（机械工程专业论文）试油系统压力与冲蚀分析.pdf

中文摘要 硕士生：庞秉谦( 签名) 窿查：邋：一一 指导教师：窦益华( 签名) 堡盖经 徐彦明( 签名) 主垒，耄弦) 摘要 试油是勘探开发的重要环节，从地层流体进入井筒开始，试油系统包括流体流经的 井下管柱、井下工具、井口、地面管汇、油嘴、容器。试油过程中经常发生管汇、油嘴 刺漏现象，给试油安全带来极大威胁，为此，提出“试油系统压力与冲蚀分析 研究。 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软件。同时对地面油嘴的前后 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 t ( 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 t 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：试油系统压力冲蚀分析 论文类型：应用技术研究 s u b j e c t ： s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： a n a l y s i so fp r e s s u r ea n de r o s i o n i nw e l l - t e s ts y s t e m m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g p a n gb i n g q i a n d 0 1 1y i h u a x uy a n m i n g a b s t r a c t 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 pa 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 l o 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 et 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 y t op r e s s u r ea n ds e c u r i t yc o n t r 0 1 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 n t h eg r o u n d c 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 f d i f f e r e n t i a lp r e s s u r ep l a y sad e c i s i v er o l ei n t 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 f t h et e s tf i e l dp r e s s u r ef o r m u l ao nt h e b 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 o t e s ts y s t e m sp r e s s u r eo fc o m p u t e r m e a o p e r a t i o n a la n da d a p tt o t 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 e c 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 ht 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 t s y s t e m a tt h es a m et i m ec h o k em a n i f o l db a c kp r e s s u r ea n d c h o k em a n i f o l db e f o r ep r e s s u r e o nt h eg r o u n dw a sa n a l y z e d ，i no r d e rt oa v o i d a 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 e c h o c k 锄dr e a s o n a b l em a t e r i a l s , t od e s i g nt h ei d e a lo f t h ep i p em a n i f o l dv a l v e sa n d c h o c k - t h r o u g l lt h ea n a l y s i so 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 dm 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 r a n dg r o u n do f t h ee r o s i o no f 2 0 c re x p e r i m e n t a l s t u d v ，e v a l u a t i o no fs u p e r1 3 c re r o s i o ni nu n d e r g r o u n d ；s a n di nt h es u p e r1 3 c r t h ei m p a c to f e r o s i o n ：a saw 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 ( 1 0 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 d i nt h e2 0 c rt h ei m p a c to fe r o s i o n ；t h ei m p a c t0 1 1t 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 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 nv e l o c i t y ；t h ei m p a c t o nt h ep e r f o r m a n c eo 士 h 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 e t h e o r e t l c a la n d e 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 ；s y s t e m ；p r e s s u r e ；e r o s i o n ；a n a l y s i s 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 m 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：斑秉诌， 日期：2 口，彦。f ，口 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：庭蠡主壹： 导师繇互鲜 日期：秒了。i - d 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 试油是勘探开发的重要环节，从地层流体进入井筒开始，试油系统包括流体流经的 井下管柱、井下工具、井口、地面管汇、油嘴、容器。试油过程中经常发生管汇、油嘴 刺漏现象，给试油安全带来极大威胁，为此，提出“试油系统压力与冲蚀分析 研究。 主要包括试油压力分析( 垂直管流分析、水平管流分析、过油嘴流动分析) 和冲蚀分析 ( 井下管柱冲蚀分析、地面管汇冲蚀分析) 。 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【l 】。 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【1 1 。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 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迸一步的保证。 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 1 。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【3 l ，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i “l 。 西安石油大学硕士学位论文 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裂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。他们收集大量已发的 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 r i 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 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鉴 s l 。 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。流性指数即关 2 第一章绪论 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 l 。 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19 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 们。 在多相流水平管工艺计算中最重要的参数是压降【l 。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 】，在生产设计和管理中我们应根据具体情况来选用压降 0 3 1 计算公式。 1 3 本文的主要工作 1 3 i 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。 3 西安石油大学硕士学位论文 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编制 在广泛研究国内外流体压力计算文献的基础上，采用v b 6 0 编写复杂井试油流程压 降分析软件，该软件可以实现以下主要计算： ( 1 ) 单相液体在垂直管柱的流动压力的计算： ( 2 ) 单相气体在垂直管柱的流动压力的计算； ( 3 ) 气液两相在垂直管柱的流动压力的计算； ( 4 ) 液、气、气液两相在地面管汇中的压力的计算。 1 3 5 流体冲蚀研究 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。本文综合考虑上述现象，提出防止冲蚀的解决方案，并通过以下 7 个方面研究分析，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。 ( 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。 4 第二章流体在垂直管柱中的流动分析 第二章流体在垂直管柱中的垂直管流分析 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 ”p _ y l + 2 v z g 吐+ 争囔啦： ( 2 1 ) 式中：j l l l 点液体的深度，m ： 风_ 2 点液体的深度，m ： 属一：一液体上l 、2 两点间单位重量液体的能量损失： p l l 点处的液体压力，m p a ； 仍一2 点处的液体压力，m p a ； v t l 点处的液体流速，n 怕： 1 ，- 2 点处的液体流速，i i 以； y 一液体重度，n 留。 ( 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： 一础+ 土f 如d p + g 蹦一2 = 0 ( 2 2 ) p ，1 式中：幽一两个过流断面之间的深度差，m ； 夕一液体密度，k g m 3 ： 属一：一两个过流断面之间，液体的水头损失，m 。 i i i ：，：墨堂t ( 2 - 3 ) 一 2 内 式中参数含义同式( 2 6 ) 。 由式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 、( 2 3 ) 可以推导出： 5 西安石油大学硕士学位论文 j ：证p 睁g 卜 由式( 2 - 4 ) 可得液体产出、注入关系式： 舻旷悟g 卜 胪圹挣g 卜 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 其中： r 2 0 0 0 ：a ：一6 4 ： 咒 3 0 0 0 r 5 昂时：肛0 3 1 6 4 矿2 5 ； 器rt665-76519(2e)时：2=03086g68r,-i+呦39)l。11矿2； 耻掣= ( 2 l g 孑 式中：r 一雷诺数； p 一液体密度，k g m 3 ； 见一井口压力，m p a ： 风一井底压力，m p a ； 名一摩擦阻力系数； d 一管柱内径，m ； 办一深度差，m ； 可一平均流速，m s ； 占一相对粗糙度。 2 3 单相气体在垂直管柱中的流动分析 将气相管柱流动考虑为一个稳定的一维问题。在管流中取一段垂直管柱作为分析， 图2 _ 1 一维气相流动示意图 6 第二章流体在垂直管柱中的流动分析 对象如图2 1 所示。 ( 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： 捌：0 ( 2 7 ) 砌 其中，么= 竺d 2 。 式中：p 气体密度，k g m 3 ： ，一气体流速，m s ： h 一深度，m ； a 一管柱流通截面，i n 2 。 ( 2 ) 能量方程式 轰= l a g s i n 0 + 等+ 嘉 c 2 剐 舯：万1 = 1 1 4 - 2 1 9 ( 针等j v ：兰婴兰丝 积1p t 。 式中：a 一摩阻系数。 s 一相对粗糙度； 口一管柱与水平方向的夹角5 p 气体密度，k g m 3 h 一深度，m ； v 一气体流速，m s ： z 气体压缩系数； p 一某压力，m p a ： r 一某温度，k ： q ：。气井日产量( 标准状态) ，m 3 d ： p 。一标准状态的压力，取= 0 1 0 1 m p a ； 瓦一标准状态的温度，取乙= 2 9 3 k 。 气体从井底沿管柱流到井口具有以下特点： ( 1 ) 从管鞋到井口没有功的输出，也没有功的输入，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，即：v d v = 0 ： ( 3 ) 讨论垂直管柱流体流动，0 - - - 9 0 。 考虑以上三点，由式( 2 8 ) 可以推导出： 7 西安石油大学硕士学位论文 e 万老铴= r 挚 沼9 ) j n 面罚丽而砜历矿5j o 守门 u 叫 高温高压深井试油系统压力分析分为产出和注入两种工况，因此气体在垂直管柱 中流动分析分产出与注入。 舢： 舻 竺塑等筹堕坦 协 趴胪”型塑筹掣 ( 2 2 4 气液两相在垂直管柱中的流动分析 2 4 1 气液两相流动型态分析 流体力学的基本方程也适用于油气水多相流动，不过在解决采油和采气工程技术f - - j 题时，一般把油水两种流体视为液相，着重考虑气液两相间的作用。描述两相管流的数 学模型要比单相管流复杂的多。因此，两相管流的处理方法与单相管流有共同之处，但 也有其特点。由于流体的非均匀性，在气液两相管流中，气液各相的分布状况可能是多 种多样的，存在着各种不同的流动型态，而气液界面又很复杂和多变。气液两相在垂直 管柱中的流动分析是进行油井设计和分析的重要理论基础，尽管前人在这方面做了大量 的研究工作，提出了不少方法，但这些方法都限于各自的适用范围，目前还没有一种对 不同的条件都能得到较为精确结果的通用方法。对于油气比较高的情况，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 1 4 , 1 5 , 1 6 i ，提出了油气比很大的情况下 一种新的计算方法。 将多相管流动分为泡流、段塞流、扰流、环流4 种流区，各流区的界限分别为： ( 1 ) 泡流： 纠知- 虻业 0 5 ( 2 1 2 ) 【- 岛gj k 如3 3 3 删粥3 掣 0 2 5 式中：d 一管柱直径，m 。 岛一液相密度，k m 3 ； 成气相的密度，埏m 3 ： 仃一表面张力，n m ： 旷重力加速度，m s 2 。 一液相的折算速度，m s ： 气相折算速度，m s 。 或者： 8 第二章流体在垂直管柱中的流动分析 斗6 叫 h s s 0 5 2 掣豫兀矿2 ( 2 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 式中：i - , 一为持气率分数： 成一为气相和液相的混合密度，k g m 3 ； 肛一为液相密度，k g m 3 鸽一为液相粘度，埏佃s ；式中其余参数含义同式( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 。 ( 2 ) 段塞流： 婶们3 3 8 3 掣r 概盹 & k 2 o 0 0 5 l ( p y , f 2 ) 1 7 ( 2 - 1 6 ) 当岛屹2 7 4 4 时： 靠y 踞2 2 5 4 1 9 ( p t v a 2 ) - 3 8 9 ( 2 1 7 ) 式中参数含义同式( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 。 ( 3 ) 扰流： 倒 掣r 协 & k 2 o 0 0 5 1 ( p l v 对2 ) 1 7 ( 岛2 7 4 4 ) ( 2 2 0 ) 式中参数含义同式( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 。 ( 4 ) 环流： k 揖 掣r 协2 - ， 式中参数含义同式( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 。 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： 褰 总2 赛 重力+ 嘉 摩擦+ 褰 加速度 c2 2 2 ， 式中：p 一压力，u p a ； 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。 9 西安石油大学硕士学位论文 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： 阻力砜g 加速度项引起的压力梯度可 ( 2 2 3 ) 成= 以& + 【卜哎) 岛 ( 2 - 2 4 ) 以2 詈( 2 - 2 5 ) 式中：k 一气相折算速度，r n m 式中其余参数含义同式( 2 1 4 ) 和( 2 1 5 ) 。 k 一计算段内气相的实际上升速度( m s ) ，即： 屹= c o y + k ( 2 2 6 ) 而g 为管中心的流速与截面平均速度的比值，取c 0 = j 2 ；吃为是气泡的滑脱速度， 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： 屹“5 3 掣卜- 剖0 3 协2 7 ) 鼠攘= 竽 协2 8 ， 式中：气相和液相的混合流速，i 毗； 范宁摩阻系数，采用c o l e b r o o k 的相关式求出；式中其余参数含义同式( 2 1 4 ) 一w 竽 ( 2 - 2 9 ) 式中：p 一压力，a ； h 一井深，m ： 1 ，。气相折算速度，m s ； k 一段内气相的实际上升速度，m s ； 日。一持气率分数； 成气相和液相的混合密度，k g m 3 ： 一气相和液相的混合速度，m s ： 厂一范宁摩阻系数； 盯一表面张力，n m ： 角一为液相密度，k g m s ； d 管柱直径，m ； c 0 一为管中心的流速与截面平均速度的比值。 1 0 算： 第二章流体在垂直管柱中的流动分析 ( 2 ) 段塞流区 加速度项引起的压力梯度仍可忽略不计，重力项引起的压力梯度用文献【2 8 1 的公式计 轧2 等等g p | = h 啦p g + u h 吨p l 、 h 蹲= h ： 哎= 筠 圪= 彳( o 9 1 3 l b 一0 5 2 6 d ) 屹= 以 厶= l o d + 删埘5 一& ) n 1 ( 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：日碰一为液段内的持气率分数： 厶一为泰勒泡长度，m l 虼一为泰勒泡体积，m 3 1 圪一为液塞的体积，m 2 ： a 管柱过流断面截面积，m 2 ； 厶一为液塞长度，m ：其余参数含义同式( 2 2 9 ) 。 由式( 2 - 3 7 ) 可以定出s - , ，式( 2 - 3 2 ) 定出，式( 2 - 3 6 ) 定出厶：将以， 和厶代入式( 2 - 3 4 ) ，即可定出厶：有了厶，t 和的值，即可由式( 2 3 0 ) 和式( 2 3 1 ) 定出重力引起的压降( d p l d h ) ，同时，摩擦项也就可以由下式求出： ( 象) 触2 躺 协3 8 ) 综上所述可以得到： 勿1 一 l 别薏一 热忱卜+ o 3 4 5 一& ) g ( 2 3 9 ) ，其余参数含义同式( 2 - 2 9 ) 和式( 2 - 3 7 ) 。 所 ，ii d g ( 0 9 1 3 l o - 0 5 2 6 d ) + i o h 8 l 8 d l o 幔一 p s + 哎1 8 & + l o ( 卜哎1 8 岛) d h i 一 。( o 9 1 3 _ 乍一0 5 2 6 d ) + 1 0 h s l 一d l o a s - s 窖一 + 1 0 d h s 瓦 一mq 雨 肌币 垫m努 以f 不 虹一p 6 | 扎 一心 一m 、i，j l 5 l o 1j 辟 ，j l l 、 翱 西安石油大学硕士学位论文 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 p 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 一1 1 6 v , , + 0 3 4 5 掣丌一 协4 。， 式中参数含义同式( 2 3 9 ) 。 摩擦项用式( 2 3 8 ) 计算而且有： 鼠戢一( 等) ( 2 - 4 1 ) 式中参数含义同式( 2 3 9 ) 。 综上所述可以得到： - 纠： 【- 讲j 总 ( 0 9 1 3 l 0 0 5 2 6 d ) + 8 h s l 8 d 一8 哩 p g+ 以1 + 8 b + 8 ( 1 一哎1 。8 局) d h - ( 0 9 1 3 厶一0 5 2 6 d ) + 8 d h s l 一一毗 + 耐 h g g + 杀淼1 2 5 ( 0 矬5 2 6 d 靛) + d ( 盟d ) 协4 2 ，吧+ o 9 1 3 厶一o 哎。一咀一”l 热一f 1 1 6 v m + 0 3 4 5 掣n 一艨嬲协2 9 钟，。 ( 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： ，塑1 ：塑蔓堑掣 ( 2 4 3 ) d 1 长d p d p j 成= 岛【l 一) + 纹 ( 2 - 4 4 ) 比2 矗茜( 2 - 4 5 ) 式中：肛气芯中混合物的密度，k g o ； 屹一气芯中混合物的速度，m s ： 乃一气芯与液膜界面的摩阻系数； 日秽一气芯中的持气率； 第二章流体在垂直管柱中的流动分析 e 一气芯中的液体占整个液相的体积分数：其余参数含义同式( 2 1 3 ) 。 分散到气芯中的液体占整个液相的体积分数为： 纠一唧卜 3 0 4 8 v , g 鲥- 1 5 像4 6 ， 而气芯与液膜界面间的摩阻系数为： 疋：型筹趔 亿4 7 ) 疋= 匕- 蔷 ( 2 4 7 ) 五： + ( 鲁) n 4 ( 字) n 7 2 ( 急) 0 卸3 弼 c 2 4 8 ) 式中：z 一为气体的质量分数； r e ，气相雷诺数； 艿一边界层厚度，m ； 珐一为液相密度，b 1 3 ： 攻一为气相密度，k g m 3 ； 以一为气相粘度，k g m s ； 肛一为液相粘度，k g m s 。 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 1 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1 6 1 、 h a s a n 法1 9 1 、o r k i s z e w s k i 法2 0 1 、h a g e d o m b r o w n 法【2 1 i 、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【2 3 i 都采用相同的方法) ， 其结果如图2 2 绝对平均误差。 1 3 西安石油大学硕士学位论文 绝 对 平 均 误 差 图2 - 2 绝对平均误差图 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 l ) 。 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 1 4 第二章流体在垂直管柱中的流动分析 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 对已有的理论进行比较，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。 西安石油大学硕士学位论文 第三章流体在地面管汇中的水平管流分析 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1 ，、d 、p 为基本量，可组成四个无因次积，如： i t l = ，与d 如p b 卸 万1 = v t a d k p 岛 i t l = v k , d 也p b ， 乃= v t a d 。, p k , 式中： ，一液体流动速度，m s ； d 一水平管内径，m ； p 一液体密度，k g m 3 ； 一平均粗糙度，m ： 卸压降，p a ； 卜一水平管管长，m ： 一液体动力粘度，m p a s 。 由因次平衡，对羁，有表达式： 万l = v 与d k , p k , a p 毛= 一2 1 解得： k 2 = 0 屯= 一l j 故： 乃：罢。 鲫。 同理可得：万：= 南；万，= 万1 ；死= 万a 。 因为b 。，万：，乃，乃) = 0 ，即乃= ，( 万：，乃，九) ，故可写成无因此函数式： 1 6 ( 3 1 ) 第三章流体在水平管中的流动分析 等= f 唔l a 万i 刳 设p ：上；办，：望，则： _ = 小搿d ) 1 g = 水，今) 等 式中参数含义同式( 3 1 ) 。 设五= 如珈： j i ，：五旦 。 2 a g i i l ，：望 。 y 式中参数含义同式( 3 1 ) 。 由式( 3 - 4 ) 、( 3 5 ) 可知： p ：2f l v 2 2 d g 式中参数含义同式( 3 1 ) 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： 塑尘：o 式e p p 一气体密度，k g m 3 ； 1 ，一气体流速，m s ： a 一管流通