（油气井工程专业论文）低产气井井筒压力分布及流态研究.pdf

英文摘要 s u b j e c t ：as t u d yo f p r e s s u r ed r o pa n d f l o wp a t t e r ni nl o w p r o d u c i n gg a sw e l l n 印a m 谊e ：姆：0 w n a n 柚g 怕x i a 嬲o l e 滁i ：箍囊丝( s 咖a t u i 田! ! 莩竺：! y i n s t 咖c t o r ：l it i a n t a i ( s i g n a t l l r e ) ( l ) b 将流动形态划分为为泡状流、段塞流、 扰动流和环雾流。对应各个流型分别给出了计算方法，其中泡状流采用g r i f f i t h t 7 】方法， 段塞流中密度继续采用g r i f f i t h w a l l i s 剐法，摩阻梯度采用o r k i s z e w s k i 方法，环雾流 和雾状流采用了d u n s r o s 方法。对照1 4 8 组已有压力梯度数据，模型平均相对误差大 约为1 0 ，优于以前发表的模型。模型定义了一个称为液体分布数的系数来表征液体分 布变化对摩阻损失的影响，完整地给出了流动形态判别方法，并且对每个流型单独进行 了计算。至此，流型模型开始在石油工业界广泛使用，经过现场的检验，o r k i s z e w s k i 方 法已被证明是计算两相流压力梯度的可靠方法之一。 1 9 7 2 年提出的a z i z g o v i e r f o g a r a s i l 9 j 模型，流态判断基于改进的g o v i e r r a d f o r d d u n n 流型图，流型划分为泡状流、弹状流、过渡流、环状流和雾状流，其建 立的流型转变界限明确且有明确的方程表达式，方便使用计算机处理，已被证明是较好 的方法之一。类似于h a g e d o m b r o w n 的滑移模型，a z i z 在泡状流中考虑到了气液混 合物中的气泡速度比整个气液混合物的平均速度更快，段塞流中气体流量的增加将使大 量气泡合并为帽状气泡，也就是泰勒泡，泰勒泡之间的液体形成了段塞。经过对4 8 口井 的测量数据进行计算以后，分别与测量数据、o r k i s z e w s k i 模型、d u n s r o s 和h a g e d o m b r o w n 模型进行对比，其计算精度不低于其他几种模型。 b e g g s b r i l l 1 0 1 在1 9 7 3 年发表了“倾斜管两相流研究一文。他们在1 5 米长的倾 斜管路中，以空气和水为介质进行了大量的实验，从中得出持液率和沿程阻力系数的相 关规律。b e g g s b r i l l 将研究范围扩大到倾斜管路，发现持液率与斜管的倾斜角度之间 有一定的依存关系，根据实验数据绘制出了水平流动形态图。b e g g s b r i l l 的研究将多 相管流压力预测模型由垂直和水平管扩展到任意角度的倾斜管路上，所以在集输管路上 获得了广泛的应用。 t a i t e b o m e a d u k l e r 】在1 9 8 0 年发布了自己的压降模型，从流型的转变机理出 发，解释和预测了转变条件，提出了描述转变的物理模型，发展了以理论为基础的转变 方程以构造流型图，较全面的考虑了影响流型转变的各种因素，使应用范围大大拓宽。 t a i t e l b o m e a d u k l e r 对前人的流态判断方法进行了总结，指出无论是以表观速度l 、 秒。或者以无因次因子为基础得到的流型图，都没有充分的理论基础来支撑，不同的作者 往往会得到不同的转变界线，其研究成果能否推广到不同的管径或者其他状况下的情形， 令人怀疑。t a i t e b o m e a d u k l e r 比较全面的考虑了影响流动型态转变的各种因素，提 出了描述转变过程的机理模型和转变方程。t a i t e l 等人的工作，使多相管流模型从过去 的经验模型转变到了机理研究，对两相流的研究产生了重要影响。 19 8 6 年提出的h a s a n k a b i r 1 2 】模型，得益于t a i t e l 等人在转变机理方面的研究， 充分采用了其理论成果，给出了各种流动型态下的压力梯度计算方法。h a s a n k a b i r 模 型中以液相表观速度l 、气相表观速度口为坐标划分流动型态，经过试验分析，确定 了泡状流、分散泡状流、段塞流、搅拌流和雾状流五种流型，对t a i t e l 的泡状流到段塞 3 西安石油大学硕士学位论文 流的转变准则进行了修改，使其与实际试验结果更为吻合。在对环流的处理上，主张忽 略液膜厚度，将其视为比实际管径略小的管道中的单相流，关键点为如何确定中心气柱 与液膜的摩阻系数。其他流态时，h a s a n k a b i r 的研究指出，重力梯度往往占了总压力 梯度的9 5 以上，总的压力梯度将对含气率最为敏感。 1 9 9 4 年的a n s a r i 1 】模型，包括一个流型预测模型和一组独立的对应于流型的压力 梯度计算模型。a n s a r i 结合了近年来在多相管流方面的研究成果，流型预测来自t a i t e l b a m e a t l l l ，泡状流模型来自c a 吨m o f l 3 】，发达的段塞流来自s y l v e s t e r 1 4 1 ，发展中的段塞 流来自m c q u i l l a n 1 5 】，环流来自h e w i t t 1 6 】等。对各个模型的流态判断机理和特点进行 了分析，建立了对应泡状流、段塞流和环状流的模型，搅动流的处理则计入段塞流的一 部分。为适合油井垂直气液两相流动的情况，对一些关系式的系数进行了修正，形成了 一套详细的综合机理性的压力降预测方法。其特点如下： ( 1 ) 将流动形态转变界限模型化。在气泡流中，以气泡开始出现的最小管径d r a i n 为 依据，当管径大于d m 汛，并且空隙率接近o 2 5 时，气泡流即开始转变为段塞流：当流 量较高时，即使空隙率大于o 2 5 ，在液体脉动力的作用下大气泡也会破碎成为小气泡， 泡状流转变成为分散泡状流。在气体流量高的情况下，当空隙率接近0 5 2 时，小气泡开 始聚集，分散泡流转变为段塞流。判断转换为环状流的依据是基于防止气相中的液滴回 落所需的气体流速。b a m e a 分析了液膜厚度对这种转变的影响。当液体流量较高的情况 下，液相成为连续相包住中间的气泡；液体流量较低的情况下，液膜可能会沿着管壁向 下流动，同时，持液率的影响也不可忽视。 ( 2 ) 从气泡运动的水动力学特征出发，对每种流型建立了模型，求得与之对应的持 液率，最后得到压降计算方程。泡状流中的气泡速度高于液相产生滑移，得到一个持液 率的隐式方程。段塞流分为两部分，发达的段塞流和发展中的段塞流。发达的段塞流中 存在着典型的泰勒气泡、液塞和下降液膜。在压降计算中，考虑了液膜厚度的影响，忽 略了气泡摩擦的影响。对于发展中的段塞流，在着重考虑了极限液膜厚度、帽状泰勒气 泡以及各种局部参数后，求解持液率。对于环状流，以气芯和液膜为研究对象建立动量 平衡方程，考虑了气体中所夹带的液滴、薄液膜度等物理参数，最后根据气芯中的压力 梯度与液膜的压力梯度相等的原则，建立了无因次液膜厚度的隐式方程，迭代求解后最 终计算出压力梯度。 a n s a d 1 】模型中，扰动流被当作段塞流的一部分来处理。经过对1 7 1 2 口油井的数据， 6 个石油工业通用模型进行的对比结果表明，该方法的整体性能与其他6 种方法相当， 并优于其他6 种方法。a n s a d 方法在物理现象的描述和压力降预测模型化处理上都比以 往的方法更加严格、仔细、完整。该方法的实用性还需经过石油工业应用的检验。 我国在多相垂直管流压力梯度预测方法的研究上起步较晚。1 9 7 9 年陈家琅【l7 l 结合前 人的研究工作，结合自己在油、气、水混合物在垂直上升管内流动的研究，提出了油、 气、水三相在垂直管流动压降的“阻力系数法”。这个方法忽略了气相与液相之间的相对 4 第一章绪论 滑移，其影响计入两相阻力系数中。1 9 8 0 年陈家琅1 8 1 又发表了计算垂直管油、气、水三 相流压力梯度的流型计算法。1 9 8 4 年周维四【1 9 】提出了一个计算自喷井井底流动压力的统 计数学模型；1 9 8 6 - - 1 9 9 0 年韩洪升、陈家琅 2 0 l 提出了油井内多相流动压力分布的流动形 态法。总之，这些工作的开展，使我国在多相垂直管流的研究和应用上，缩短了与发达 国家的差距，奠定了良好的基础。 1 2 2 模型评价 由于多相流的复杂性，很难对其进行非常精确的描述。一方面，各种压降预测模型 对相关量的描述总是近似的，会出现模型误差；另一方面，在采集数据时各种不确定因 素也会令观测产生误差。本文中对模型分别采用相对误差p d 、平均相对误差a p d 、标 准偏差s d 来评价，如式1 1 、式1 2 和式1 3 。因为统计的是样本标准偏差，所以标准 偏差计算公式1 3 中分母为n - 1 ，计算方法如下： p d = 掣1 0 0 ( 1 - 1 ) a p d i ( 1 2 ) a p d ：兰! s d = ( 1 - 3 ) 式中，o 为计算值，a 曲参考值，n 为计算组数。 1 9 6 7 年o r k i s z e w s k i l 4 1 模型发表时，采用了1 4 8 口井的数据与早先发布的几种模型 进行了对比，1 4 81 2 1 井中并没有处于雾流状态的数据。对比结果显示，g r i 伍t h w a l l i s 驯方 法和d u n s r o s 6 1 方法具有相似的特性，流量较低时精确度较高，流量高时计算结果偏 差较大，但d u n s r o s 方法在原油粘度较高时的精度要比g r i f f i t h w a l l i s 方法高。在 平均误差上，o r k i s z e w s k i 模型和h a g e d o m b r o w n p 模型较为理想，分别为o 8 和 0 7 ，但o r k i s z e w s k i 模型在平均误差较低的前提下，标准偏差为几种模型中最低，为 1 0 8 ，低于d u n s r o s 模型的2 7 o 和h a g e d o m b r o w n 模型的2 4 2 ，综合性能最 好。 1 9 7 2 年a z i z 9 模型发表时，采用了4 8 口井的测试资料，对四种模型进行了对比， 分别是d u n s r o s 模型，h a g e d o m b r o w n 模型，o r k i s z e w s k i 模型和a z i z 模型，结 果a z i z 模型与o r k i s z e w s k i 模型绝对误差相当，优于参与对比的另外两种模型。 19 7 4 年j d a v i dl a w s o n l 2 1 j 对垂直井筒压力梯度已发表模型进行了对比分析，根据 o r k i s z e w s k i ( 19 6 7 ) 年选用三组数据对o r k i s z e w s k i 模型、r o s 模型和h a g e d o m - b r o w n 模型所作的计算分析，l a w s o n 重新进行了计算和对比，结果如表1 1 所示。 5 西安石油大学硕士学位论文 表1 1 不同作者对三种模型的计算结果对比 预测模型 o r k i s z e w s k i 模型r o s 模型 h a g e d o m b r o w n 模型 数据来源o r k i s z e w s k il a w s o n 计o r k i s z e w s k il a w s o n 计o r k i s z e w s k il a w s o n 计 计算值算值计算值算值计算值算值 o r k i s z e w s k i ( 2 2 组) 平均相对误差 1 21 2 0+ 2 2 7- 4 2 4+ 1 6 42 9 7 a p d ( ) 标准偏差s d ( ) 1 0 41 3 11 8 71 9 74 1 44 2 0 b a x e n d e l l t h o m a s ( 2 5 组) 平均相对误差 - 2 1 - 3 7+ 2 3 1 3 9 + 8 7 + 6 o a p d ( ) 标准偏差s d ( ) 1 1 14 1 12 0 03 9 51 2 71 1 6 p o e t t m a n n - c a r p e n t e r ( 4 9 组) 平均相对误差 1 0+ 3 7+ 5 8- 4 81 3 o卜2 2 8 a p d ( ) 标准偏差s d ( ) 1 2 o1 3 71 2 41 5 1 2 2 2 2 4 7 由表1 1 中可以看出，同样的数据和模型，l a w s o n 计算所得的结果和o r k i s z e w s k i 计算的结果有所出入。以o r k i s z e w s k i 发布的模型和数据为例，作者给出了自己的模型 平均相对误差和标准偏差分别为1 2 和1 0 4 ，而l a w s o n 计算的结果却分别为1 2 和1 3 1 ；改用h a g e d o m b r o w n 模型以后，o r k i s z e w s k i 计算得到的平均相对误差和 标准偏差分别为+ 1 6 4 和4 1 4 ，l a w s o n 计算结果为2 9 7 和4 2 o 。出现这样的结果可 能是因为在计算过程中选用了不同的相关参数的计算式的原因。 对同一模型对比测试以后，l a w s o n 给出了6 种模型，一共大约3 0 0 组测试数据的 总体对比结果，h a g e d o m b r o w n 方法结果最为精确，六种模型的对比结果如表l - 2 所 示。 6 第一章绪论 表1 2 六种压降模型计算结果对比 分析组数n平均相对误差标准偏差 预测模型 ( 组)a p d ( )s d ( ) p o e t t m a n n c a r p e n t e r 3 1 81 7 4 02 4 7 5 b a x e n d e l l n o l l l a $3 1 81 7 4 72 4 7 0 f a n e h e r b r o w n3 1 81 8 44 2 8 d u n s - r o s1 0 2- 4 1 38 4 2 h a g e d o m b r o w n 3 1 81 0 72 2 6 o r k i s z e w s k i3 1 81 3 54 3 1 1 9 8 0 年f o g a r s 2 2 1 等人发表了基于1 0 4 口油井测试数据的基础上，对五种垂直井筒 压降计算方法进行的评估结果，见表l - 3 。 表1 3 五种模型的误差对比结果 平均相对误差a p d 模型标准偏差s d ( ) 分析组数n ( 组) ( ) b e g g s b r i l l 1 4 4 12 7 3 91 0 4 a z i z e ta 1 1 4 9 1 9 4 31 0 4 o r k i s z e w s k i- 0 4 31 8 2 61 0 4 d u n s r o s1 1 1 72 2 9 51 0 4 h a g e d o m - b r o w n 4 2 8 2 5 9 61 0 4 对五种模型的评估结果是，a z i z 和o r k i s z e w s k i 模型表现最好，综合性能高于其它 三种模型，几种模型的误差对比结果如图1 1 所示。 4 0 2 0 0 2 0 4 0 图卜l 五种模型的平均相对误差和标准差对比结果 7 西安石油大学硕士学位论文 1 9 8 9 年i 汤幽j 使用3 2 3 组数据对已发表的1 0 种模型进行了评估，结果r a i 方法 的平均相对误差最低，为- 1 0 8 ，而h a g e d o m b r o w n 模型的标准偏差为几种模型中最 低，为1 0 。 1 9 9 4 年a n s a r i 【l j 发布了他的新模型，作为对比，a n s a r i 等人引用了1 7 3 2 组数据对 8 种模型进行了评估，h a g e d o m b r o w n 方法在整体性能方面胜出，平均相对误差和标 准偏差分别为t 2 和t 3 6 。 1 9 9 6 年a g g o u r 2 4 】等人对4 1 4 口高产量大直径油井的数据进行了分析，综合性能方 面b e g g s b r i l l 方法胜出，其平均相对误差7 8 4 ，含水量高于8 0 以后，h a g e d o m b r o w n 方法最好，当流量超过3 1 8 0m 3 d 以后，h a s a n k a b i r 方法较好。 以上所描述的几种模型中，已经有众多的压力梯度预测模型如d u n s r o s l 0 ( 1 9 6 3 ) 模型，h a g e d o m - b r o w n 3 1 ( 1 9 6 5 ) 模型，o r k i s z e w s k i t 4 1 ( 1 9 6 7 ) 模型，a z i z g o v i e r f o g a r a s i l 9 1 ( 1 9 7 2 ) 模型，b e g g s b r i l l 1 川( 1 9 7 3 ) 模型，h a s a n i o b i r 【1 2 1 ( 1 9 8 8 ) 模型等，已 经在现场广为使用。还有一些较老的方法如p o e t t m a n n c a r p e n t e r t 5 】模型，由于误差较 大已经较少使用，还有a n s a r i 1 1 ( 1 9 9 4 ) 模型，o z o n 2 5 1 ( 1 9 8 4 ) 模型出现较晚，还需要经 过现场的检验。 综上所述，尽管几十年来在压降预测方法上各个研究者做了许多工作，提出了数十 种模型，然而没有哪一种模型能对所有的数据范围都保持高的精确度，要找到其中一个 最好的方法，不同的作者将得到不同的结果。受限于各个研究者所采用的测量数据，和 多相垂直管流的复杂性，并没有哪一个模型能在所有数据区域内都保持领先，对模型进 行评价也不能单以误差在数值上的差异来判断其优劣，所以在具体应用时，需要对应具 体情况做出合理的选择。 1 3 研究路线和方法 针对低产气井所具有的高气液比、低产气量的特点，本文的研究主要针对在流动型 态为段塞流和扰动流上，对苏六井区的已有测试资料，经过计算得知，气相表观速度最 高的为桃5 井的4 7 6 m 3 s ，绘制到k a y a l 2 6 流型图中以后，如图1 2 中的红色标志线所 示，液相表观速度最高值发生在苏4 井，为0 0 0 8 8 m a s ，如图1 2 中的蓝色标志线所示， 其他测试井的气相表观速度和液相表观速度均低于这两组数据，在图1 2 中的蓝色标志 以下和红色标志左边的区域内。可以看出，在此区域内，气相表观速度的大小直接决定 了管内流态的划分，而液相表观速度对流态的划分影响甚微。在段塞流和扰流中，持液 率和摩阻系数对总的压力梯度变化影响最大，重力梯度较为稳定变化不大，加速度梯度 较小可以忽略。 8 第一章绪论 图1 - 2 苏六井区流态分布范围 本文使用了已有的现场测井数据，结合o r k i s z e w s k i 模型和k a y a 模型的流型判别 方法，对苏里格气井井筒流动形态进行分析对比，找出适合苏里格低产气井的流型转变 机理和判别准则。压力梯度预测方面，根据苏里格气田的气井特点编制了计算压力梯度 的计算机软件，将计算结果与已有现场测井资料进行对比分析，最后得到适用于低产气 井的流型判别准则和压力梯度预测模型，最后结合现场数据和计算结果分析现场数据与 预测值产生偏差的原因。 1 4 本文的主要研究内容 根据苏里格气田第一批试采的2 8 口老井0 2 到0 8 年的井底压力测试结果，主要进行 了以下研究工作： 1 对国内外垂直井筒压力梯度计算方法和流态转变理论进行了调研，根据已有测量 数据和计算机模拟结果，对井筒流态进行分析； 2 根据苏里格气田天然气组分分析结果，对一些相关物性参数的计算方法进行了验 证与筛选，找出较适合苏里格气田的计算方法，并给出了计算结果与实验数据的对比： 3 使用m i c r o s o f te x c e l2 0 0 3 开发了垂直井筒多相管流压力梯度预测程序，并附带与 之相对应的相关物性参数计算程序； 4 结合程序预测结果和现场测试值，分析苏里格低产气井井筒的压力分布状况。 9 西安石油人学硕士学位论文 第二章气液两相管流流动模型 2 1 基本方程 在垂直管气液两相管流的压力梯度计算中，一般是以单相流体一维稳定管流压力梯 度基本方程为基础。以井e 1 压力为起点，流动方向与深度日相反，p 为管子与水平方 向的夹角，其压力梯度方程为 a a _ 日l = 删枷+ 厶喾懈k 籍 q 。1 上式中的混合物密度一般由气相密度、液相密度和持液率计算得出，即 p m = p c h l + p o ( 1 一巩) ( 2 - 2 ) 一般在计算过程中，由于流速变化所引起的动能变化较小，常忽略不计。 在以上压力梯度基本方程中，持液率巩和摩阻系数厶是描述两相管流压降特性 的重要参数，一般采用基于实验研究的经验公式法来确定。近年来所出现的各类压力梯 度计算模型，受限于研究者本身的实验条件，其持液率也和摩阻系数厶的计算方法 繁简不一，精确度和应用范围也各不相同。 2 2 多相管流常用概念 2 2 1 流量 质量流量 质量流量表示单位时间内流过过流断面的流体质量。 m = 地+ m l ( 2 - 3 ) 式中： m = 两相混合物质量流量，k g s ； 坞= 气相质量流量，k g s ； m l = 液相质量流量，k g s 。 体积流量 单位时间内流过过流断面的流体体积称为体积流量。 q = q 9 + q l ( 2 - 4 ) 式中： o = 两相混合物质量流量，m 3 s ； q 口= 气相质量流量，m 3 s ； q l = 液相质量流量，m 3 s 。 1 0 第二章气液两相管流流动模型 2 2 2 流动速度 真实速度 驴鼍一警 p 5 ， 其中a 口和a l 分别表示气相和液相在过流断面上所占的面积，该速度实际上是各相 在所占面积上的平均速度。 表观速度 由于在气液两相流动中，气液各相在过流断面上所占的面积不易测得，所以真实速 度很难计算，通常引入表观速度的概念。所谓表观速度，就是假定管子的全部过流断面 只被两相混合物中的某一相占据从而计算得到的流动速度。 = 鲁毗= 鲁( 2 - 6 ) 因为a a + a l = a ，显然表观速度必然小于实际速度 和5 9 v g 8 l 口l 两相混合物流速 混合物流速定义为单位时间内流过过流断面的混合物总体积 u m = q lr + q g = 百q l 十百q g = 工+ ( 2 - 7 ) o s gu m2 r 2 百十百2 工+ 两相混合物的质量速度 质量速度表示单位之间内流过过流断面的两相混合物的重质量与过流断面面积之比 鲁- - - 一a m a l ( 2 - 8 ) _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ 一 aaa 滑脱速度 在两相流动中，气相实际速度一般比液相实际速度要大，两者的差值称为滑脱速度 = 一v l ( 2 - 9 ) 2 2 3 含气率与含液率 质量含气率与质量含液率 质量含气率是指单位时间内流过过流断面的两相流体总质量中， 例 m q - m - y z 2 菇= 磁干瓦 质量含液率为 尸= 1 2 = 瓦m l = 若 气象介质所占的比 ( 2 1 0 ) c 一1 1 ) 体积含气率与体积含液率 单位时间内流过过流断面的两相流体中，液相介质体积所占混合物总体积的比率称 西安石油大学硕士学位论文 为体积含液率 体积含气率为 a = 磊q l = 丽q l 1 一a = 赛= 丽q g ( 2 - 1 2 ) ( 2 1 3 ) 其买含气率和真实含液率 真实含气率又称为截面含气率或者空隙率，指两相流动的过流断面中，气相所占的 比率 也= 百a g = 而a g ： ( 2 一1 4 ) 对应的有，真实含液率为 觇= 1 一也= 百a l = 砸a l ( 2 - 1 5 ) 2 2 4 两相混合物的密度 流动密度 流动密度指单位时间内流过过流断面的两相混合物的质量和体积之比 = 面m m ( 2 - 1 6 ) 计算两相混合物在管路中的沿程阻力损失和局部损失时有时要用到流动密度。两相 混合物的流动密度与各相密度p 口、p l 以及体积含气率p 之间有如下关系 |m m 2 面2q mq 口+ q l = p 岛+ ( 1 一卢) 阢( 2 1 7 ) 真实密度 在两相流动中取长度为h 的微元流道，那么在这个微元流道中的两相混合物密度 为 p m = p g h g a d h 1 + p 面z ( 1 - h g ) a d h = h g p g + ( 1 一岛) 阢( 2 - 1 8 ) 2 3 垂直管压降模型 2 3 1 模型综述 在众多的垂直管压力梯度计算模型当中，h a g e d o m b r o w n 3 1 模型发布较早，使用 成熟，在含水气井的计算中精度一直相对较高。在o r k i s z e w s k i 4 ( 1 9 6 7 ) 、c h i e r i c i l 2 7 1 ( 1 9 7 4 ) 、y a o ( 1 9 8 7 ) 、r a i 【2 3 ( 1 9 8 9 ) 、a n s a r i 1 1 ( 1 9 9 4 ) 、a g g o u r 【2 4 1 ( 1 9 9 6 ) 对多相管流压力 梯度的模型的评估中均有优异表现，在气井压降计算中应用较广。综合以上因素和本文 的研究对象苏里格气田的气井特点，采用h a g e d o m b r o w n 模型编制了计算井筒压力梯 1 2 第二章气液两相管流流动模型 度的计算机软件，现对模型的原理和计算方法进行介绍。 多相管流由于相间存在相界面，且在不同的流动型态中相界面将呈现不同的几何分 布，流动型态多样化和相界面的不稳定性等因素，都造成了研究多相管流压力梯度分布 的困难性。相比较于对复杂的两相界面和流动机理进行描述，之前的大多数研究者选择 了使用半经验性的或者经验性的方法来建立他们的模型。 相比于单相流动，多相流动中总的压力损失，除了静压损失、摩阻损失之外，还多 了一项滑移损失。滑移损失是由气液两相的平均流动速度不同而造成，随着相间滑移的 增大，滑移损失也随之增大，由于两相间的滑移，有时气相并未参与到液相的举升作用 中去，造成了多相流动中的压力梯度不一定会随着管径的缩小而增大，或者随着流量的 增加而增大的结果。这样，如何计算多相流动中的滑移损失和摩阻损失，就成为建立压 力梯度模型的关键问题。 h a g e d o m b r o w n 在建立自己的模型时，使用的方法是，使用类似于单相流动的摩 阻系数关系式计算出摩阻系数，由摩阻系数计算得到摩阻损失，然后用实验测量得到的 总的压力损失减去摩阻损失，就得到考虑了相间滑移的静压梯度，从而可以计算出持液 率，这种方法其实并未给出真正意义上的持液率或者滑移损失。然而，如果摩阻系数的 计算方法选择适当，那么得到的摩阻损失将基本上是由摩擦所造成，剩余的部分就是考 虑了相间滑移的静压梯度。h a g e d o m b r o w n 使用持液率来将这一部分滑移所造成的损 失折算在静压梯度内，当然，实际上不可避免的有- - + 部分摩阻损失也被折算在里面。 由试验方法确定了考虑了滑移的静压梯度和持液率的关系以后，滑移损失以及其他可能 影响持液率的因素也就都被考虑进去。事实上严格区分各种造成压力损失的因素，并对 他们分别予以计算几乎不可能，h a g e d o m b r o w n 方法将摩阻项单独予以计算，剩余部 分，统一用持液率予以矫正。 2 3 2h a g e d o r n b r o w n 模型介绍 为了得到持液率的相关方程，h a g e d o m b r o w n 在位于达拉斯德克萨斯州的实验井 一共进行了4 7 5 次测试，约2 9 0 0 个压力测试数据点，实验井产液量可以由地面控制，便 于测试不同的产液量状况。分别在三种测试管径中各自运行了一组完整的测试方案，l 英寸管，1 1 4 英寸管和11 2 英寸管，在l1 4 英寸管中测试了四种不同粘度的液体，1l 2 英寸管中测试了两种，考虑到表面张力的变化范围仅为两倍左右，相比较于液体粘度上 百倍的变化来说微不足道，所以表面张力变化的影响并未计入研究，测试采用的流体参 数范围如表2 - 1 。 1 3 西安石油大学硕士学位论文 表2 1h a g e d o m b r o w n 所用数据范围 液相 相对密度表面张力( d y n e s c m ) 粘度( c p ，8 0 f ) 水1 0 0 07 2 0o 。8 6 油 0 8 5 63 3 51 0 0 0 油 0 8 7 53 4 8 3 5 0 0 油0 9 0 03 6 21 1 0 0 0 油 0 8 7 03 4 43 0 - 3 0 h a g e d o m b r o w n 采用的压降方程为： ，口象、 1 4 4 砑a p = k + 丽+ - m 掣 上式中，方程左边的1 4 4 为l b f r 2 到p s i a 转换常数，方程右边包含有静压梯度、摩 阻梯度和加速度梯度。其中的加速度梯度在高流量、低压力的状况中对总压力梯度有较 为明显的影响，在h a g e d o m b r o w n 的研究中最高可达到总压力梯度的1 0 。方程中混 合物密度_ m 计算方法如下： 碥= 瓦一- l + - 口( 1 一l 一- l z ) ( 2 - 2 0 ) p m2j d l 十p 口【上一j 二。二u 7 式中：a p = 压力降，p s i a ； 碥= 混合物平均密度， i b m f t