（机械电子工程专业论文）复杂井试油流程压降分析及安全控制技术研究.pdf

中文摘要 论文题目：复杂井试油流程压降分析及安全控制技术研究 专业：机械电子工程 硕士生：徐海军( 签名)缝瀣星 指导教师：窦益华( 签名) ：垒：查笠 摘要 复杂井是指高温、高压、高含砂、高酸性等施工难度较大的井，在复杂井试 油过程中，必须进行压降分析，以选择相应压力等级的井口、井下工具、油嘴、 管汇等地面流程设备，从而对试油系统进行压力与安全控制。 通过流体在垂直管柱、水平管、地面油嘴等流动分析进行研究，压降分析在 试油工作中起着举足轻重的作用，因此在前人的流体流动理论研究的基础上总结 出适合试油现场实际情况的压力计算公式，为了使试油压降分析计算机化、可操 作化、适应时代化的要求，在前面压力计算的基础上编写复杂井试油压降分析。 同时对地面油嘴的前后的压力变化进行分析，得出采用多级油嘴和油嘴材料合理 的选择可以避免油嘴的气穴和闪蒸现象，并且设计出理想的油嘴与管汇组合。 通过冲蚀的机理分析、影响因素分析，及其发生过程中的流体力学、材料学 分析，结合井下管柱材料超级1 3 c r 和地面管汇材料2 0 c r 冲蚀实验研究，评价井 下管柱材料的超级1 3 c r 在井下冲蚀性能；含砂量对超级1 3 c r 的冲蚀性能影响； 作为井口( 设备、工具) 材料的2 0 c r ( 低合金钢) 的冲蚀性能；含砂量对2 0 c r 冲蚀性能的影响；冲击角度对2 0 c r 冲蚀性能的影响：冲击速度对2 0 c r 冲蚀性能 的影响；含硫化氢及水对2 0 c r 冲蚀性能的影响。为避免流体冲蚀破坏提供理论 和实验根据。 关键词：试油压降冲蚀安全控制 论文类型：应用技术研究 英文摘要 一- - _ - 一 s u b j e c t ： t e c h n i q u e s p e c i a l i t y ： n a m e ： in s t r u c t o r ： p r e s s u r ed r a w d o w na n a l y s i so ft e s tp r o c e s sa n ds a f e t y c o n t r o l r e s e a r c ho fc o m p l e xw e l l m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g x uh a i j u n ( s i g n a t u r e ) d o uy i h u a ( s i g n a t u r e w e l lc o m p l e xt h a ti sh i g ht e m p e r a t u r e ，h i g hp r e s s u r eh i g h - s a n d ，a n d ，h i g ha c i d i c a n ds oo no fb u i l dd i f f i c u l t l yw e l l s ，i nt h ec o u r s eo ft e s t i n g ，t h en e e df o rp r e s s u r ed r o p a n a l y s i st os e l e c tt h ea p p r o p r i a t el e v e lo fp r e s s u r eo nt h ew e l lh e a dt o o l s ，d o w n h o l e t o o l s ，c h o c k ，a n do t h e rg r o u n de q u i p m e n t ，t ot r yt op r e s s u r ea n ds e c u r i t yc o n t r o l t h i sp a p e rt h r o u g ht h ef l u i di nt h ev e r t i c a lc o l u m n , h o r i z o n t a lt u b e ，a n ds oo nt h e g r o u n dc h o k et op r o c e e dw i t hr e s e a r c h ，t h er e s e a r c ho fd i f f e r e n t i a lp r e s s u r ep l a y sa d e c i s i v er o l ei nt e s t ，s o ，s u m m i n gu pat r i a lf o rt h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h et e s tf i e l d p r e s s u r ef o r m u l ao nt h eb a s i so ft h ep r e v i o u sf l u i df l o wt h e o r y , i no r d e rt ot e s t s y s t e m sp r e s s u r eo fc o m p u t e r i z e d ，o p e r a t i o n a la n da d a p t t ot h ed e m a n d so ft h et i m e s ， o nt h eb a s i so ft h ep r e c e d i n gp r e s s u r ec a l c u l a t i o na n dc o m p i l e ss o f t w a r eo fh i g h t e m p e r a t u r ea n dh i g hp r e s s u r ed e e pw e l lt e s ts y s t e m a tt h es a m e t i m ec h o k em a n i f o l d b a c kp r e s s u r ea n dc h o k em a n i f o l db e f o r ep r e s s u r eo nt h eg r o u n dw a sa n a l y z e d ，i n o r d e rt oa v o i da i r - l o c ka n dc h o k ew a s h i n go u t ，u s em u l t i s t a g ec h o c ka n dr e a s o n a b l e m a t e r i a l s ，t od e s i g nt h ei d e a lo ft h ep i p em a n i f o l dv a l v e sa n dc h o c k t h r o u 9 1 1t 1 1 ea n a l y s i s o fm e c h a n i s mo fe r o s i o n , i n f l u e n t i a lf a c t o r sa n df l u i d m e c h a n i c s ，a n dt h r o u g hu n d e r g r o u n ds t r i n go fs u p e r13 c ra n dg r o u n do f t h ee r o s i o n o f2 0 c re x p e r i m e n t a ls t u d y ，e v a l u a t i o no fs u p e r13 c re r o s i o ni nu n d e r g r o u n d ；s a n d i nt h es u p e r13 c rt h ei m p a c to fe r o s i o n ；硒aw e l l h e a d ( e q u i p m e n t ，t o o l s ) o f2 0c r r l o w a l l o ys t e e l ) e r o s i o np e r f o r m a n c e ；s a n di nt h e 2 0 c rt h ei m p a c to fe r o s i o n ；t h e i m p a c to nt h ep e r f o r m a n c eo f2 0 c re r o s i o na n g l e ；t h ei m p a c to nt h ep e r f o r m a n c eo f 2 0 c re r o s i o nv e l o c i t y ；t h ei m p a c to nt h ep e r f o r m a n c eo fh y d r o g e ns u l p h i d ea n dw a t e r t op r e v e n tf l u i de r o s i o nd a m a g et op r o v i d et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lf o u n d a t i o n k e y w o r d s ：w e l l t e s t i n g p r e s s u r ed r a w d o w ne r o s i o n a ls a f e t y 。c o n t r o l t h e s i s ：a p p l i c a t i o no ft e c h n o l o g ys t u d y 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：位：涩晕 日期：刃p g 。占。箩 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名：缝：逸墅 导师签名：! 錾迄笙 p ，力 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题提出 复杂井是指高温、高压、高含砂、高酸性等施工难度较大的井，复杂井试油过程中， 井口压力很高，对井口、井下工具、油嘴、管汇等地面流程设备都有很高的要求，为此 利用流体力学、空气动力学知识进行复杂井试油流程压降分析。 。试油技术是通过一套井下测试工具在井下实现开关井操作，通过测试工具携带压力 计和温度计记录井下压力、温度变化情况，从而直接取得或计算出地层和流体的特性参 数，达到评价油气藏的目的。传统的试油技术是：流体从地层经炮眼通过管柱流到地面， 再经井口采油树通过地面管线，在地面油嘴的降压作用下，经由放喷口产出；现在试油 技术是：在地层储存层产不出油( 气) 时，向地层注入液体或者气体，对储存层进行改 造，以达到油( 气) 井生产的目的。因此在本次论文中，复杂井试油压降分析从液( 气) 产出与注入两个方面进行分析。 复杂井排污( 后期) 过程中所排出的流体实际上是包含液体( 液垫) 、固体( 固相压 井液中的固相颗粒、钻井漏失高比重泥浆中的加重剂、地层中的游离砂、甚至地层骨架 破碎出砂) 和气体的高速三相流。根据流体力学理论和材料学理论，高速流体流过油嘴 ( 节流口) 会产生节流、气穴、冲蚀；在管汇中流动时，对管汇，特别是在油嘴进出口 处、弯头处会造成冲击、磨损、冲蚀。可以说冲蚀、( 节流) 气穴是造成油嘴与管汇快速 刺漏的主要原因。为了能够确定合理的排污方式，确定恰当的油嘴及地面管汇组合；优 化确定节流“级 数与每级压降值；为改进油嘴设计，减轻流体对油嘴的磨蚀和冲蚀提 供思路，有必要分析流体在管汇中及过油嘴( 节流) 流动分析；分析气穴产生的原因与 规律；分析流体对管汇的冲蚀。 1 2 国内外研究现状 国外单相液体、气体压力方面的技术九十年代以来有了很大发展。 新中国成立以来，我国单相液体、气体压力分析的理论和技术取得了迅速的发展i l j 。 六十年代，我国单相液体、气体压力分析的主要内容是相对简单的气井试油。六七十年 代，我国单相液体、气体压力分析有了新的进步。七十年代以来，特别是九十年代，有 了长足的进步，而且应用到了生产系统节点分析技术。 自1 9 1 4 年来以，在多相流垂直压力降计算方面，相继出现了各种各样的经验和半经 验相关式，随后又出现了以流动形态转变判别为基础的计算模型【l j 。然而，所有这些相 关式和计算模型都是在对多相流动状态进行不同程度的简化和近似后得到的：因而在众 多近似的方法中，要挑选出适合某一特定油井情况的计算模型，需要事先对各种模型进 行统计评价，同时，不同的研究人员在提出自己的模型时，也需要在模型之间进行比较 和评价。 从1 9 6 0 1 9 8 0 年，这方面的研究工作有了较大的进展。正确表述多相流特性的物理 参数和气相折算速度、液相折算速度、孔隙度、持液率的建立，各种流动形态的初步研 两安彳i 油人学硕十学位论文 究和简单流动形态图的应用等，使气液混合物在流动条件下的密度得到更合理的表达由 此推动了各种经验和半经验的压力预测关系式的建立，其计算精度也有了较大幅度的提 高。 1 9 8 0 年以来，由于不满足经验和半经验关系式的可靠性，人们加强了以气泡水动力 学为特征的各种流动形态的物理机理研究，同时，计算机技术的普遍采用，促进了流动 形态识别的模型化方法的发展，从而出现了各种综合的机理性压力预测相关模型。这些 模型与2 0 世纪六七十年代的模型相比，在综合特性方面是相当的，甚至更好。由于工程 应用中各种不确定因素的影响，还不能从精度上看出有更大的突破，然而由于物理机制 的深入研究，这些模型的应用可靠性得到了进一步的保证。 而气液两相水平管流体流动规律，国内外的学者们作了大量的研究工作【2 j 。国外早 在2 0 世纪初就已经开展了石油工业油气水平管多相流动研究1 3 j ，并发表了很多论文。 对于气液水平管两相流不同的学者提出了不同的计算模型j 。 1 9 4 9 年洛克哈特( l o c k h a r t ) 和马蒂内利( m a r t i n e l l i ) 最先提出了水平管中流体压 降的一般规律。它是早期的计算方法中较好的一种，所以在很多工业系统中被广泛应用， 并且获得了一定的成功。 从1 9 5 4 年到1 9 6 7 年，贝克( b a k e r ) 发表了一系列有关油气混输管道压降计算方法 的文章。贝克认为，气液两相流动由于其流动型态的不同，产生压力损失的机理也不同， 因而在计算压力之前应该首先确定流动型态【7 1 。 1 9 6 0 年，在美国煤气协会( a g a ) 与美国石油学会( a p i ) 的赞助下，休斯顿大学的 杜克勒等于1 9 6 0 年开始进行了较大规模的气液两相流动研究工作。他们收集大量己发的 有关水平管气液两相流动的数据，建立了数据库，并用数据库中的数据评价已发表的气 液两相流动计算公式，利用相似理论，建立了计算水平气液两相管流压降的新方法。 1 9 7 3 年贝格斯一布里尔( b e g g s b i l l ) 基于由均相流动能量守恒方程式所得出的压 力梯度方程式，以空气一水混合物在长度1 5 米的倾斜透明管道中进行了大量的实验，得 出了持液率和阻力系数的相关规律。令其倾角为0 5 。，在一定程度上可成功地应用于水 平流动。 1 9 7 4 年，格雷戈里( g r e g o r y ) 、曼德汉( m a n d h a n e ) 和阿济兹( a z i z ) 利用加拿大 卡尔加里大学的多相管流数据库，根据约1 5 0 0 0 个实测数据，分析了计算水平气液两相 管流的1 6 种方法。他们认为，不同的方法可能最适合一特定的流动型态，于是推荐了一 个综合方法。他们首先使用曼德汉等的流动型态分布图确定流动型态。然后，总结出不 同流动型态下的最佳相关规律。 1 9 7 6 年泰特尔( t a i t e l ) 和杜克勒( d u k l e r ) 对水平和接近水平的气液两相管流给出 了一个很巧妙的模型。它是根据对水平管中最常见的层状流的力学分析而得出的。对于 其他流动型态，可以由层状流进一步研讨其转变的机理。奥利弗( o l i v e r ) 和扬一胡恩 ( y o u n g h o o n ) 是气体一非牛顿液体两相流动的早期研究者。1 9 6 8 年他们在“非牛顿两 2 第一章绪论 相流”一文中报告了其研究成果。他们从理论上分析了冲击流和环状流，提出了二者的 简单模型，并进行了实验研究，虽未给出实际可用的结果，但他们的工作具有开拓意义， 对后来的研究者常可作为借型引。 1 9 7 8 年艾森伯格( e i s e n b e r g ) 和温伯格( w e i n b e r g e r ) 撰文“气体一非牛顿液体两 相环状流”提出了一个环状流模型以及压降和持液率的计算方法，并进行了实验，其实 验值与计算值吻合的很好。 1 9 8 1 年穆贾沃( m u j a w a r ) 和饶( r a o ) 发表了题为“水平管中气体一非牛顿液体两 相流动”的文章。他们对洛克哈特一马蒂内利相关规律加以改进，将其扩展到气体一非 牛顿两相流动，并进行了室内实验研究，推导出了所有流动区域压降和持液率的计算公 式。 1 9 8 2 年法鲁奇( f a r o o q i ) 和理查森( r i c h a r d s o n ) 发表了题为“光滑管中空气一液 体( 牛顿型和非牛顿型) 的水平流动 的文章，报告了他们的实验研究。流性指数n 关 联了实验数据，得出了团状流和冲击流的持液率计算公式【9 】。 1 9 8 4 年查哈布拉( c h h a b r a ) 和理查森在总结前人工作的基础上，对气体一非牛顿 液体两相流动的流动型态进行了深入研究。发表了题为“水平管中气体和非牛顿液体共 流时流动型态的预测 的文章。文中指出，流体的物理性质对流动型态的影响甚微，这 样就可以把气体一牛顿液体两相流动的研究成果直接应用到气体一非牛顿液体两相流 动。 从1 9 8 4 年起，b e n d i s k s e n 等人一直致力于两相流动态模拟计算的研究，在引入比较 少的简化假设基础上，建立了综合的组分分相流水力学模型。 1 9 8 5 年，s h a r m a 对气液两相流动中的冲击流型专门进行了研究，建立了计算模型， 用于模拟冲击流动过程中的两相流现象。 1 9 8 9 年，泰特尔和杜克勒等人针对慢瞬变流动工况，假设气液流动中气体处于准稳 态，液相的动量方程采用稳态形式，建立了一个动态液相连续性方程和三个稳态方程组 成的模型，此模型可以用于所有流型的计算。其优点是计算简单，并且可以得到稳定的 数值解。缺点是不能处理复杂的问题，所得的结果也不太精确。 1 9 9 0 年，s c o t t 等人对水平或微倾斜管线段塞流的特征参数作了研究，建立了新的 数学模型，可用于分析段塞流流型的气液两相流动。 1 9 9 4 年，h e n a u 等人同样对管道内冲击流型进行了深入地研究，在假设理想段塞单 元模型基础上，建立了冲击流的动态连续性方程和动量方程以及不同流型下的结构方程， 并采用了具有一阶精度的半隐式差分格式进行数值求解。p a u c h o n 等人建立了新的计算 动态气液两相流管路和井筒的模型，并提出了相应的数值解法【l o l 。 在多相流水平管工艺计算中最重要的参数是压降【1 1 1 。国内外的学者们根据不同的方 法提出了两相流压降计算公式【1 2 j ，在生产设计和管理中我们应根据具体情况来选用压降 【1 3 1 计算公式。 3 西安石油人学硕十学位论文 1 3 本文的主要工作 1 3 1 流体在垂直管柱中的流动分析 以流体力学为基础分析垂直管柱流体流动，计算管柱内流体流动时的压力分布，对 指导工程技术设计和油田、油井动态分析、进行试油非常重要。管柱流体流型的划分和 流型的转变与判断，其基本依据在于管柱内液体压力的分布状况；在了解了管柱流体的 压力分布状况之后，为油( 气) 田试油工作及安全控制提供可靠的依据。 1 3 2 流体在水平管中的流动分析 管道流体流动在石油及天然气工业中是一个非常重要的课题。本文开展流体水平管 研究的目的就是要在国内外已有研究成果的基础上，结合石油及天然气管道流体流动情 况，通过对流体流型、实用计算模型及计算方法研究，并进行计算软件开发，为地面管 汇的压力分析及地面管汇的安全控制提供数据支持。 1 3 3 流体过油嘴流动分析 油( 气) 井试油放喷过程中，经常会遇到这样的情况：流体在地面管汇中高速流动， 导致管汇( 油嘴等) 损坏。据现场资料显示，极端情况下，仅两分钟就能将油嘴“冲坏”。 油嘴损坏会引发许多问题，例如：造成周围环境严重污染，增加工人的劳动强度和不安 全隐患，油田生产成本上升等。因此研究油嘴损坏原因并提出改进方法，这具有非常重 要的意义。 1 3 4 复杂井试油流程压降分析软件 ( 1 ) 软件的计算功能 单相液体在垂直管柱的流动压力的计算； 单相气体在垂直管柱的流动压力的计算； 气液两相在垂直管柱的流动压力的计算； 液、气、气液两相在地面管汇中的压力的计算； ( 2 ) 软件的主要结构 单相液体在垂直管柱的流动压力的计算，主要结合经验关系式计算气体在垂直管 柱内压力及曲线图。 垂直管柱内单相气体压力预测的计算，主要结合经验关系式计算气体在垂直管柱 内压力及曲线图。 气液两相在垂直管柱的流动压力的计算，根据不同的管柱内径，工况情况对井底 到井口的压力预测。 液、气、气液两相在地面管汇中的压力的计算，由井口的压力对地面管汇进行压 力预测，满足地面设备安全设计要求。 1 3 5 流体冲蚀研究 对复杂井试油而言，高温、高压、高产、高酸性、高含砂的复杂特点，给试油作业 带来许多新的问题。流体在高压下，以很高的速度冲击井下工具和地面管汇，冲蚀磨损 4 第一章绪论 不仅会降低管线的安全使用年限，而且还存在有毒有害气体泄漏的安全隐患，因此冲蚀 的研究就显得尤其重要。 冲蚀包括腐蚀和冲刷两个方面，腐蚀是指产物以离子形式脱离金属表面，冲刷是指 产物以固体颗粒( 分子) 形式脱离金属表面。 流体在井下管柱中做垂直管流运动、在地面管线中做水平流动、以及过油嘴流动时， 都不可避免地会在井下管柱、地面管线以及油嘴中发生冲蚀磨损，提出解决方案。 通过( 1 ) 作为井下管柱材料的超级1 3 c r 在井下工况下的冲蚀性能；( 2 ) 含砂量对 超级1 3 c r 的冲蚀性能影响；( 3 ) 作为井口( 设备、工具) 材料的2 0 c r ( 低合金钢) 的 冲蚀性能；( 4 ) 含砂量对2 0 c r 冲蚀性能的影响；( 5 ) 冲击角度对2 0 c r 冲蚀性能的影响； ( 6 ) 冲击速度对2 0 c r 冲蚀性能的影响；( 7 ) 含硫化氢及水对2 0 c r 冲蚀性能的影响。评 价了克拉2 气田井下及井口材料在目前和将来的生产条件下的冲蚀性能以及其影响因 素。 5 两安石油人学硕十学位论文 第二章流体在垂直管柱中的流动分析 2 1 概述 生产井压力系统分析，是研究油( 气) 田开发系统的油( 气) 藏工程、采油( 气) 工程之间压力与流量之间关系的一种科学方法。其特点是将油( 气) 藏工程、采油( 气) 工程、集输工程有机的结合称为一个统一的油( 气) 开发系统工程，把油( 气) 井从油 ( 气) 藏经完井井段、井底、管柱、人工举升装置、井口、地面管线至分离器的各个环 节作为一个完整的生产压力系统来考虑，就其各个部分在生产过程中的压力消耗进行综 合分析。 本章重点介绍流体在垂直管柱中的流动分析，为流体在水平管中的流动的分析提供 理论和数据依据。 2 2 单相液体在垂直管柱中的流动分析 ( 1 ) 伯诺利方程 啊+ 旦+ 善：办：+ 旦+ 兰+ j i z ：一： ( 2 1 ) 72 9y2 9 式中：蹦一：一液体上1 、2 两点间单位重量液体的能量损失； p 一1 点处的液体压力，m p a ； p ，一2 点处的液体压力，m p a ； ，一液体重度，n m 3 。 ( 2 ) 能量方程式及水头损失 当油井产量不是特别大时，液相在两个断面之间的动能差是很小的，可以忽略不计， 流速用平均流速来代替，所以动能方程式可以写成： 一g 幽+ 土f 2a p + g 啊一2 = 0 ( 2 2 ) p r 。 式中：办一两个过流断面之间的深度差，r n ； 啊一：一两个过流断面之间，液体的水头损失，r n 。 ：，：墨生业 ( 2 3 ) 2 d g 由式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 、( 2 3 ) 可以推导出： f ：2a p = d 告+ g 卜 协4 ) 由式( 2 - 4 ) 可得液体产出、注入关系式： 驴驴4 喾+ g p 协5 ， 6 第二章流体在垂直管柱中的流动分析 胪旷彳吾+ g 卜 6 ) 其中： r 2 0 0 0 时：旯= 万6 4 ； 3 。尺。砑5 9 f 7 时：旯= o 3 1 6 4 矿5 ： 器 7 4 4 ) ( 4 ) 环流： ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) k 扎 掣r 协2 ， 2 4 2 气液两相流动计算分析 在垂直管多相流中，总的压力梯度由重力项、摩擦项及加速度项引起的压力梯度组 成，即： 轰 总2 褰 重力+ 褰 摩擦+ 宏 加速度 式中：h 一井深，m 。 每一种流区的流动特征不同，也就应有不同的压力梯度计算公式。 ( 1 ) 泡流区 在压力梯度计算公式中，与重力项、摩擦项比较起来， 以忽略不计，而重力项的压力梯度为： 胤力砩g p m = hg p g + 心一h p t ( 2 2 2 ) 加速度项引起的压力梯度可 以2 詈 式中：，。一计算段内气相的实际上升速度( m s ) ，即： 名= c o r m + 吃 而g 为管中心的流速与截面平均速度的比值，t 汉c 0 = 1 2 ； m s 依z u b e r 等人【1 7 1 的结果，采用下列表达式求出： 叫 掣r 卜科。3 d p 一2 2 p , v m 2 l 砌j 摩擦d 式中：五一范宁摩阻系数，采用c o l e b r o o k 的相关式求出。 综上所述可以得到： l o ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 - 2 5 ) ( 2 2 6 ) 比为是气泡的滑脱速度， ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 第二章流体在垂直管柱中的流动分析 算： 胤= 弋差争w 华 亿2 9 ， 誓 掣r 吼叩 d 创。 地2 等等g p s = h 弘i p g + q h 斛p t 、 h 嚼= h ：s 以= 揣 圪= a ( o 9 1 3 l b - 0 5 2 6 d ) k = 彳厶 三。= l o d = k 卜+ o 3 4 5 ( 岛一b ) ( 2 3 0 ) ( 2 - 3 1 ) ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) ( 2 - 3 5 ) ( 2 3 6 ) ( 2 - 3 7 ) 式中：h 。，一为液段内的持气率分数； 厶一为泰勒泡长度，m ； 圪一为泰勒泡体积，m 3 ； k 一为液塞的体积，m 2 ； a 一管柱过流断面截面积，m 2 ； 厶一为液塞长度，m 。 由式( 2 3 7 ) 可以定出以，式( 2 - 3 2 ) 定出1 ，式( 2 3 6 ) 定出t ；将哎， 和t 代入式( 2 - 3 4 ) ，即可定出厶；有了厶，厶和的值，即可由式( 2 - 3 0 ) 和式( 2 3 1 ) 定出重力引起的压降( a p a h ) ，同时，摩擦项也就可以由下式求出： 吼擦2 耥 协3 鼬 综上所述可以得到： | 印 一 【_ 磊j 总一 g 两安石油大学硕十学位论文 +二10hgd篙091兽3lb绻526d)+lohg d1 0 亿3 9 ， + ( 一o 。8 一d 以 舯蚺 1 2 v m + 0 3 4 5 掣丌j ( 3 ) 扰流区 该区是最为复杂、研究得最不充分的流区。z u b e r 和h a s a n 等人都认为，可以采用 类似处理段塞流的办法来处理扰流。因此，确定重力引起的压降( d h ) 时，除考虑到 此流区内存在扰动，因而采用( 2 4 0 ) 代替式( 2 3 7 ) ，并令t = 8 d 外，其他算法与段塞 流区相同。 蚺1 1 6 v = + 0 3 4 5 掣丌 协4 。， 综上所述可以得到： - 咖 一 【- 刻总一 乳度( 鲁) ( 2 4 1 ) ( 0 9 13 l b - 0 5 2 6 d ) + s h 9 1 。8 d 一8 呶 + 以1 。8 乓+ 8 ( 1 一畋1 。8 岛) dp g h _ 一 ( 0 9 1 3 l b - 0 5 2 6 d ) + s d h g “8 8 咀 + 8 d h ： g + 杀0 淼1 2 5 ( 0 羔9 1 3 l b 5 2 6 d ) + d ( 盟d ) 4 2 ， d h t + 。 一q h ：一d h ；hm ) 舯蚺1 1 6 v + 0 3 4 5 掣n 。1 ( 4 ) 环流区 气体沿管中间携带着液滴向上运动，而液相一部分分散成液滴，为气体所携带；另 一部分则成为液膜，靠气芯的拖拽沿管壁向上运动。假定流管的横截面上压力处于平衡 状态，气芯中的液滴速度与气相速度相等，则压力梯度可由下式求出： 吼2 等( 2 - 4 3 ) p c = p l q h 驴1 + p g h 筘( 2 - 4 4 ) h ： ：坚 ( 2 4 5 ) v 黔v 堰+ e c v s l 式中：p c 气芯中混合物的密度，k g m 3 ； 1 2 第二章流体在垂直管柱中的流动分析 畋气芯中的持气率。 分散到气芯中的液体占整个液相的体积分数为： 一十2 5 3 0 4 8 k 以鲥5 “5 亿4 6 ) 而气芯与液膜界面间的摩阻系数为： 丸= 0 0 7 1 9 i + 酽7 5 ( 广i - h g ) r e 。u d ( 2 - 4 7 ) 叶时例。7 2 时t ”8 沼4 8 ) 式中：x 为气体的质量分数。 通过对式( 2 2 2 ) 积分，可以求出气液两相在垂直管柱中的流动规律的产出与注入 两种工况下的压力规律。 2 4 3 气液两相流动分析验证 采用收集自吐哈、南阳、中原、江汉、南海东部等【1 8 】油田1 1 4 口井的实测资料( 表 2 - 1 ) ，对8 种常用的方法( b e g g s b r i l l 法、b e g g s b r i l l 修正法、m u k h e r j e e b r i l l 法f 1 6 】、 h a s a n 法【1 9 】、o r k i s z e w s l d 澍2 0 1 、h a g e d o m b r o w n 法【2 1 1 、c h i e r i c i 法 2 2 1 、系数法) 和本章 的新方法进行了验证计算( 计算中用到的物性参数和温度计算都采用相同的方法) ， 其结果如图2 - 2 绝对平均误差。 图2 - 2 绝对平均误差图 两安石油人学硕十学位论文 从图2 2 可以看出，m u k h e r j e e b r i l l 法、系数法与新方法的计算精度相近，对于油 气比小于1 5 0 的情况，在验证的9 种方法中，除了b e g g s b r i l l 法和c h i e r i c i 法外，其他 7 种方法的计算误差都很接近，而新方法、h a s a n 法及系数法为误差最小的3 种方法，对 于油气比大于1 5 0 的情况，各种方法的计算误差有较明显的差别，而以新方法的计算精 度最高( 绝对平均误差为5 6 5 ，标准偏差为6 6 1 ) 。 2 5 垂直管柱安全控制分析 复杂井是指高温、高压、高含砂、高酸性等施工难度较大的井，砂粒在高速流体带 动下势必对井下管柱、井下工具产生碰撞、摩擦等破坏作用，而砂粒在井下管柱中的流 动大致可这样描述：砂粒由地层进入井下管柱，一部分砂粒在井下管柱中作垂直管流运 动最终进入地面管线，另一部分砂粒则直接落入沉砂口袋或随着砂粒在井下管柱中运动 能量耗散而最终落入沉砂口袋。砂粒在井下管柱中的运动主要有如下三种：( 1 ) 砂粒之 间的随机碰撞。这个过程伴随着动量的传递与能量的耗散。( 2 ) 流体与砂粒之间的相互 作用。流体与砂粒之间的相互作用包括粘滞阻力、升力等。( 3 ) 砂粒与管壁间的作用， 主要表现在砂粒与壁面的随机碰撞。含砂流体在垂直管柱中流动时，由于受管壁的约束， 砂粒在有限的空间内沉降，由于砂粒占一定的管道断面，管道的过流断面变小，颗粒与 流体的相对速度则增大，颗粒的附加阻力变大，所以同样的颗粒在管道中流动的沉降末 速度将小于自由沉降的末速度。砂粒在管道中流动，流体速度分布并不均匀，在管道中 心处流动速度最大，在接近管壁处流速较小。砂粒在管道中沉降时，总是沿着流体速度 较小的管壁附近向下运动。因而确定临界携砂速度时必须考虑流体速度分布的影响。 在保护井下管柱不仅在选择管柱材料时，应考虑首先选择经济性、强度高、耐冲蚀 的材料。而且对地层中已存在微小的砂粒则要控制其流速，从减小冲蚀的角度出发来防 止管柱的损坏，还要考虑尽量把砂带出地面，防止砂粒在井下淤积。对于一定的油气井 来说，管柱的参数是一定的，那么为了减小含砂流体流速就必须在流体流动压力上进行 分析，通过压降计算，以选择相应压力等级的井口、井下工具，以达到安全的目的。 2 6 本节小结 本节通过对单相液相、气相、两相垂直管柱压力理论的分析，在总结前人的基础上 对己有的理论进行比较，带入实际数据进行验证，寻找出更适合现场试油工作需要的压 力计算理论，同时根据已有计算地层压力理论，推导出计算井口压力的理论公式，为后 续的地面水平管计算提供可靠的理论与数据依据。特别是气液两相在垂直管柱中的流动 规律分析对于油气比比较高的情况，现有的方法计算误差较大。鉴于此，本章研究了前 人所得的成果，提出了一种新的计算方法。从1 1 4 口井实测数据验证来看新方法的计算 精度最高。 1 4 第三章流体在水平管中的流动分析 第三章流体在水平管中的流动分析 在( 油) 气田试油过程中，当液体在水平管中流动时，由于几何条件的不同，其流 动型态与垂直管中的稍有不同。压降计算不仅是液体水平管流的一个重要的研究课题， 而且还为地面油嘴个数的确定、排列顺序以及过油嘴流动规律的研究提供理论基础。本 文针对这一重要性，根据吉林油田、大庆油田试油过程中实际情况，提出了一种符合水 平管的流动规律的压力计算方法。 3 1 液体在水平管中的流动分析 液体在水平管中的流动规律压力计算方法对油( 气) 田试油而言主要是指高速流体 通过井口在地面管汇中流动，由于沿程摩擦而造成的压降p ，就会对流体的输送、计量、 分离预处理，以及整个集输系统的设计有着重要的影响。本节针对油( 气) 田试油的实 际情况，推导出可行性计算方法。 利用因次分析，从1 0 个无因次群中确定出4 个有意义的无因次群，提出的无因次群 对水平管管流方法的发展起了重要作用，在工程上可以达到很好的精度。 根据万定理取，、d 、p 为基本量，可组成四个无因次积，如： 乃= v k l d k 2 p k 3 卸l 裂v k 寮i 名 协- ) 万l = d 2p b ，i 。 石l = v k , d k 2 夕b j 式中：v 一液体流动速度，r r d s ； d 一水平管内径，m ； p 一液体密度，吲m 3 ； 平均粗糙度，m ； ，一水平管管长，m ； 一液体动力粘度，m p a s 。 由因次平衡，对乃，有表达式： 而= v k , d k 2 p b 卸 毛= - 2 解得： k 2 = 0 乞= 一1 j 故： 乃：罢 讲 同理可得：万：= 刍；万，= 专；疗。= 舍。 故可写成无因此函数式： 生p v 2 玎南，l 刳a 协2 ， 两安石油火学硕十学位论文 设夕：上；h i ：a p ，则： 办，= ( r 。，刍，舍) 詈= 厂( 尺。，d ) l v 2 i 设z = 厂( r 。，今 则： 办，：五旦 。 2 a g h ，：垒 7 y 由式( 3 4 ) 、( 3 5 ) 可知： 口：2 y l v 2 一 2 船 3 2 气体在水平管中的流动分析 ( 1 ) 连续方程 假设无流体通过管壁流出流入，由质量守恒定律得连续方程为： 塑型：o 其中，a ：三d 2 式中：p 一气体密度，k g m 3 ； v 一气体流速，m s ； a 一管流通截面，r n 2 。 ( 2 ) 能量方程式 鲁= p g s i n 0 + 等+ 等m2 d 。 m 舯面1 = 1 1 4 - 2 1 9 卜剖 式中：五一摩阻系数； 占一相对粗糙度； 气体在水平管中流动具有以下特点： ( 1 ) 没有功的输入，即：d w = 0 ； ( 2 ) 对于气体流动，动能损失相对于总的能量损失可以忽略不计， ( 3 ) 讨论水平管流体流动，0 = 0 。 考虑以上三点，由式( 3 - 8 ) 可以推导出： a p2 p v 2 一= 1 6 ( 3 - 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) 即：v d v = 0 ； ( 3 9 ) 第三章流体在水平管中的流动分析 3 3 气液两相在水平管中的流动分析 3 3 1 流型判断 是，一般流型图分析d p l 2 4 ，只给出了贝克( b k a e r ) 流型、韦斯曼( w e