1. 引言
气井开采过程中，受反凝析水、压裂液或边底水等影响，常常会发生井筒积液，导致气井减产或停产。为了避免气井停产，常采用优化管柱、泡沫排液、柱塞排液、气举排液等 [1] 方法，降低井筒积液量，提高气井产量。为了更好的应用排液采气工艺在合适的时机与位置进行干预，就需要明确井筒中的流动特征。前人通过大量的研究，得到临界携液流量的预测模型 [2] - [8] 为后续研究提供了经验参考。本文搭建了气井井筒携液/积液模拟多相流试验装置，模拟井筒中低气速下两相流动过程中测量液滴尺寸，观测分析液膜流动现象，明确井筒中积液机理。
2. 积液机理实验方法
2.1. 多相流实验循环管路
为在室内条件下，搭建多相流装置模拟气井生产过程中气液两相流动，通过观察和测量来分析和表征液体流动行为特征，重现液体反转行为，对气井积液机理进行研究。
模拟实验装置如图1所示，包含3.2 m高的50 mm可视化测试管，气液混合从底部进入，通过ERT、压力计、马尔文粒径测量仪、液膜剥离装置实现对气液界面、相含率、压降等参数测量。其中，高度为2.5米处采用液膜剥离装置采集管壁液膜携液量，剥离液膜后采用马尔文粒度仪测定气芯中夹带的液滴尺寸。气相供给系统为空气压缩机，最大输入气体流量为220 m3/h。气相流量计量采用玻璃转子流量计，量程为0~160 m3/h；液相流量计量使用涡轮流量计，量程为0~0.25 m3/h。
2.2. 多相流测试参数监测方法
1) 压力测量
在高度1 m和2.5 m处使用压力传感器获取压力信号，使用自研的编译软件将电流信号转换成压力值，将两个压力值相减即可获得流动压降。
2) 液滴粒径测量
在垂直管3 m处对液滴取样，取样头如图2所示，取样管弯头直径5 mm，放置于管道中心。使用马尔文粒度仪(图3)对液滴尺寸进行测量分析，可进行离线和在线粒径分布测量，得到多相流体中离散相的体积分布曲线及特征粒径(d10、d50、d90、d32和d43)，测量粒径的范围为1 μm~2500 μm。
3) 相含率测试
在高度1 m处安装电阻层成像仪ERT (Electrical Resistivity Tomography)装置，使用电阻层成像技术获得气液两相含率分布。如图4所示。实验中应用的ERT型号为EIT3000，由电极传感器、数据采集系统和采集计算机组成，最高图像采集速度为1000双幅/秒，电极传感器为双圈传感器，每圈十六个电极，横截面图像像素为20 × 20，数据采集系统包含传感器采集信号。
4) 流动现象观测
使用录像机记录液膜流动现象，观察液膜形状特征及流型过渡转换行为，使用高速照相机对高速流动下的液膜流动行为拍照记录，观察不同气液比下液膜流动特征。
3. 实验结果及分析
3.1. 液滴尺寸测试分析
使用马尔文粒度仪对气相中夹带的液滴进行分析，测量其尺寸分布，分析液滴形态特征。当气液两相处于环状流时，气相中会夹带液滴向上流动，测量在环状流–搅拌流过渡区间内展开，以对比验证液滴反转理论的正确性。图5为五个工况下的液滴粒径测量结果，分别对应气液比为：1463 m3/m3，512 m3/m3，375 m3/m3，300 m3/m3，233 m3/m3。
图中横坐标为液滴尺寸，单位为微米；直方图为该尺寸下的液滴频率，曲线图为液滴尺寸累计体积。合理的液滴尺寸测量结果为正态分布，但图5(a)显示当气液比为1463时，存在2500 μm的液滴，可能是高气液比条件下在液滴取样处存在一定的聚并行为，聚并后的液滴尺寸为2500 μm。
表1为五个气液比对应的液滴尺寸具体数值。测量结果显示，累计体积分数 = 10%的液滴尺寸范围为7.56 μm~30.50 μm；累计体积分数 = 50%的液滴尺寸范围为28.51 μm~192.41 μm，累计体积分数 = 50%的液滴尺寸范围为144.63 μm~1863.87 μm。随着气液比的增加，液滴尺寸呈现增大趋势，携液能力增强，携液液滴直径增大。
取已发表文献和本研究的实验数据，求取最大液滴尺寸如表2所示。结果显示Turner假设的最大液滴尺寸范围为3201 μm~9024 μm，远大于本研究实测的液滴尺寸。由此可见，Turner提出的液滴反转现象不会出现在实验中，根据液滴反转假设建立的积液预测模型缺乏实验支持。一些研究者也发现了类似现象，Alamu (2012)的马尔文粒径测试结果和本研究结果相近，van’t Westende (2008)等人通过多普勒测速仪也没有发现液滴出现反转现象 [9] [10] ，研究表明液滴反转可能不是流体反转和积液的原因。
Table 2. Maximum droplet size (droplet inversion theory)
表2. 最大液滴尺寸(液滴反转理论)
3.2. 液膜流动行为研究
3.2.1. 液膜流动现象
在直径为50 mm的实验管道内进行了24组携液实验，实验表观液体流速设置为0.014、0.028、0.042、0.071 m/s，表观气体流速为22.64、19.81、16.98、14.15、11.32、8.49 m/s，实验工况的气液比范围1600~120，测量参数包括流动现象拍照记录、压降、相含率以及液膜流动速度。不同工况下的液膜流动现象拍照记录如下(图6~9)。
Figure 6. Image recording when superficial liquid velocity = 0.014
图6. 表观液速 = 0.014时的图像记录
Figure 7. Image recording when superficial liquid velocity = 0.028
图7. 表观液速 = 0.028时的图像记录
Figure 8. Image recording when superficial liquid velocity = 0.042
图8. 表观液速 = 0.042时的图像记录
Figure 9. Image recording when superficial liquid velocity = 0.071
图9. 表观液速 = 0.071时的图像记录
当气相表观流速为22.64 m/s时，高速摄像可以观测到液膜波纹较少，且连续向上流动。随着气相表观流速的降低，液膜逐渐变厚，液膜界面波变得显著。当气相表观流速降低至16.98 m/s时，界面波显著，液膜出现反复上升–反转震荡并呈现有回落趋势。当进一步相表观流速为11.32 m/s和8.49 m/s时，液膜形态变化复杂，厚度显著增加，液相以块状向段塞流过渡。
根据试验确定液膜反转范围限定在气体流速为16.98 m/s到14.15 m/s间，根据视觉观察液膜流动轨迹和拍照，确定液膜流动反转临界气体流速，如表3所示：
Table 3. Experimental values of critical gas velocity for liquid film inversion
表3. 液膜反转临界气体流速实验值
3.2.2. 压降
图10为压降实验值与表观气体流速的关系。可以看出不同液体流速下的压降曲线变化趋势是一致的，在一定液体流动速度下，压降测量值随着气体流速的降低而减小，当减小至某一极小值时，压降随着气体流速的降低而增加，表观液速 = 0.014 m/s、0.028 m/s、0.042 m/s、0.071 m/s工况的压降极小值出现分别在表观气速 = 14.15m/s、14.15 m/s、16.98 m/s、16.98 m/s。决定气液两相流动压降有三个因素：重力压降、摩擦压降以及加速压降。大部分情况下加速压降很小可以忽略，因此重力压降和摩擦压降决定着总压降。随着气体流速减小，摩擦压降会降低，而重力压降会因为液膜厚度增加而增加。在压降极小值点右边，摩擦压降减小对总压降的贡献大于重力压降增加对其的贡献，因此总压降呈减小趋势；在压降极小值左边，重力压降增加的贡献大于摩擦压降减小的贡献，因此总压降随气速降低而增加。若进一步减小气速，流型可能过渡为段塞流，此时的压降可能进一步增加。结合液膜反转临界流速发现，液膜反转流动点处于最小压降点附近，表明液膜反转之后可能导致流型出现变化，压降则可能出现复杂的波动趋势。
4. 结论
通过上述井筒携液模拟实验，可以得到以下结论：
1) 实验测得的累计体积分数为90%的液滴粒径分布为144~1863 μm，远小于Turner假设的最大液滴尺寸范围为3201 μm~9024 μm。
2) 试验分析表明，液滴反转可能不是流体反转和积液的原因，因此液膜反转理论可能是引发积液的主导因素。
3) 通过对液膜流动进行研究，得到了液膜反转流动行为特征、压降波动行为和相含率分布，确定了本实验条件下的临界携液气相流速。
基金项目
中石化科技攻关项目《复兴侏罗系陆相页岩油气采油气技术》(P21078-8)。