2.2  管路可靠性分析

        白油在管道内单相流动过程中，处于层流区，管壁处流体均为分层流动，层与层之间没有质量交换。根据流体力学理论，对管道内截面流体平衡受力分析，管壁处剪应力为

        数值上处于层流区时管壁处的剪切速率即是对应条件下管流液体的有效剪切速率。牛顿流体层流区流动时的管流有效剪切速率可采用式(3)进行计算

        分析水平测试管段的稠油管流特性，评价管流测试系统的准确性及有效性。采用式（2）和式（3）得到两种白油在环道内单相流动状态下剪切应力与剪切速率之间的关系，并与相同温度下的流变仪测试结果进行对比，如图5所示。

        由图5可以看出，两种白油的环道模拟结果剪切应力整体均比流变仪测试结果偏大，这可能由于油与管道内壁接触时，接触面的油温相对偏低，导致相同剪切速率下的剪切应力偏大。但是，这种平均相对偏差均在20%以内，在误差允许范围内，间接验证了在油单相流动状态下环道模拟装置的准确性较高、测试结果有效、可靠性良好。

2.3 流型特征

        采用高速相机分别拍摄两种白油和空气在不同掺气比时管路流型，其典型流型如图6所示。以220#白油进行说明，当白油流量一定时，随掺入空气的流量或流速的增加，管内流型变化依次为泡状流、弹状流、分层流、段塞流、环状流、雾状流。

        当气液比小于0.3时，流型主要为泡状流，管道内气体以气泡的形式分布于管道上部，流动较为稳定，其原因是气体较少，形成分散的小气泡，气体密度较低，悬浮于油上部形成泡状流；当气液比在0.3～0.6时，主要为弹状流，小的气泡逐渐增大、增多，悬浮于管道中上部，究其原因主要是由于随着气体量的增加，分散的小的气泡汇聚成大气泡，在管道中上部形成气泡、油间歇性流动，同时气泡推动油向前流动。

        当气液比增至3.5～4.4时，管道内出现环状流，其中油相附着在管壁流动缓慢，气相分布于管道中心流动较快，主要是由于气量进一步增大，将段塞的油流冲散形成中心气流边缘油流的环状流。当气液比增至4.4～15时，管道中主要以雾状流为主，主要是附着在管壁的油被吹散以小液滴的形式夹杂在气相当中。当出现环状流和雾状流时，油相流量较低，此时不利于油相的输送。

        与440#白油对比，发现随着黏度的增大，出现分层流的掺气比区间变小，究其原因主要是由于：一方面随着黏度增大泡状流汇集形成分层流需要更高掺气量，另一方面黏度升高，层间切应力增大，液体更容易向前聚集充满管道截面形成段塞。

        根据相关研究与上述流型结果分析，影响这些流型变化的主要因素还包括气液两相的界面张力、管壁粗糙度和液体-管壁的接触角等。

2.4  压降规律分析

        按式（1）计算220#和440#白油在水平管道各流量比下的相对减阻率，如表1所示。对相对减阻率进行计算分析，如图7所示。由此可见，两种白油随着掺气比的增大，减阻率均大致呈上升-下降-上升-平稳的变化趋势，随着油黏度的增加，减阻率整体呈现下降的趋势。

        以220#白油进行说明，当气液比低于0.3时，随掺气比的增大，减阻效果不明显。究其原因，主要是由于气体流量过低，非但不能在油壁之间形成完整的气膜层，反而会被白油冲散与破坏形成小气泡，在管道上部呈泡状流，结果造成气液混输时的黏度与流动阻力下降不明显。随着油品黏度的增大，此趋势下的气液比右移。

        当气液比在0.3～1.17范围时，随掺气比的增大，减阻率呈增大趋势，其减阻率可达到20%以上，其流型主要以弹状流、分层流为主。随气体流量增加，一方面气膜对油壁界面隔离，从而有效降低油近管壁流动界面层的摩擦阻力，另一方面空气使油-油接触转变为油-气-油接触，降低混合相的层间剪切应力，二者相互作用使减阻率显著增加。当油品黏度增大时，此趋势下的气液比范围减小。当气液比在1.17～3.5范围时，随掺气比的增大，减阻率呈下降趋势，其流型主要是分层流、段塞流。其主要原因是随掺气量的增大，管道中逐渐形成段塞流，增加了油壁之间的压力，从而使管道摩擦阻力增大，压降反而增加。当油品黏度增大时，此趋势下的气液比范围增加。

        当气液比大于3.5时，随掺气比的增大，减阻率首先呈上升趋势，之后趋于平稳，其流型主要是环状流、雾状流。此时，管道中被大量气体所充斥，气壁之间的接触面积逐渐增大并趋于平稳，从而使管道摩擦阻力显著减小。当油品黏度增大时，此趋势下的气液比右移。但此种工况，气体所占流通面积过大，不利于油品的输送。

        在相同工况下，220#白油比440#白油整体减阻率更高，在相同的减阻率下气液比可调范围更广。在稠油掺气输送过程中，在气液比小于2的工况下减阻效果较好。220#白油在气液比为1.17时减阻率最大，为48.19%，当气液比为0.47～1.4时，掺气对220#白油的减阻效率高于30%；440#白油在气液比为0.96时减阻率最大，为33.76%，当气液比为0.9～1.2时，掺气对440#白油的减阻效率均高于20%。所以，当两种白油油掺气比为0.9～1.2时，减阻率均可达到20%以上。

2.5  压降模型建立

        目前，最常用的油气混输压降计算公式有DuklerⅠ法、DuklerⅡ法和Beggs-Brill法，三种模型分别基于均相流假设、分相流假设和流型模型建立起来的。本文对DuklerⅠ法和DuklerⅡ法进行对比，探究适合于稠油掺气流动压降预测模型。

（1）DuklerⅠ法和DuklerⅡ法

        DuklerⅠ法假设气、液两相在管道内混合均匀，按照单相管流的方法进行水力计算，将公式中单相流体有关参数替换为气液混合流的平均参数。管路压降采用达西公式计算。

        采用DuklerⅠ法（predicted value Ⅰ）对两种白油的压降进行计算，预测值与实测值对比结果如图8所示。

        DuklerⅡ法认为气液两相流仅在流速非常高时才可近似视为相间无滑脱，而实际管道中的气液两相流的流速一般不同，两相间存在滑脱。利用相似理论，假定气液两相间的滑动比沿管长不发生改变，提出相间有滑脱时的压降计算方法。其压降同样采用达西公式计算。气液混合相密度计算如下。

        此时，气液水平混输水力摩阻系数计算如下

        针对两种白油的压降实测值与DuklerⅡ法（predicted valueⅡ）预测值对比结果如图9所示。

        由图8、图9可以看出，当采用DuklerⅠ法时，220#和440#白油平均相对误差分别为69.87%、87.83%，且预测值均小于实际值，随着黏度的增大这种现象越明显；然而，当采用DuklerⅡ法时，220#和440#白油平均相对误差分别为54.52%、72.01%，预测值虽然也小于实际值，但两种白油的实测值与预测值相对较为接近，且黏度越小预测偏离程度越小。究其原油主要是：一方面DuklerⅡ法考虑了体积含液率和截面含液率对其摩阻系数的影响，所以压降预测值相对较为准确；另一方面DuklerⅠ和DuklerⅡ法都没有考虑油品黏度、掺气比等对其压降的影响，随着液体黏度的增加这些因素是不可忽略的，所以在建立高黏度气液两相流压降模型时必须考虑黏度的影响。

（2）模型修正

        由上面分析可知，两种压降模型预测值均比实际值偏小，DuklerⅠ法计算的预测值与实际值偏差较大，DuklerⅡ法预测值较为接近实际值。可知DuklerⅡ法更适合稠油掺气压降预测，所以本文在DuklerⅡ法压降模型进行修正，在考虑黏度、气液比等因素的基础上，采用非线性回归的方法，建立适用于高黏度气液两相流压降模型。管路压降采用达西公式计算，主要对其摩阻系数进行修正。

        首先，根据压降变化规律，将掺气比分为三个范围：气液比小于1.5、气液比为1.5～3.5、气液比大于3.5。

        其次，对220#白油各掺气比下的实验结果进行单因素变量分析，气液两相流速和密度、液相流速、体积含液率等都会影响油气两相流摩阻系数。

        为进一步分析各因素对摩阻系数的影响程度，采用SPSS软件对各组实验结果进行方差分析，得知当气液比小于1.5时液相流速和体积含液率对摩阻系数影响较为显著，当气液比介于1.5～3.5范围时体积含液率对摩阻系数影响较大，当气液比大于3.5时体积含液率和气液比对摩阻系数影响较明显。对各影响因素进行非线性回归，得到油气两相流的摩阻系数预测模型。其摩阻系数计算如下。

气液比小于1.5时 ：

气液比为1.5～3.5时：

气液比大于3.5时：

        最后，将220#白油压降预测值与实际值进行对比，结果如图10（a）所示。采用440#白油实验数据对压降模型进行验证，计算各测量点的压降值并与实际值进行对比，结果如图10（b）所示。

        由图10可以看出，采用该修正模型时，200#和440#白油压降预测值与实际值的平均相对误差分别为15.29%、16.80%，且95%以上测量点的压降预测值与实际值偏离程度在±25%以内，计算值与实验值较吻合，从而验证了该模型对稠油掺气压降能够较为准确预测，同时也验证了该修正模型适用的黏度范围和流量范围较广。因此，在计算高黏流体气液两相流压降时，必须考虑液相黏度和体积含液率等的影响。

3. 结论

        （1）两种稠油流量越大，管流压降越高，且油黏度越大，压降越大。随着稠油流量的增大，摩擦阻力系数急剧降低，之后趋于平缓，且油黏度越高，摩擦阻力系数越大。管流模拟结果与流变测试结果偏差较小，吻合度较高。

        （2）实验工况下，220#白油在气液比为1.17时减阻率最大，为48.19%；440#白油在气液比为0.96时减阻率最大，为33.76%。当气液比在0.91.2时，掺气对两种稠油的减阻效率均高于20%；其机理可归结为空气使油-油接触面转变为油-气油接触，降低混合相的层间剪切应力。

        （3）当白油流量一定时，随掺气比增加，管内依次可观察到泡状流、弹状流、分层流、段塞流、环状流、雾状流；而且随着油品黏度的增大，出现稳定分层流的掺气比区间变小，出现其他流型的掺气比区间变大。

        （4）相对于DuklerⅠ法而言，DuklerⅡ法更吻合稠油掺气流动压降预测，在DuklerⅡ法基础上建立的新模型可以更好地对稠油掺气两相流进行压降预测，平均相对误差均在20%以内。在稠油采输过程中，可提高气液两相流压降预测精度。