倾斜管道中气液固三相流临界携砂流速建模及非球形颗粒形态效应研究

为解决天然气开采中砂粒沉积导致的井筒堵塞问题，研究人员通过室内实验与理论推导相结合，系统研究了倾斜管道内气液固三相流在临界状态下的流型特征，揭示了颗粒形态和流速对临界携砂流速的影响机制。研究创新性地建立了适用于不同形状固体颗粒的临界携砂流速模型，计算误差小于9%，为优化气井排砂工艺提供了重要理论依据。

　　

在天然气开采领域，煤层气井和致密气井的开发常面临砂粒随流体产出导致的井筒堵塞难题。随着气井产量下降，流体携砂能力减弱，砂粒逐渐沉积可能引发油管堵塞、加速管壁磨损，甚至造成严重生产事故。传统临界携砂流速模型存在两大局限：一是仅适用于理想球形颗粒，而实际产出的砂粒多呈不规则几何形状（如椭球体、多面体等）；二是忽视液相流速对携砂过程的影响机制。这些问题导致现有模型预测偏差显著，亟需建立更精确的量化模型。

为突破这些限制，Yangtze University石油工程学院的Guowei Wang团队在《Results in Engineering》发表研究，通过大型气液固多相流实验平台（含13米透明丙烯酸管段、高速摄像系统等），系统分析了球形/非球形颗粒在临界状态下的动力学行为。研究创新性地引入颗粒比表面积(A/V)量化形态特征，结合滑脱因子(k)表征气液相间速度差异，建立了融合形态参数与流态特性的新型临界携砂流速模型。

实验方法与关键技术

研究采用控制变量法设计四组实验：①固体颗粒形态（球形/椭球体/八面体/六面体/四面体）；②液相流速(0-4 m/s)；③管道倾角(0-90°)；④气相流速(0-18 m/s)。通过高速摄像捕捉流型演变，采用进口/出口流量平衡法验证临界状态。关键技术创新包括：采用特定表面方程ln(A/V)=-0.69ln(V)+0.22描述颗粒形态；建立改进的曳力系数模型C_D0=-1737.943+156.602/Fr+0.955Re×ln(Re)；开发滑脱因子计算公式k=7.02e^(-x/0.025)e^(-d/0.03)。

主要研究结果

1. 1.

   临界状态流型特征：气液固三相流在临界条件下呈现"湍流向环状流过渡"的独特流型，固体颗粒在伪液相层中保持动态平衡，气相核心流与近壁扰动波形成显著速度滑脱。当气相流速低于临界值时，砂粒净流出量小于流入量，引发沉积。

2. 2.

   颗粒形态影响：相同体积下，四面体颗粒的临界携砂流速比球形高23.86%，椭球体、八面体、六面体分别增加5.18%、8.83%、16.73%。这源于非球形颗粒更大的有效接触面积（四面体达0.89 mm² vs 球形0 mm²）和不对称曳力分布（四面体曳力3959.57 N vs 球形1185.35 N）。

3. 3.

   气液流速耦合效应：液相呈现"双重作用"——低流速(<2 m/s)时兼具输送介质与润滑功能，当流速>2 m/s时产生阈值效应。气相滑脱效应通过公式u_g=[xρ_l+k(1-x)ρ_g]/[xρ_l+(1-x)ρ_g]×u_f显著影响携砂效率。

4. 4.

   模型验证：新模型在Wang Xiuwu（球形黄砂）和Su Jianpeng（石英砂）实验数据验证中，误差仅8.92%和7.20%，显著优于传统模型（误差最高达72.03%）。

研究意义与创新

该研究首次系统量化了颗粒形态参数(A/V)对携砂流速的影响，突破传统球形假设局限。通过引入滑脱因子(k)和伪液相层概念，阐明气液协同作用机制。所建模型为气井生产制度优化提供精准预测工具，尤其适用于煤层气井等低产气井的防砂决策。未来可通过全尺寸数值模拟进一步验证实验室尺度结论，推动理论模型向工程应用转化。