（油气井工程专业论文）井筒多相流动模型及流型转化机制研究.pdf

a b s t r a c t m u l t i p h a s e f l o wi nt h ew e l l b o r ei st h eu n i v e r s a l p h e n o m e n o ni n f i e l d so f o i l g a sw e l ld r i l l i n ga n dd e v e l o p m e n ti ti ss i g n i f i c a n tt oe s t a b l i s h t h em o d e lo f m u l t i p h a s ef l o w i nt h ew e l l b o r ea n dt os t u d yt h ec o n v e r s i o n m e c h a n i s mo ff l o w r e g i m e an e wm o d e lo f m u l t i p h a s ef l o wi nt h ew e l l b o r eh a sb e e no b t a i n e d b yt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dd e d u c t i o nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a t t h ei n s t a b i l i t yo fm u l t i p h a s ef l o wb r i n g so np r e s s u r ef l u c t u a t i o na tt h e b o t t o mo faw e l l s o m et h e o r e t i ca n a l y s i si sg i v e ni nt h ep a p e r i nt h i s p a p e r t u r b u l e n ti n t e n s i t y i n b u b b l y f l o wi s g a i n e db y m e a s u r i n ga x i a lv e l o c i t yw i t hl d v 、，o i df r a c t i o nw a v e so fv a r i o u sf l o w r e g i m e sa r eo b t a i n e df r o me x p e r i m e n t sa n d t h e i rp d f d i s t r i b u t i o n ，s p e c t r a l d i s t r i b u t i o na r eg a i n e db ym e a n so f s i g n a lp r o c e s s i n g 。f h er e s u l t si n d i c a t e t h a tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fv o i df r a c t i o nw a v e s ，t h ep d fa n ds p e c t r a l d i s t r i b u t i o na r ed i f f e r e n ti nd i f f e r e n tf l o wr e g i m e s w i t ht h ei n c r e a s eo f v o i df r a c t i o n ，t h e f r e q u e n c y o fv o i df r a c t i o nw a v e sc o m et o s i n g l e t h e r e f o r e ，o nc o n d i t i o no fi n v i s u a l i z a t i o n ，d i f f e r e n tf l o wr e g i m e sc a nb e d i s t i n g u i s h e db ym e a u s o fc h i v ec h a r a c t e r i s t i c sa b o v e b ym e a s u r i n ga n da n a l y z i n gt u r b u l e n ti n t e n s i t yo fc o n t i n u o u sp h a s e i ng a s l i q u i dt w o p h a s ef l o w ，i ti sc o n s i d e r e df l l a tt u r b u l e n ti n t e n s i t yi sa n i m p o r t a n tf a c t o rt oi n f l u e n c et h ei n s t a b i l i t y0 fb u b b l yf l o w i ng a s l i q u i d t w o p h a s ef l o w ，v o i df r a c t i o na n dv e l o c i t yo fc o n t i n u o u sp h a s eb o t hh a v e e f f e c to nt u r b u l e n t i n t e n s i t y w i t h t h ei n c r e a s eo f v o i df r a c t i o no r c o n t i n u o u sp h a s ev e l o c i t y , t u r b u l e n ti n t e n s i t yb e c o m eb i g g e r , a n dt h e c r i t i c a lv o i df r a c t i o no l 、i n s t a b i l i t yo fb u b b l yf l o wi sl o w e r b ya n a l y z i n gt h ei n s t a b i l i t yo fv o i df r a c t i o nw a v e s j ti sp r o v e dt h a t t h ef o r m a t i o no fas l u gf l o wr e g i m ei sd u et ot h ei n c r e a s eo fv o i df r a c t i o n f l u c t u a t i o n w h i c hc a u s e st h ec o n g l o m e r a t i o no f g a sb u b b l e sa n dt h e c o a l e s c e n c eo fb u b b l ec l u s t e r sj nu n s t a b l eb u b b l yf l o w k e y w o r d s ：m u l t i p h a s ef l o w , f l o wr e g i m et r a n s i t i o n ，v o i df r a c t i o nw a v e s t u r b u l e n ti n t e n s i t y ，f l o wm o d e l 独创性声明 本人声明所呈交的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 致谢的地方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 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：熊鱼丝鱼签_ 2 ，。弓年4 月z 弓n 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印什及电子版，允许论文被查阅和 借蒯；学校可以公布论文的全部或部分内容，j 以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定1 学! 签名：盘圣! ! 坠亟缝? ，一弓年4 月z 弓f i 导师签名：硷豆、l 塾。；年中月力歹n 尘些盔堂! 兰堡! 婴! 堕墨 萱童 1 1 概述 第l 章前言 在石油钻探。，采油工程中都存在着井筒内油、气、水、岩屑等的 多相流，如油气井产：出液即为气液两相混合物：又如任充气欠平衡钻 井过程中，钴柱内的流动通常为气液两相流动，而环空中是更为复杂 的油、气、泥浆、岩届等多相混合物的流动。多相流动的流型、流动 损耗、压力不稳定性等研究对钻井和采油工程的设计和施工有着非常 重要的意义。 多相流动中，各种流型都具有不同的流动特性。石油工程中应用 井筒多相流动模溅解决实际问题，要求对多相流动各流型有较为客观 而全面的认识。有“# 流型工程中不希望出现，比如段寒流易导致系统 压力的不稳定，沫状流易引起系统振动等，另外，不同流型的流动舰 律、摩阻等d i 同。凼此，研究多相流流型转化机理，找出较为准确的 流型转换判别准则，逊步完善井简多桐流动模型，用于指导钻井和 采油1 一程的设计与计算，具有深远的工程实际意义。 石油钻井工程。的j f 底压力控制理论和实践也郁与井筒多相流 动密切相关。比如，欠平衡钻井中，希望进入油层后井底压力处丁设 计的负压状态。如果对爿筒内多桐流动的真实压力分布规律不了解、 模型不准确、压力脉冲控制不好，造成井底压力偏差，使得设计负压 难以保证，就会对油层造成伤害。而不同的流型会产生不同程度的压 力波动，比如泡状流和沫状流的井筒压力脉动有较大的区别；不同流 型的流动损耗不同：存同样的地面条件下井筒流型不则井底压力 的计算结果会有明显的差别等等。 另外，钻井1 程中，管柱( 钻柱、套管和油管等) 在充满流体的 抖内运动，会产生波动压j ，这个附加压力会影响井内压力系统的平 衡火系而造成井下复杂情况和工程事故。冈此，对j i 内复杂流道系统 i 油人学( 1 # 尔) 硕 论文 进行动态分析，建立井内波动压力计算模式并据此对其进行有效的控 制，具有非常重要的丁程实际意义。 i 2 国内外研究现状 人们对多相流的研究始于2 0 世纪初，随着石油、核能、电力等i 业的不断发展，对多相流的研究日蒜增多，特别是7 0 年代以后，随着 世界经济对石油依赖的不断加强和石油钻采。1 ：程的不断发展，井筒内 多相流的研究备受重视。目前，井筒多相流动模型及流型控制理论是 国际石油及核能工程界和流体力学领域的热点研究领域之一。 1 2 1 多相流流型转化机理及流型控制理论 流型是多相流计算中不可忽视的一个重要方面。多相流流型转化 受多种因素的影响，如各相的物理性质，气液的流罱，固体颗粒大小、 形状，管径，摩阻，表面张力，空隙率波动，壁商效应，入口效应， 尾流效应等等。早期的许多学者认为研究流型转换机制的关键是气泡 碰并机理，即气泡的碰并导致流型转换。 在2 0l t l ：纪7 0 年代，rd k i r k p a t r i c k & mj i o c k e t ( 1 9 7 4 ) 利用高 速摄影技术剥稳定的气泡群与单个气泡的运动情况进行了研究，得山 气泡的相对运动速度与碰并的关系，认为气泡的合并依赖于两气泡的 相刈运动速度：当气泡以较低的速度接近时，容易很快地碰并，但当 两气泡以较高的速度互相靠近时，碰并率明显降低，碰撞并不一定导 致合并。 夏幽栎等人( 1 9 9 7 ) | 2 l 借助流动n n 吧化技术研究了垂直气液两相 弹状流中液弹及气泡的合并情况，得出丰h 近的结论，并给出了较洋细 的拙述，认为碰撞是一个随机的过程，扰动会增加碰撞机会，但碰撞 并小定产， 合并。两个小气泡以较人的相对速度碰掩到一起日t ，往 往并不合并，它们通常立即分开或在一起运动一段距离后分开；而当 两个。泡以较小的相对速度相互“接触”日、，极易产生合并。 rm 7 r h ( ) 1 1 1 a s f l 9 8 1 1 13 1 在前人研究的基础上，对紊流流场巾气泡的 2 _ i 油人学( 毕尔) 硕i 论文 门 碰并机制进行了分析，认为两气泡的相遇特征时间t 与气泡的特祉八 寸和能量耗散率有关，两气泡要实现碰并必须使得其中问的液体排泄 出去，液膜的排泄时mt 与液体的物理性质、能量耗散率、气泡特征 尺寸和表面张力有笑。 t o t a k e ( 1 9 7 7 ) 1 4 j 等人分别抖j 氮、乙醇、蒸馏水、甘油溶液作为 液体介质进行了人量的实验研究，用高速摄影技术观察了一大群气泡 的合、分情况，指出山于尾流效应，气泡对下一个气泡产生影响，存 在一个临界距离，约是上部气泡直径的l 3 1 4 。而夏国栋在研究中 指h j ，尾流影响区的长短还与气液流量有关：气液流量小，尾流影响 区较短；气液流量大，尾流影响区较长。 另外，t o t a k e 等人还研究了操作条件及液体性质的影响，认为 液体的粘性引起的剪切力的作用导致气泡的分裂，分裂得到的两气泡 体积比为1 ：1 0 0 ，则粘度较大的液体中气泡易于碰并：表面张力越 小，气泡越易分裂。而夏囤栋则认为径向剪切力使得弥散气泡融入氏 气泡，发牛多元式合月。1 z u n ( 1 9 9 3 ) 睁j 研究中指出7 t 泡所受的横向作 用力、扩散作用、侧向运动阻力等使得气泡分离；剪切作用、尾流漂 移作用等使得气泡介并。 zb i l i c k i & j k e s t i nf 1 9 8 7 ) 【6j 对于垂直向上两棚流流型转换的研 究进一步说明尾流效应是导致气泡合并的主要原冈，并进行了定量分 析，给出了从泡状流剿弹状流、从弹状流到沫状流及从沫状流到坏状 流的转换判别准则。他们认为弹状流的形成是由 i 气泡碰并；弹状流 到沫状流的转化有两种机理，一是气泡碰并理论，即两相邻t a y l o r 泡 碰并导致弹状流向泡洙流的转化，一是液膜失稳理沦，即t a y l o r 泡与 井壁之间的液膜失去了稳定性；环状流的形成是山于快速上升的气相 速度产生的剪麻力r 维持着液膜厚度占。 夏国栋等人还在研究中得h 了最小稳定液弹长度l ；。b = 1 4 d ，n 稳 定液弹内不存在直径大于5 m m 的弥散气泡。但j k a t z & cm e n e v e a u ( 1 9 9 5 1 17 1 在研究尾流效应时指出由于气泡变形，气泡问并 不存在一个稳定的平衡距离，尾流效应最终将使i 泡聚并。 鱼型坠竺! 兰堡! 堕堡塞 塑立 另外， 科1 新的理论认为两相泡状流转化为段塞流与空隙率波的 不稳定性有关，许多学者对垂直气液两相管流中的空隙率波进行了研 究。空隙率波( v o i df r a c t i o nw a v e ) 又叫浓度波( e o n c e n t r a t i o n w a v e ) ， 它是空隙率扰动在管道中的传播1 8 i 。 如上所述，许多学者认为弹状流是7 i 泡逐渐合并的结果，而 m k q a z i 等人惮l 住蘸直气液两相流空隙率轴向分却研究中观察发现， 气泡并不是逐渐碰并而形成弹状流的。l 泡群沿测试管轴向变稠密， 然后，在某处，同时碰并产生t a y l o r 泡。一旦段摩形成，它们将产 生压力波动，从而将促使更大的段塞形成。 j a b o u r e & 、，_ m e r c a d i e r ( 1 9 8 1 ) ”叫研究了气液两相流环空圆管 中的空隙率波的传播，平均截面含气率在o o 2 8 的范围，实验分析 发现在泡状流中守隙率波是衰减的，并且随着截面含气率的增加，衰 减变慢。他首先提出在某一平均含气率下，空隙率波不再衰减。泡状 流一段塞流流型转化呵能与空隙率波的不稳定性自关。m a t u s z k i e w i c z e ta 1 ( 1 9 8 7 ) 在垂卣l q 上氮一水两相流h 对窄隙率波的研究证实了 m e r c a d i e r 的观点。 石油大学的孙。蠢江( 1 9 9 9 ) 等人| x 垂卣管气液两相湍流流型转 化机制进行了深入的研究，通过对流型转换l j 寸的空隙率波的分析和测 量发现，在连续 h 流率较低的情况h 空隙，红波的不稳定性是导致泡 状流到段塞流突然转变的主要原因之，湍流度_ 千| j 披面效应对流型转 换也有一定影响，大小直径的管内两相流的流j 弘转化机制和流型演化 规律存在较人区别。实验结果证明当扰动的频率剥应于空隙率波的最 大增长频率时，守隙牢的不均匀件迅速增加，导致气泡群聚并。对于 工程巾常用的大管轮垂直圆管，在连续橱流率和j 。隙率增加时，由j i 强湍流作用使q h y l o r 泡无法形成。由弹帽泡状流、弹帽沫状流直接过 渡为沫状流。斟而，提出建议可采取措施控制空隙率波的增长或使之 衰减以及在连续相q 1 形成大尺度的强湍流来抑制 b t 产隙率波造成的气 泡碰并从而防止段塞流存油气外采和输送等过褓t q 能产生的不利 4 h u一 影响。 h c h e n ge ta 1 ( 2 0 0 2 ) 1 习在2 89 m m 圆管中，深入研究了仞始7e 泡尺寸对流型转化的影响给出了水流速度恒为o3 5 6 r n s 时的四种不 同气泡尺寸的实验结果。对空隙率波的测量发现初始气泡尺寸对流型 转化和空隙率波不稳定性有重要的影响。随着气泡仞始尺寸的增人， 流型转化的i 临i 界含气率减小。 1 2 2 井简多相流动模型研究 最早提出的多相流简化模型是均流模型，它是把多相混合物看成 为均匀介质，其流动的物理参数取多相介质相应参数的平均值，从而 按照单相介质来处理流体动力学问题。均流模型计算简单，使用方便， 但由于过于简化，使用上受到很大的限制，如对于环状流，误差较大。 5 0 年代，发展了渤e 两相流的分流模型，它是把两相流动看成是 两相介质各自分开的流动，每相介质都有其平均流速和独立的物性参 数。要求预先确定每一相占有过流断面的份额以及介质与管擘的摩擦 力和两相介质之间的摩擦阻力。这些数据的获得手要是利用实验研究 所得的经验关系式。随着计算流体j 学的发展，确些数据已可以通过 数学模型用数值计算求得。分流模型要分别建立各相的连续方程式、 动量方程式及能量方程式，考虑两相界皿上的机械能损失、两桐之间 的相互做功以及两相之间的热量和质量的交换。这瑚论在8 0 年代下 9 0 年代被广泛应用十构筑欠平衡钻井井筒流动模型，j 在7 i - j 。中发挥 了重要作用。 6 0 年代，发展了漂移流动模型，它是针对均流模型、分流模型与 实际的两相流动之间存在的偏差而提出的，既考虑r 两相之间的相对 运动，又考虑了空隙率和流速沿过流断面的分布规律。 以j ：模型对井筒多相流的计算做出了巨大贡献。如m a u r e r 公司m 品的欠半衡软件采用的仍是分流多相流模型，采用人t 举升多相流的 汁算中大都采用均流模型或漂移模型。 最近几年，由于科学的进步，特刖是统计半均圳论的, , 1 1 1 ，带动 f i 油人学( 华尔) 硕 一论文 hu ； 多相流理论研究迅速向前发展，弥补了过去在耻论_ 【存在的一些不足。 因此，应用新的多相流理论构筑井筒多相流动的新模式，对石油钻升 和采油工程的理论与技术进步有非常重要的意义。 1 3 本文的研究内容 综上所述，井筒多桐流动中，泡状流向段塞流的转换一直是程 中研究的重点之+ ，人们不断的投入大量的精力对其进行研究。许多 学者的研究表明，流动湍流度和空隙率波不稳定性，j 流型转化有关。 本文给出井筒多相流动模型，并对井底压力波动规律进行探讨，通过实 验模拟井筒气液两相流。实验中测量了连续相流动的湍流度，深入了 解了气液两相流各流型空隙率波特性，分析泡状流到段塞流的转化机 制。 6 三型坐苎二尘兰壅! 婴! 丝奎 堡堕些垦塑! 壅墼垄鲨 第2 章实验装置和实验方法 2 1 实验装置 多相流实验设备如图2 1 所示。 2 1 1 循环系统 图2 一i 实验殴簖示意阁 实验段是垂直、透明的有机玻璃管，内径口= 1 1 2 5 ，实验段 管艮= 1 2 m ，“乒1 0 6 6 ，可消除进口影响，保证流型可以得到充分 发展。液体介质为城市用自来水，盛水水箱体积为25 1 5 x1 5 m ，可 ，l ：室渝变化小大的情况下基本保证实验水温恒定。采用可无级调速的 螺丰i 泵输送液体，流量可调节范喇为0 5 9 4 m = h 。自动控压空2 t j i 、 缩机最大t 作压力为0 8 m p a ，r 1 1 问有一个稳压罐以消除压力波动，气 石油人学( 华东) 颂 论文 实验装置和实验方法 体流量由锥形阀控制。单流阀可防i e 管路巾的液体倒滞进入气体管线。 2 1 2 气泡发生器 为了克服离散榭气泡尺、j 不均对实验结果的影响，实验中的气泡 发生器为孔网式气泡发牛器，注入孔绕圆周方向均布，产生的气泡直 径大小均匀，为3 5 r a m 。 2 2 计量设备 2 , 2 1 平均截面含气率及压力计量系统 图2 2 测量电路原理陶 气体的流量由转子流量计汁量。水的流量由水涡轮流量计结合自 动补偿流董积算仪汁量。气体的截面平均含率的测量采用国际上普遍 采用的阻抗式空隙率计【l ”，传感器采用厚度为0 2 r a m 的一对不锈铡极 板。对于每一个传感器，不锈钢电极间流体电阻的测量采用如图2 - 2 所示的电路，水气多相流的f 5 且抗为r x 。一个正弦激励信号输入到放大 器上二，经放大器后输m 的是一个l f 弦电压信号v l ，它j f ：比j 二多相流的 8 互型塑兰壅! 堡! ：堡奎 壅堕茎墨型塞竺塑鲨 阻抗r x 。电压信号v i 通过频通滤波、放大、整流和低通滤波，最后 输出个直流电压v ，它的数值随r x 线性变化。 空隙率的校准采用在线体积校准的方法隅1 ，即在实验段两端快速 开关阀门，通过计量体积含量求出截面甲均含气率。在实验所涉及的 含气率范围内，空隙率计的输出值与半均含气率具有较好的线性关系， 见图2 3 ，其中s 为瞬时截面含气率。 o o0 10 2030 40 50 b 相对阻抗值 图23 宅隙率传f 盛器校准曲线 沿实验管段在离入口o 3 5 、69 8 、8 6 6 、8 ，9 1 、9 1 6 、9 2 8 5 m 处其 安装了六个窄隙率传感器。用于相关分析的传感器之间的距离为 0 1 2 5 m 。由于电路中元件性能及探头灵敏性等受环境、温度等多种凶 素的影n 自，因此，采用归一化的方法消除传感器间输出信号的差异， 使得信号具有可比性。归一化公式为 睁盟( 2 1 ) _ 0 0 k 其巾，v 。足平均截面含气率为1 0 0 时传感器的输出电压值，v 是平均截面含气率为0 时传感器的i u 压输出值，v 是某平均截1 f i | 含 。e ： ：时的输：l 电压值。而矿称之谓棚对m 抗值。这样基本保证了器化 感器存纯水时输出为0 ，纯气时输卅为1 。 9 i 油大学( 华东) 硕士论文 实验装置和实骑力法 压力计采用西安仪表厂生产的1 1 5 1 d p 型压力传感器，量程为 o 0 7 m p a ，满量程输出为2 0 m a ，精度为0 2 。 2 2 2 一维激光测速系统 连续相的速度和脉动速度的测量采用一维偏振差动式激光流速 仪( p l d v ) 和j s p 一1 型信号处理器。氦氖激光器的输出功率为7 m w , 氦 氖红光波长6 3 2 8 a 。干涉测量体的尺、j 。为o 0 7 0 0 7 1 2 r a m 。速度 的计算公式为 ， 舻赤厶( 2 - 2 ) 式中， 是激光的波长，0 是两束激光束的夹角，是多普勒频筹。 j s p l 型信号处理器是一种既能进行信号采集义能进行数据实时 处理的仪器，采样速率1 5 0 0 0 次秒，频带宽为1 0 0 1 1 z 一2 5 m h z ，能同 时打印输出时均速度，瞬时速度，速度的均方差值等许多参数。它还 配有数据输出计算机接口，实验中与一个计算机连接，对实验速度的 测萤值进行存储，以便进行各种处理。 2 2 3 数据采集系统 ( 】) 系统的硬什设计 用于空隙率信号及压力信号的数据采集系统中采用了h y 6 0 7 0 通 用数据采集控制板。基本参数指标如下： 采样速率为3 0 k h z 4 0 k h z ； 分辨率为1 2 b i t ： 转换时删为2 5 s ； 1 6 路模拟输入通道。 数据采集系统的硬件结构原理如图2 4 所示。被测量的压力、空 隙率等参数通过传感器转换成42 0 m a 标准电流信号，多路信号转换 o i i 油人学( 华尔) 颂 ：论文 实验装置和实= ；佥方法 器又把各传感器输出的不同性质的l 乜流信号转换成o 5 v 的电j l ! 信 号，并送到1 6 路a d 转换器。a d 转换器将输入的模拟电压转换成二 进制的数字信号，通过计算机的数据总线传送给计算机。 多鼹信峙转换嚣 i 出川l 亍可t 1lk = 纠 a d 计 l 压力传感器2i 塑贬诞至华 转总线 算 l 空隙率传感器l i 曼= 翌睦垂至3 曼二巍 换 i机 i 器 空隙率传感器6级熙屯蠢芦丛 图2 - 4 采集系统框图 压力传感器占用2 路a d 通道，空隙率传感器占用6 路a d 通道。 这样需要采集的数据点共有8 个，只f 与用h y 6 0 7 0 的8 路a d 通道。 ( 2 ) 系统软件设计 截面含7i 率及井底压力数掘的采集与处理软件用p a s c l e 语言编 程，数掘输出到文件，然后对其进行分析处理。 2 2 4 图像采集 实验中流型的拍摄采用s o n yd s cf 7 17 数码相机在高速模式下拍 摄，i 司时配合普通摄像机对整个实验过程录像，捕捉更多的信息。 根据流动形态的不同，本研究把流型分为泡状流、弹帽泡状流、 段塞流和沫状流。流型的变化与连续相流率、含气率等有关，对于水 力计算来讲， 要表现为损失不同发j f i 力的脉动。 4 i 油人学( 华东) 硕士硷文 史验装置和实验，j 法 2 3 实验方法 为了验证注气速率和排液量划流型转换及空隙滤波传播特性、井 底l 、力的影响，实验分别在1 i 同的排液量下，以不h 的注气速率注，e 。 排液量的选择见表2 1 ，其中n 为排液量，k 为未汴7e 时管内的液相 速度，r e 为未注气时的流动雷诺数。 表2 1 实验中排液量参数选择 lq 。( m 。h )00 3 9 62 5 35 47 29 0 21 0 4 5 l2 2 2 iv + ( m s )o 0 0 1 lo 0 7o 1 5 0 2o 2 5o 2 90 3 4 i r e01 4 5 55 6 0 81 1 9 8 51 5 9 8 02 1 8 2 1 2 5 2 6 92 9 5 4 4 在每一种排液量卜- ，注气速率q ，从o 3m 3 h 之间变化。由丁管 径大，平均含气率最大只能达到5 0 。根据观察，在泡状流到段塞流 的转化过渡区，适当加密气流晕的值，以便记录尽可能多的流型信息。 实验过程中记录了空气温度、水箱和模拟井筒内水的温度、稳压 罐l 力、液体排量和气体流量，同时测量了瞬时截面含气率、下均截 而含气率、井底压力，对流型进仃了图像u 录，还在较低含气晕和较 低排液量时进行了激光测速。研究过程中，气相组分的衡量 要采j 平均截面含气率。 2 i i 油人学( 华东) 硕十沦文 升简多相流动理论模型 第3 章井筒多相流动理论模型 井筒多相流动模型的建立，在油气井钻探和开发过程中非常重要 其理论基础可参考相对较成熟的气液两相管流理论。 3 1 气液两相流动基本概念 气液两相流是体与液体两相介质在共同流动条件下的流动，两 相介质与单项介质刁i i j ，存在着相的分界面。在两相介质共流过程中， 介质除与管道壁面( 或绕流物体的壁面) 之间存在着作用力外，在两 相界面之间也存在着作用力。 在连续流动情况下，从力平衡的观点来看，这种两相界面之间的 作用力是处于平衡状态的，整个两相流体只与外界物体和进出口界面 发生力的作用。c ，j 是从能量平衡的观点来看，气液两相流动除在整体 界面上存在能量交换外，在两相界面之间也会有能量交换，而且这种 能量交换必然伴随有机械能的损失。 在气液两相流z 力t j ，两相的分卅，状况也是多种多样的。各相可以 是密集的，也可以是分散的，即流动形态多种多样。流动形态的不同， 不但影响两相流动的力学关系，而且影响其传热和传质性能。 在气液两相流动中，各相的速度也是不同的，即存在滑脱现象。 为了对i 液两十日流动进行描述，需要了解一些两相流动所特有的 流动参数”j 。 质量流量：中位时问内流过过流断面的流体质量。 ( j = q 4 - q ( 3 1 ) 式中，g 一气液混合物的质量流量，k g s ： g g 7i 相的质晕流最， s ： g 厂液棚的质量流量， r 3 爿筒多相流动理论模q u 体积流量：单位时问内流过过流峨面的流体体积。 q = q 。+ q t 3 - 2 ) 式叫1 ，9 一气液混合物的体积流量，s ； q g 气相的体积流量，m 1 s ； q 厂液相的体积流量，m 。5 气相实际速度( 平均速度) ： k = 譬 s ， 式中喙气相的实际速度，m j s ； 爿厂气相在过流断面上所占的面积，2 液相实际速度( 平均速度) ： q = 暑 。， 式中，v 厂液相的实际速度，觚； 爿厂液相在过流断面上所占的面积，2 气相的表观速度( 折算速度) ：假定管子的仝部过流断面只被两柏混 合物巾的一相占据时的流动速度。 妒乎 s ， 式中，v 。气相的表观速度，腑； 爿过流断面的面积，”z ，、 液相的表观速度( 折算速度) ： v ，导 。， 式- | - 】1 r 一液相的表观速度， 柏油人学( 华东) 硕 ：论文 升筒多相流动理沦模犁 两相混合物速度( 流量速度) ：眄州混合物在币似时间内流过过流断 面的总体积与过流断向面积之比。 v = 半= ”。w 。， ， 式中，、r 一两丰h 混合物的速度 滑差( 滑脱速度) ：住两相流动中气相实际速度和液相实际速度是不 相等的，其差值称为滑差。 v = ”g v f ( 3 - 8 ) 式中，v 滑脱速度，m s 滑动比：气相实际速度与液相实际速度的比值。 s ：兰( 3 9 ) v ， 式中，s 滑动比，兀因次 质量含气率( 干度) ：单位时间内流过过流断面的两相流体总质量中 气相介质质量所占的份额。 ，：盟：j l ( 3 - 1 0 ) g g ，+ g ， 式中，x 质量含气率，无因次 质量含液率： 1 一x ：鱼：上( 3 1 1 ) g g p 十g ， 体积含气率：单位时问内流过过流断面的两相流体总体积中气相介质 体积所占的份额。 口：盟：旦 ( 3 1 2 ) j qq ? + qe ，q ，体积含气牢，无匹】次 也油人学( 华东) 颂士论文 升筒多相流动理论模型 体积含液率： t 世警。苁( 3 - 1 3 ) 真实含气率：在两相流动的过流断面巾，气相面积占过流断面面积的 份额。 一= 鲁2 南( 3 - 1 4 ) 式中，真实含气率，无凶次 真实含液率：在两相流动的过流断面中，液相面积占过流断面积的份 额。 = 鲁2 南( 3 - 1 5 ) 流动密度：单位时侧内流过过流断面的两相混合物的质量与体积值 比。 ，)，：一g(3-16)d = 一 j 掣 式中，p7 两相混合物的流动密度，k g m 3 真实密度：设在管道某过流断而上取长度为l 的微小流道，则此微 小流道过流断面i 二两相混合物的真实密度应为此微小流道中两相介质 的质量与体积之比。 p = 加。+ ( 1 一) 日 ( 3 - 17 ) 式中，p 两相混合物的真实密度，k g m 3 相体积分数：反映了单位体积多相流体中某一相流体所占体积，或在 流通界面上某一流体所占据的面积，度量相分布特征。 f l = 监：一a j ( 3 18 ) 1 。一v a 、。 1 6 右油人学( 华东) 硕i 论文 川筒多相流动理论模型 式中，邑多相流体中，某一相的桐体积分数，无囚次： 卜多相混合物的体积，m 3 ： n 多相流体中，某一相的体积，m 3 ： 一厂多相流体中，某相在过流断面上t 彳的面积，m 2 3 2 均相流动模型 3 2 1 两个假定： ( 1 ) 气相和液相的速度相等，即：v 。= h = v 因而滑动：a v = v 。一u = 0 滑动比：j ：羔：l ( 2 ) 两相介质已达到热力学平衡状态 3 2 2 均流模型的基本方程式： ( 1 ) 连续方程式： ( ；= , o v a ( 2 ) 动量方程式： 一爿c 加一d f p g a d z s i n o = g d v ( 3 ) 能量方程式： g d zs i n 0 + p d v - + 咖+ d ( ；) + d e = 0 其中，z 为流动方向世标： 目为流动方阳与水平方向的夹角； v 为两相混合物的比容，v ，：一1 ； p p 为压力： d f 为切力； 把是单位质量的两相混合物的机械能损失。 1 7 ( 3 1 9 ) ( 3 - 2 0 ) ( 3 2 1 ) 工坐垫笠鲎! 兰垒! 婴堡苎 丛笪童塑亟垫堡堡堡型 均流模型计算简单，使用方便，对于泡状流和雾状流，具有较高 的精确性：对于弹状流和段塞流，需要进行时间平均修正：对于层状 流，波状流和环状流，则误差较大。但是，大量的两相流动的计算图 表目前都是用均流模型做出的。 3 3 分相流动模型 3 3 1 建立条件 ( 1 ) 两相介质分别有各自的按所占断流面积计算的断面平均流速。 ( 2 ) 尽管两相之间町能有质量交换，但两棚之间是处_ 热力学平衡状 态，压力和密度互为单值函数。 3 3 2 分流模型的基本方程： ( 1 ) 连续性方程： g g = g x = ”s a r ( 3 - 2 2 ) g i = g ( 1 一x ) = p ，v ，a ， ( 3 - 2 3 ) 微分形式： 媳= g d x = d ( p x va ) ( 3 - 2 4 ) d g i = g d x = d ( p l v f a f 、 ( 3 - 2 5 ) ( 2 ) 动量方程： 一窆= j li d f 一+ - gs i n o 【峨+ ( 1 卅州署) 2 兰【孚+ 普 ( 3 - 2 6 ) ( 3 ) 能量力程： 小小”咖j 窆= g s i n o + ( g ) 2 i d 。可x ；v 9 2 + 舞】+ 警 ( 3 2 7 ) 8 i i 油人学( 华尔) 硕十论丈 式中，v ：为气体的比容，。：，：上 p 。， v ；为液体的比容，。：一1 p l 其它符号意义州自口。 3 4 漂移流动模型 气相漂移速度： 液相漂移速度 任意量( ，) 的断面平均值 任意量f 的加权平均值 ( f ) = j 11 f d a ：型尘 其巾，毋为空隙率的局部值。 气相流速的断面平均值： 钟。 = 去n 别= 去( v 肚 。， 气相流速的加权平均值： ：三丝三 9 ( 3 2 8 ) ( 3 - 2 9 ) ( 3 - 3 0 ) ( 3 3 1 ) ( 3 - 3 2 ) ( 3 3 3 ) 打油人学( 华东) 硕十论文升筒多相流动理论模q 分布系数 基本方程 其中 c 0 ：坐三一 吵= 盎 c 0 + 丢_ 等； = ! 望三 1 c 1 0 + 型 各式中其它符号意义同前。 口：! 坠 ( v ( 3 3 4 ) ( 3 3 5 ) ( 3 3 6 ) ( 3 - 3 7 ) 3 5 环空井筒多相流动模型 实际钻井中井筒环守内不但有i 、液流动，还有岩屑颗粒以及 油层排出的流体、砂粒等是复杂的非稳念变质量混相流动，特别是 要将地层流体渗流与井筒多相流动作为一个动态的流动体系进行综合 研究。 本文在前人研究的基础上，考虑流型的转化对模型的影响油气 流动过程中的相变；考虑地层产出刈流动的影响，体现沿程油气产出 的变化：考虑气液的漂移，以及井身轨迹的影响，模型不1 h 适用于直 井，而且适用于斜井。 2 0 由油人学( 华东) 硕十论文 ”简多相流动理论模田 3 5 1 地层流体( 油、气、水) 基本渗流模型“” 玑酴h 鲰) + 等 一o ，s ， 口 瓮只一) 卜 ，们 玑l 瓮( v 只一) 卜 。 乏：麓：一寸巴驴名一咒 b a ， n * 。= p g p ，p = 匕一p 。p ：_ 2p g p 。 、 。 式中，k 为地层渗透率，m 2 ； 墨；，膨。，蹋。分别表示气、油、水的相对渗透率，无量纲； b 。，b 。，b 。分别为气、油、水的体积系数，无量纲； ，品，s ，分别为油、气、水的饱和度，无量纲： 以，。分别为气、油、水的粘度，p a 。s ； 几，n ，尸1 分别为i 、油、水产生的压力，p a ： 成，p ，p 。分别为气、油、水的密度，妞砌3 ： r ，为原油溶解气油比，无量纲： f c g o ，p 。p 。分别为油一气、油一水、水一7 i 界面毛管压力， 3 5 2 环空多相流动连续性方程( 质量守恒方程) 质量守恒定律：对于空间崮定的封闭曲面控制体，流入的流体质 量与流出的流体质量之差应等于封闭f 1 1 面内流体质量的变化。 3 5 2 1 产出气的连续性方程 如图3 - i 所示，沿流动方向的 蝰标为s ，取微段d s 研究，其过 2 丁i 油人学( 华东) 硕j 论文 = l 筒多相流动理论模型 流断面面积为a ，井斜角0 ，在考虑相变的情况下，对于产出气 a 流入质量： 在击时问内微元体f 表面流入的产 出气质量为： p y p s ep g a d t ( 3 4 2 a ) 式中： p 。一产出气在当地温度和压力下的 密度，k g m 3 ： 一一产出气在当地的上返速度， r i l s ： e 。产出气在当地的体积分数， 无量纲； a 当地的环空截面积，m 2 ， 爿= i 1 丌阮一d ；，) 也。为钻头直径，m ； 巩为不同井段钻柱外径，1 1 2 d l 时f 司内微元体中地层产出气质量： + d p 图3 1 微元体受力示意幽 q p g d t d s ( 3 - 4 2 b ) 式中，q 。为单位时问单位厚度产出气的质量，k g s m ： d t 时间内微元体中增加的原油所析出的气体质量： 增加的原油体积为： ( 丁v o e o a d t + 旦a sl 半bh 半bib 。l 。jj 。 堕坠笠兰二堡垒三堡土堡塞 塑塑i 兰塑鎏垫型丝堡! ! 一 ，j o jy l u m m l g 俟甲 删析出的7 ( 体质量为： 月s ，双0 ( v o e 吃o a d t ) j d s ( ，4 2 c ) 式中： 眵，产出油在当地的体积系数，无量纲： e 。产出油在当地的体积分数，无量纲： ，产出油在当地的上返速度，州s ： r 产出油在当地的原油溶解油气比，无量纲： p 。标准状, 态t f l t 气的密度，k g m 3 b 流出质量： 在d t 时问内微元体上表面流出质量： 唰h + 掣出卜 a z a ， c 内部质量变化，即密度变化引起的质量增量： 爿b + 鲁班卜p 触：e p 9 4 孥船。：。， 出质量守恒定律，d t 时问内微元体中流入气体质量应等于密度变 化引起的质量增量与流出质量之利，即标号为( 3 。4 2 ) 的五个式了柯 以下的关系： ( a ) 式+ ( b ) 式+ ( c ) 式= ( d ) 式+ ( e ) 式 洲 ! ! 塑尘! ! ! 兰查! 婴堕兰 ! ! ：塑兰塑堕垫堡堡丝型 v p g e p g a d t + q p x d l d s _ 两0 广( v o e r o a d t ) d s 鸣爿h + 掣搬卜。爿孥嬲 合并同类项后： e 等黝。a 掣捌t a s 岛，黼s 方程两边同时约去d t d s ： 叫孥塌彳掣巩地p ，昙( 警 。， ( 3 - 4 3 ) 式就足产出气的连续性方程的一般形式。 考虑到产h i 的密度仅随井深变化而不随时间变化，所以产出气 连续性方程可简写为： 丢h p p g - - a 等 在非生j “段t q 。= 0 ，上式变为： | _ g 月 ( 3 - 4 4 ) j i l e p g a v t , g p m - a 等 - o 。s ， 同理可以得到井筒内产出油、产出水、注入气、钻井液、岩屑等 其它物质的连续性方程。 石油人学( 华东) 硕十论文 j 1 。筒多相流动理论模j _ 3 5 2 2 井筒内其它物质的连续性方程 产出油： 熹 爿巨，k 风+ 半 = q ， c 。一。s ， 产出水： 注入气： 钻井液： 岩屑： 车0 e ，匕以) = g ， 融 i d 、。v 。) = o 旱( 4 e 。，k ，岛，) ：o m 车0 e 。屹屏) = d s ( 3 - 4 7 ) ( 3 4 8 ) ( 3 - 4 9 ) ( 3 5 0 ) 式( 3 - 4 4 ) ( 3 - 5 0 ) 即为环空多相流动质量守恒方程。 式巾， 风，丘，磊，乓，。分别是产i j 水，岩槲和泥浆以及注入气的体 积分数，无量纲； ，嵋，。分别是产出水，岩眉和泥浆以及注入气的上 返速度，m s ； p 。，p p 。，p 。，尸。分别是