垂直管径内油水两相流流型与涡轮传感器间特性实验研究

王鹏程

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司 黑龙江 大庆)

0 引 言

测量开发井中混合流体的流动主要是通过涡轮传感器进行的，涡轮传感器和流体流动特性相互影响因素对测井的影响很大。流动特性包括相分布情况、压差变化、速度分布以及流动型态等，而涡轮传感器的测量是否受到流体流动的影响，国内对其研究取得了一定的成果，在众多流动特征中油滴的形状、分布、速度等参数的准确测量会使人们更加深入地认识这种流动现象的物理本质［1］。随着油田测井技术的不断发展，对测井要求也不断增加。油田测井过程对流量和各项持率测量准确度也不断增加，从而对测井仪器的创新及研制难度不断增加，研究测井仪器内部流体流动特性可以更好地研究仪器性质，因此研究仪器内流通道内涡轮传感器与流体流动特性相互影响是必要的。

1 实验装置结构及其测量方法

实验装置示意图如图1 所示。垂直小管径实验装置主要包括高速摄像拍摄段、压力传感器、涡轮传感器以及阻抗传感器四部分。

该实验装置总高6 m，模拟井筒材料选用有机玻璃，粗糙度0.8 mm，润湿角度75°。装置内流体由下至上运动，下端管径进液口连接油、水相两通道计量管排，计量管排由不同量程流量计组成，以保证流量、含水率精确度在0. 5%。实验装置下端大管径长度为3 m，中间小管径长度为2. 7 m，上端大管径长度为3.3 m。大管径内径为125 mm，小管径内径为20 mm。采用参数为叶片顶端半径7. 30 mm，轮毂半径2.21 mm，叶片导程37.06 mm，轮毂长度6.88 mm，涡轮叶片数为6 的涡轮传感器［2］，距涡轮传感器上拍摄段为45 mm，距涡轮传感器下拍摄段为40 mm，下拍摄段是未经过涡轮传感器、阻抗传感器。透明小管径拍摄端长度为800 mm，在透明拍摄段部分安装透明水箱，防止拍摄的图像失真、变形。两段透明小管径拍摄段中间部分安装有涡轮传感器、阻抗传感器，模拟了仪器内流通道，本实验未对阻抗传感器测量相关参数进行论述。在模拟井测量段安装PCI6220 信号采集系统，如图2 所示，从而可以更好地研究仪器内流通道内流动状态变化。

图2 PCI6220 信号采集系统示意图

实验条件常温、常压，实验介质0#柴油和水，以油滴作为示踪粒子。油水两相界面张力0.04 N/m。0#柴油密度为0.84 g/mL，运动粘度为0.4 mm2/s。油水总流量范围为3 m3/d ～60 m3/d，含水率以每10%的间隔在全水和全油之间调节。高速摄像机在涡轮传感器上、下端口透明拍摄段处进行同时拍摄，拍摄速度根据流速的不同选择范围100 帧/秒～3000 帧/秒，输出像素为1280 ×350 ～1280 ×500。透明拍摄段背光部位安装6400 色温的三基色光源，光线明亮无闪烁。利用计算机控制高速摄像机参数并记录图片和流动视频，通过MATLAB 软件计算获得相关油相速度剖面和油相粒径大小，分析出仪器通道内油水两相流流动特性。

2 涡轮传感器在油水两相流中频率响应规律分析

涡轮传感器的响应频率随着采样点数(可近似看作时间)变化的规律如图3、图4、图5 所示，分别表示含水率为70%、60%、50%。横坐标表示采样的个数，纵坐标表示涡轮传感器响应的频率数，各图中曲线沿着频率值增大的方向是液相总流速增大的方向。

图3 含水率70%涡轮传感器响应频率随采样时间变化关系

图4 含水率60%涡轮传感器响应频率随采样时间变化关系

图5 含水率50%涡轮传感器响应频率随采样时间变化关系

由上图可以看出，涡轮传感器频率随着采样时间的波动很小，即涡轮在油水两相流中的转动受流型的影响很小。

图6 为涡轮传感器响应频率随流速变化关系曲线。横坐标为油水两相流量，纵坐标为涡轮传感器的响应频率的平均值。图6 中4 种图形分别表示含水率为100%、50%、60%、70%，图6 表格中所示即为拟合三种工况所得的直线方程的相关参数。

由拟合的曲线可知:在油水两相流动中，固定含油率时涡轮传感器响应频率与液相总流速呈现很好的线性关系，随着流速增加涡轮响应频率线性增加，不同含油率情况下涡轮传感器的仪表系数(K 值)稍有不同，而且随含油率的增加仪表系数有增大的趋势。

图6 涡轮传感器响应频率随流速变化关系曲线

3 两相流在涡轮传感器影响下流动特性分析

涡轮传感器作为测量流体流量的工具，被广泛地应用于生产测井仪器中。以往的研究对影响涡轮传感器的因素分析较多，但对涡轮传感器对油水两相流流动特性的影响分析较少。因此，开展了在垂直上升20 mm 小管径内油水两相流中涡轮传感器对流动规律影响的研究。

3.1 涡轮传感器对油滴大小的影响

涡轮传感器是一种以动量矩守恒原理为基础的速度式仪表。当流体冲击涡轮叶片时，涡轮产生旋转运动，涡轮的旋转速度随流量的变化而变化，进而依据涡轮的转数求出流量值。流体经过涡轮传感器后，因受到应力的作用，流体的流动会发生变化，从而影响测井仪器测量的精度。

在水连续条件下，油滴大小可以作为涡轮传感器对流体影响的重要指标之一［3］。利用高速摄像机所拍摄的对比图片如图7 所示。流量小于10 m3/d 时，涡轮传感器对油滴产生的聚集效果明显，涡轮传感器上端油滴明显多于下端，上端有较大的油滴存在，其原因是在涡轮低转数时，一部分小油泡附着在涡轮叶片上，当聚集较多油泡时，其浮力较大，使其向上运动;而一部分油滴被涡轮叶片打散，成为一部分小油泡。大于10 m3/d时，涡轮传感器对油滴产生的打散效果明显，其原因是因为在涡轮高转速时，附着在涡轮叶片上的油泡受到较大向管外的切应力，更快地离开涡轮叶片，但由于较高转速，使下端油泡向上运动时，经过涡轮叶片的油泡较多，所以打散效果明显。

图7 涡轮传感器上、下两端流型对比图

基于MATLAB 软件对拍摄的图片进行互相关运算［4］，可计算出所拍摄高速图片内油滴大小分布情况，如图8 所示。从涡轮传感器上下两端油滴数量大小对比曲线中可以看出经过涡轮前后流体状态总体趋势:流量小于10 m3/d 时，涡轮传感器上端油滴大小大于下端，油滴数量上端多于下端;流量大于10 m3/d 时，上端油滴大小小于下端，油滴数量大于下端;流量为10 m3/d 时，涡轮传感器上下两端油滴大小曲线基本一致，证明影响较小。

图8 涡轮传感器上、下两端油滴数量大小对比

3.2 涡轮传感器对流体流速影响分析

在水连续条件下，采用PIV 技术进行各判别小区域测速，图9 为相同流量、含水率下，涡轮传感器上下两端的油相平均速度剖面对比图。横坐标表示小管径径向位置的大小，纵坐标表示油相平均速度。图中涡轮传感器对速度剖面有一定影响，下端油相平均速度明显大于上端油相平均速度。因受到了不同的摩擦阻力的影响，油相的最大速度在小管径中心位置左右浮动。流量为10 m3/d 时，油相的最大速度在小管径的中心，说明流体受涡轮传感器影响最小。

图9 相同含水率与流量涡轮传感器上、下两端油相平均速度剖面对比图

通过以上实验分析可知:在相同流量与含水率条件下，持水率与流速、油相体积有关，涡轮传感器下端油相平均速度大于上端油相平均速度，并且上端油滴数量和大小大于下端。所以涡轮传感器上端的持水率小于下端。在今后仪器改进和新仪器制造中，将涡轮传感器安放在下端，可提高仪器的集流效果，从而提高仪器测量范围。

4 结 论

实验条件常温、常压，实验介质0#柴油和水，以油滴作为示踪粒子。调节油水总流量范围为3 m3/d ～60 m3/d，含水率以每10%的间隔可在全水和全油之间，利用垂直小管径实验装置中压力传感器、阻抗传感器、涡轮传感器及PIC6220 信息采集系统进行测量，运用高速摄像的手段记录不同流量、含水率下流体流动状态，通过计算软件分析得到以下结论:

(1)涡轮在油水两相流中的转动受流型的影响很小。但油水两相流流动特性受到涡轮传感器的影响，油水总流量3 m3/d ～15 m3/d，含水率大于50%时，油水两相流流量10 m3/d，涡轮传感器对油水两相流流动特性影响较小。阻抗传感器在涡轮传感器下，涡轮传感器上端的持水率小于下端的持水率。

(2)随着液相流速增大，油水滑脱速度对持水率的影响减弱，持水率值降低向着含水率值靠近。

［1］钱益斌，杨利民. 管道内油水两相流动研究进展［J］. 化工进展，2009. 28(4)

［2］孙立军，周兆英，张 涛. 液体涡轮流量传感器叶轮几何参数定量优化方法［J］.仪器仪表学报，2007，3 (3)

［3］ 杨 扬，阮 晓 东，杨 华 勇. 基 于MATLAB 的PIV 软 件(MPIV)的开发与应用［J］.机电工程，2005，12(6)

［4］杨 扬，阮晓东，杨华勇. 基于MATLAB 的PIV 软件(MPIV)的开发与应用［J］.机电工程，2005，44 (12)