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摘要：油井产量的实时测量是油田智能化的关键环节，但由于油水两相流存在相间作用，流型复杂多变，各相在空间上不均匀，且在油田现场实际工况中有油水两相流量变化范围大，流型变化快等难题，对油井含水率和流量的测量及测量装置的正常工作能力都提出了巨大考验。调研研究发现基于螺旋流压差特性的油水两相流测量方法一方面能够克服流型多变对油水两相流测量的影响，另外一方面利用成熟的压差传感技术具有信号稳定、成本低廉的优点。本文重点介绍螺旋流压差法的发展历程，以及应用于油水两相流中优势特点，并对基于螺旋流压差法油水两相流测量原理进行介绍。

关键词：油水两相流测量，压差特性，螺旋流，含水率测量

1概述

油田智能化是石油工业未来发展的趋势，也是石油工业长远发展的战略支撑。油田智能化的核心是对生产数据进行持续的实时监控。实时准确的油井生产数据，对及时分析油井生产动态、预估油井产量及油井生产寿命、降低输送能耗、油品分类等工作具有重要意义。基于在此背景下，原油产出液流量或含水率测量技术正引起国内外专家和研究学者们广泛的关注和兴趣。但是由于多相流由于存在相间作用，流型复杂多变，各相在空间上不均匀，在时间上不连续，并且油田现场实际工况中存在流量变化范围大，流型变化快等难题，对含水率和流量的测量及测量装置的正常工作能力都提出了巨大考验。如何能设计出满足现场实际应用需求，工业要求精度，经济合理的油水两相流不分离实时在线测量方法研究具有重要的工程应用价值。

2螺旋流压差法在油水两相流测量的发展

螺旋流是流场中常见的一种现象，因其特殊特性，在动力工程、航空航天、和管道输送等工业工程方面有着广泛的应用。一般来说，螺旋流产生有如下三种途径：设置起旋装置、切向进流和旋转管道。其中，切向进流和旋转管道，管道结构需发生变化，具有一定局限性，设置起旋装置因为体积小，无运动部件，以及结构简易备受国内外学者关注。

螺旋流是指基于两相或多相流之间各物质的密度差，因为气液两相之间密度相差较大，当气液两相流通过旋流器形成螺旋流时，气液两相在离心力的作用下，液相会被甩至壁面上液膜，气相汇集于低压旋涡中心形成气芯。故在石油工程领域，国内外学者在之前的研究中更多的将螺旋流运用于气液两相流中。

2012年，张强[1]提出一种基于长喉径文丘里管的双差压湿气流量测量方法分析了压差比、气相表观流速和液气质量流量比之间的关系，通过迭代算法解决了气相表观流速在实际工程中无法获得的难题，建立了新型的长喉颈文丘里管湿气测量方法，实现了湿气气液两相的高精度测量。

2018年，田季[2]采用差压法测量与近红外光谱技术相结合的方法，提出了将近红外系统布置于长喉颈文丘里管喉管位置的新结构，同时优化了测量系统的细节设计，提高测量准确度。

2019年，郑永建[3]提出了由文丘里管和射线技术相结合的湿气测量方法，利用射线技术测量截面含气率，采用文丘里管获取低压下的液体表观流速，通过线性回归方法得到了湿气的修正模型。

通过研究发现螺旋流技术用于油水两相流测量当中也表现非常好的应用进展。

2018年，王帅[4]等人发现当油水两相流处于管内相分隔状态时，会在管道横截面产生径向压差和沿管道壁面变化的轴向压差，并通过研究发现径向压差和轴向压差与油水两相流的流量和含水率等变量之间有一定相关性，通过利用这一特性可以实现油水两相流中的含水率测量。

2021年，Wang[5]等人采用管内相分隔法建立了油水两相流中沿管道轴线方向和某横截面沿半径方向的两个压力差的耦合模型，并通过现场试验数据验证了该测量模型的可行性。

2022年，Yang Yang、Ha Wen[6]等人针对具有较高含水率的油水两相流提出了一种将电磁流量计和相分隔方法相互结合的含水率测量新方法。相分隔的运用为电磁流量计排除了不导电相散乱分布的影响，使其测量环境得到改善。

基于螺旋流压差特性的油水两相流测量方法一方面能够克服流型多变对油水两相流测量的影响，另外一方面利用成熟的压差传感技术具有信号稳定、成本低廉的优点。

3螺旋流压差法测量原理

在管内油水两相螺旋流研究过程中发现，在理想状态下，当一定速度的油水混合介质由旋流器入口切向进入后，由于油相与水相间的密度差异，油水靠自身动力在旋流器内流动之后，水相由于密度大，受到的离心力就大，将甩到管壁的四周，并且密度越低，油相获得的离心力越低，聚结在管道中心。其中由于流体具有切向速度，这种旋流作用使各相在管内形成特定的分布区域。最终形成“油核-水环”的流动。并产生径向压差和轴向压差。

研究发现，当油水两相流在管内做螺旋形旋转运动时，会产生径向压差和轴向压差。径向压差是油水两相流在旋流过程中由于离心力的作用而产生的，油水两相流在经过旋流器后形成螺旋流，密度较大的水相会获得更大的离心力，更有利于向管壁运动，而密度较小的油相停留在管中心。

3.1径向压差形成原理

径向压差是指油水两相流螺旋流状态下在某横截面上壁面和管中心之间的压差。如图2-3所示，随着流速的增加，旋流的强度不断增大，造成较大的径向压差。在理想条件下，可以将径向压差看作是由管中心到油水分界面和油水分界面到管壁的压差。

式中：为旋流器下游某截面的径向压差，Pa；为管中心到油水分界面的压差，Pa；为油水分界面到管壁的压差，Pa。

3.2轴向压差形成原理

在管内油水两相流流经旋流器时，由于旋流器的存在导致油水两相流流经旋流器时受到旋流器的节流作用和摩擦阻力而产生流动损失，同时油水两相之间的摩擦和碰撞也会增加能量消耗，油相分子间的相互作用力远大于水相分子间作用力。特别是在高含水高黏度油水两相流通过旋流器时，此时油相主要以块状形式存在，油水两相间的能力消耗可以忽略不计，正是由于上述的能力消耗从而导致在旋流器上下游之间壁面上出现压差，即为轴向压差，轴向压差相当于流体流经阻件时产生的压差，等于各相压差总和。

由于油水两相流通过测量装置时的相分布和速度分布总是对称的，流量的测量不受流型限制，克服流型多变对油水两相流测量的影响。王帅等人发现径向压差与流量有一定函数关系，油水两相通过旋流器时，研究发现流量与径向压差有一定函数关系，如下式所示：

式中，为油水两相流的质量流量；为流量系数；为管径；为管中心与的壁面的径向压差；为修正系数；为油相密度；为水相密度；为含水率。

由上述公式可知，当实际进行油水两相流测量时，若测出某截面的径向压差后，当油水两相流的流量和含水率中的任意参数已知，则可以通过利用上述测量模型求出另一参数，从而实现油水两相流的测量。

根据伯努利方程和连续性方程，假设质量流量为，得到质量流量和流量系数及压差的关系式如下所示。

式中，为油水两相流体流过上游截面与下游截面之间的管段时的壁面轴向压差，Pa；为流量系数。

经过研究发现，轴向压差与径向压差与对流量和含水率变化十分敏感，且具有一定函数关系。可以通过利用该原理实现对油水两相流流量和含水率的测量。

4结论

（1）通过调研研究发现，螺旋流作为流场中常见的一种现象，国内外学者在之前的研究中被广泛运用于气液两相流中。通过研究发现螺旋流技术用于油水两相流测量当中也表现非常好的应用进展。

（2）在管内油水两相螺旋流研究过程中发现，在理想状态下，当一定速度的油水混合介质由旋流器入口切向进入后，由于油相与水相间的密度差异，油水靠自身动力在旋流器内流动之后，最终形成“油核-水环”的流动。并产生径向压差和轴向压差。

（3）径向压差是指油水两相流螺旋流状态下在某横截面上壁面和管中心之间的压差。轴向压差是纸旋流器的存在导致油水两相流流经旋流器时受到旋流器的节流作用和摩擦阻力而产生流动损失产生的压差。经过研究发现，轴向压差与径向压差与对流量和含水率变化十分敏感，且具有一定函数关系。

参考文献

[1] 张强，徐英，张涛.基于长喉径文丘里管的双差压湿气流量测量[J].天津大学学报，2012，45（02）：147-153.

[2] 田季. 长喉颈文丘里管与近红外光谱技术的气液两相流测量研究[D].河北大学，2018.

[3] 郑永建，王镇岗，潘艳芝，赵月前.基于文丘里管和射线技术的低压湿气测量方法[J].天然气工业，2019，39（09）：117-122.

[4] 王帅，王栋，董宝光，李瑞华.基于管内相分隔的径向压差在多相流测量的应用[J].化工学报，2018，69（12）：5049-5055.

[5] Shuai Wang， Dong Wang， Wei Zhang， Yang Yang， Zhong you Zheng， coupled model of dual differential pressure （DDP） for two-phase flow measurement based on phase-isolatiomethod， Flow Measurement and Instrumentation， Volume 80，2021，102005，ISSN 0955-5986

[6] YangYang， Wen a， Chao Zhang， Ming Liu， Xingkai Zhang， Dong Wang， Measurement of high-water-content oil-water two-phase flow by electromagnetic flowmeter and differential pressure based on phase-isolation， Flow Measurement and Instrumentation，Volume84，2022，102142， ISSN 0955-5986

作者简介；鲁嘉栋，男，汉族，陕西省西安市，2002.02.09，多相流测量及控制，学生，本科学历