dòng)及管壁處連續(xù)相流體判別等方面，集中體現(xiàn)在對(duì)于分層光滑流、分層波浪流及雙流體流型下油水界面高度、形狀及界面不穩(wěn)定性的測(cè)量及對(duì)分散體系平均相分率的估算上。與此同時(shí)，不同的電導(dǎo)探針存在測(cè)量適用范圍的差異，雙平行探針多用于管道橫截面相分率平均值的測(cè)量及截面界面波動(dòng)特性的捕捉，而侵入式探針原則上可進(jìn)一步識(shí)別管道橫截面任一位置的相分率，環(huán)形探針則測(cè)量兩環(huán)探針之間的管道流體柱的平均相分率，同時(shí)可識(shí)別管壁處連續(xù)相流體。在實(shí)際測(cè)量中，多基于研究目標(biāo)而將其中兩種探針組合使用。

　　1.3技術(shù)的局限性

　　電導(dǎo)探針存在應(yīng)用的局限性，一方面來源于信號(hào)處理的技術(shù)要求，難以建立輸出信號(hào)與持液率之間準(zhǔn)確的關(guān)系;另一方面在于無法準(zhǔn)確測(cè)量管道截面瞬時(shí)局部相分率，大多僅僅是對(duì)于平均相分率的描述。目前僅僅在部分高校或者科研機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部環(huán)道油水流動(dòng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量中得到應(yīng)用。最近，NGAN[4]采用英國ITS(IndustrialTomographySystems)研制的高精度電阻層析成像儀，基于多探針采集，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)瞬時(shí)油水局部相分率的測(cè)量。

　　2FBRM聚焦光束反射測(cè)量儀

　　2.1基本測(cè)量原理

　　FBRM聚焦光束反射測(cè)量儀也稱粒度儀，其主要作用是對(duì)油水分散體系中分散液滴尺寸及數(shù)量在線高精度、高靈敏度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。粒度儀的工作原理主要是利用其探頭內(nèi)的激光光源纖維發(fā)射激光，激光進(jìn)入光束分裂器分裂，分裂后的激光束再經(jīng)過高速旋轉(zhuǎn)的棱鏡，使得光束路徑偏離中心軸并且聚焦，形成光“焦點(diǎn)”(“焦點(diǎn)”在探頭外附近)，隨著鏡光片的高速旋轉(zhuǎn)，激光束路徑以及“焦點(diǎn)”也不斷地在中心軸方向以恒定速率回旋，“焦點(diǎn)”射在待測(cè)樣中，激光在顆粒表面發(fā)生散射，一定比例散射光會(huì)返回進(jìn)入探頭，最后到達(dá)探頭探測(cè)器，儀器自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)分析，統(tǒng)計(jì)液滴顆粒的弦長，并給出不同弦長的數(shù)量累計(jì)分布。

　　2.2油水兩相流動(dòng)中的應(yīng)用

　　粒度儀最先應(yīng)用于攪拌罐及反應(yīng)釜內(nèi)油水分散體系穩(wěn)定性及微觀液滴分布形態(tài)的研究，學(xué)者們通過其在不同條件下的分布特性表征含水率體積分?jǐn)?shù)[9]、外部慣性力[10]及活性劑濃度[11]等因素對(duì)油水分散體系穩(wěn)定性的影響。對(duì)于油水兩相管流而言，學(xué)者們[3，4，12，13]發(fā)現(xiàn)雙流體及分散流動(dòng)過程中，油水兩相之間的相互摻混及分布極大地影響油水體系的有效黏度和流動(dòng)的穩(wěn)定性。

　　近些年，已有學(xué)者陸續(xù)采用FBRM開展管流液滴分布測(cè)量的研究。KHATIBI[14]采用雙FBRM探頭對(duì)含水率為10%的油水不穩(wěn)定分散體系上游及下游的液滴進(jìn)行測(cè)量，探究混合流速對(duì)于液滴分布的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：上下游液滴分布的尺寸和分布范圍存在差異，進(jìn)而集中體現(xiàn)了管流分散體系中的不穩(wěn)定性，而活性劑的添加降低了不同混合流速下的液滴分布差異，增強(qiáng)了油水分散體系的穩(wěn)定性。PLASENCIA[8]采用FBRM對(duì)不同性質(zhì)的六種原油分散體系液滴進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：原油物性極大地影響了液滴的分布情況，集中體現(xiàn)為原油內(nèi)活性物質(zhì)(比如瀝青質(zhì))及黏度等因素對(duì)油水體系乳化程度的影響的差異化，同時(shí)認(rèn)為大液滴的形成是反相發(fā)生的誘導(dǎo)因素，液滴聚并及反相的發(fā)生不僅僅取決于連續(xù)相黏度的大小，還與界面活性物質(zhì)有關(guān)。PLASENCIA[15]采用Span80乳化的ExxsolD80mm模擬油進(jìn)行不同混合流速下的液滴分布測(cè)量，其固定含水率為83%，發(fā)現(xiàn)低流速下液滴分布變化很小，而在此流速區(qū)間上的有效黏度則逐漸降低;而在高流速下區(qū)間內(nèi)，液滴尺寸隨混合流速的增加逐漸減小，有效黏度逐漸增大。

　　除此之外，采用上述乳化體系，觀察16、32、60、90mm4種不同管徑下反相前后液滴分布的變化發(fā)現(xiàn)：含水率固定的條件下，液滴尺寸隨混合流速的增加逐漸增大直至反相前，反相后液滴尺寸驟然變小。除FBRM能對(duì)液滴分布進(jìn)行測(cè)量統(tǒng)計(jì)以外，顆粒錄影顯微鏡技術(shù)PVM(ParticleVideoMicroscope)通過提供高顯微質(zhì)量實(shí)時(shí)在線記錄顆粒的圖象信息，對(duì)于圖像的處理也能夠?qū)崿F(xiàn)分散體系液滴尺寸及數(shù)目的統(tǒng)計(jì)及測(cè)量，然而其大多應(yīng)用于反應(yīng)釜中，鮮有關(guān)于其在管流油水分散體系中的使用。相比于FBRM，PVM由于其直接對(duì)液滴圖片進(jìn)行分析，避免了弦長向粒徑轉(zhuǎn)化帶來的誤差，因而對(duì)液滴尺寸的測(cè)量更為準(zhǔn)確，但對(duì)于小液滴尺寸(<5μm)無法有效測(cè)量，體系平均粒徑尺寸測(cè)量值高于FBRM，兩種測(cè)量方法可基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和對(duì)數(shù)正態(tài)分布相互建立關(guān)聯(lián)轉(zhuǎn)化模型，提高單個(gè)設(shè)備的測(cè)量精度。

　　3光學(xué)測(cè)量設(shè)備

　　3.1基本測(cè)量原理

　　高速攝像作為最先應(yīng)用于油水兩相流動(dòng)的光學(xué)測(cè)量設(shè)備，由于其自身較高的采樣頻率及直觀的圖像表征形式，已成功代替目測(cè)法，實(shí)現(xiàn)了油水管流流型判別及其對(duì)流型轉(zhuǎn)化過程中油水結(jié)構(gòu)瞬時(shí)變化規(guī)律的研究，集中體現(xiàn)為對(duì)油水相間不同摻混程度的定性比較。激光多普勒測(cè)速儀LDV/LDA(LaserDropplerVelocimeter/LaserDropplerAnemometry)作為一種非接觸式激光測(cè)量設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)油水流動(dòng)過程中瞬時(shí)速度的準(zhǔn)確測(cè)量，并且其反應(yīng)迅速，數(shù)據(jù)采集頻率高，具備較高的解析力和較寬的測(cè)量范圍。ELSETH[16]采用LDA成功測(cè)量了油水兩相流動(dòng)過程中的局部平均速度及湍流強(qiáng)度。但是，LDA技術(shù)限制于單點(diǎn)測(cè)量，無法同時(shí)描述整個(gè)流場(chǎng)的流動(dòng)信息，也缺乏對(duì)于同時(shí)刻油水兩種介質(zhì)不同流動(dòng)行為的追蹤。

　　粒子圖像測(cè)速技術(shù)PIV(ParticleImageVelo‐cimetry)[17-18]克服了LDA單點(diǎn)測(cè)量的局限性，已逐漸被學(xué)者們用于油水管流流場(chǎng)的測(cè)量，作為一種非接觸在線激光全場(chǎng)測(cè)量技術(shù)，其能夠捕捉測(cè)量區(qū)域內(nèi)全部的速度矢量。完整的PIV系統(tǒng)由激光發(fā)射器、PIV相機(jī)、同步器、示蹤粒子及流場(chǎng)分析處理軟件構(gòu)成。其測(cè)量原理主要通過激光發(fā)射器一瞬間發(fā)出兩個(gè)激光脈沖，經(jīng)柱透鏡片光源鏡頭組后，形成片狀激光，照亮事先加入流場(chǎng)中的示蹤粒子，通過PIV專用相機(jī)的雙曝光功能，一瞬間獲得兩次曝光，并且通過同步器確保激光發(fā)出的兩個(gè)脈沖分別落入相機(jī)的兩次曝光中，使相機(jī)獲得一瞬間示蹤粒子在流場(chǎng)中位移前后兩幀的圖像，通過對(duì)兩幀圖像的互相關(guān)處理，獲得全場(chǎng)速度矢量分布[19]。

　　平面激光誘導(dǎo)技術(shù)PLIF(PlanarLaserInducedFluorescence)[20-22]多用于測(cè)量兩相相間形態(tài)的變化。其測(cè)量原理與PIV測(cè)量原理類似，添加在油水兩相中某一相的熒光粒子受一定波長的激光激發(fā)后，向外發(fā)射波長高于激發(fā)波長的光，光經(jīng)相機(jī)鏡頭偏光片的過濾后，記錄在相機(jī)感光元件上，以此呈現(xiàn)出所測(cè)相的形態(tài)，借助于高頻激光發(fā)射器及高速攝像機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)油相或者水相微觀形態(tài)瞬時(shí)變化的動(dòng)態(tài)捕捉。

　　4伽瑪相分率儀

　　4.1基本測(cè)量原理

　　伽瑪相分率儀[16]主要依靠伽馬射線對(duì)介質(zhì)較強(qiáng)的穿透能力，利用介質(zhì)對(duì)伽馬射線吸收率的不同，介質(zhì)密度大吸收射線多，密度小吸收少，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)不同介質(zhì)相分率的非接觸式測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中一般將伽馬射線源與檢測(cè)探頭放置管道兩側(cè)，當(dāng)伽馬射線通過流經(jīng)管道的油水混合物時(shí)，探頭便可檢測(cè)到射線的強(qiáng)度(計(jì)數(shù))，結(jié)合實(shí)驗(yàn)前伽馬射線對(duì)油水單相強(qiáng)度單獨(dú)的標(biāo)定，即可得出混合體系油水的相分率[25]。

　　5結(jié)束語

　　由于先前研究受制于測(cè)量設(shè)備的能力，難以對(duì)流動(dòng)過程中油水兩相相間行為變化及細(xì)觀兩相流場(chǎng)演變等方面進(jìn)行準(zhǔn)確的觀察及測(cè)量，更缺乏對(duì)宏觀流動(dòng)現(xiàn)象背后的細(xì)觀及微觀機(jī)理解讀，因而無法做出對(duì)影響流型轉(zhuǎn)化、壓降變化規(guī)律等測(cè)量參數(shù)變化的因素進(jìn)行理論分析，難以建立完善的理論。

　　建議如下：(1)兩相流動(dòng)流場(chǎng)信息測(cè)量。借助于以上儀器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)瞬時(shí)復(fù)雜流場(chǎng)的測(cè)量，獲得準(zhǔn)確的油水兩相之間及各自與管壁之間的速度滑移比，清晰地描述管道軸向兩相速度分布，從細(xì)觀流動(dòng)結(jié)構(gòu)上確定影響油水兩相相間作用的決定性因素，建立新的流型轉(zhuǎn)化機(jī)理，進(jìn)而確定不同流型下的壓降計(jì)算模型。(2)油水界面捕捉。油水界面的捕捉包括油水分層流下界面的波動(dòng)，雙流體流下相間的摻混，分散流下液滴的分布。開展此類研究能夠確定油水界面摩擦因數(shù)，因局部及完全分散引起的有效黏度變化趨勢(shì)及其對(duì)壓降規(guī)律的影響，進(jìn)而完善壓降計(jì)算模型，提高壓降預(yù)測(cè)精度。

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　　石油方向論文投稿刊物：《石油石化節(jié)能》雜志創(chuàng)于1985年，是國家新聞出版總署批準(zhǔn)的石油科技期刊，由中國石油天然氣集團(tuán)公司主管、大慶油田有限責(zé)任公司主辦、大慶油田工程有限公司和大慶油田技術(shù)監(jiān)督中心承辦，國內(nèi)外公開發(fā)行，以介紹國外石油的科技成果，先進(jìn)技術(shù)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)為辦刊宗旨，結(jié)合國內(nèi)油田生產(chǎn)實(shí)際，為全國油田工程技術(shù)人員、科技情報(bào)工作者、石油大專院校師生和石油技術(shù)人員提供最新、最全的信息服務(wù)。榮獲石油行業(yè)綜合性核心期刊。

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