抽油机井系统效率分析及提高措施1

1、薛建泉薛建泉 电电 话：话：83937778393777 2 3 4 5 6 7 %100 P P 入 水 抽油机输入功率 抽油机有效功率 8 第二节第二节 系统效率计算与测试系统效率计算与测试 井地 入 光 光 水 入 水 P P P P P P 9 第二节第二节 系统效率计算与测试系统效率计算与测试 321 KP/P 入光地 10 3 4 3 2 3 2 1 2 1 P P P P P P P1电动机输入功率，即电动机输入功率，即P ，kW； P2电动机输出功率，电动机输出功率，kW； P3减速箱输出功率，减速箱输出功率，kW； P4光杆功率，即光杆功率，即P光 光， ，kW。 第二节第二

2、节 系统效率计算与测试系统效率计算与测试 11 第二节第二节 系统效率计算与测试系统效率计算与测试 7654 P/P 光水井 12 第二节第二节 系统效率计算与测试系统效率计算与测试 7 8 7 6 7 6 5 6 5 4 5 4 P P P P P P P P 13 第二节第二节 系统效率计算与测试系统效率计算与测试 7654321 K 井地 14 电动机的测试参量有：电动机的测试参量有：有功功率、无功功率、电流、电压、电有功功率、无功功率、电流、电压、电 机转速、电机输出扭矩等。机转速、电机输出扭矩等。 皮带、减速箱应当分别测试，从而分别计算它们的效率。但由皮带、减速箱应当分别测试，从而分

3、别计算它们的效率。但由 于抽油机的结构原因，单独测试困难，将它们作为一个组件于抽油机的结构原因，单独测试困难，将它们作为一个组件测试测试 参量有：参量有：输出轴扭矩、输出轴转速输出轴扭矩、输出轴转速 第二节第二节 系统效率计算与测试系统效率计算与测试 15 第二节第二节 系统效率计算与测试系统效率计算与测试 光杆的测试参数有：光杆的测试参数有： 盘根盒的测试参数有：盘根盒的测试参数有： 抽油杆的测试参数为：抽油杆的测试参数为： 16 第二节第二节 系统效率计算与测试系统效率计算与测试 抽油泵的测试参数有：抽油泵的测试参数有： 井下管柱的测试参数有：井下管柱的测试参数有： 17 第二节第二节 系

4、统效率计算与测试系统效率计算与测试 目前虽有一些计算有杆抽油系统各部分功耗的公式，但其一目前虽有一些计算有杆抽油系统各部分功耗的公式，但其一 般误差都很大。只有采用一定的测试仪器，在现场进行实测，般误差都很大。只有采用一定的测试仪器，在现场进行实测， 才可能得到比较精确的耗功数据，进而计算系统效率。才可能得到比较精确的耗功数据，进而计算系统效率。 为了测试有杆抽油系统的分效率，可在整个系统布点为了测试有杆抽油系统的分效率，可在整个系统布点9 9处。处。 18 第二节第二节 系统效率计算与测试系统效率计算与测试 分分 级级 效效 率率 测测 试试 布布 点点 简简 图图 19 第二节第二节 系统

5、效率计算与测试系统效率计算与测试 位于电动机动力输入处，在该点测各种电参数位于电动机动力输入处，在该点测各种电参数 用电功率表可以在用电功率表可以在1 1点测得电动机的输入功率。除此之外还要点测得电动机的输入功率。除此之外还要 测输入的电流、电压、无功功率（功率因数测输入的电流、电压、无功功率（功率因数coscos）等。用最）等。用最 大电流比可以确定抽油机的平衡度；根据电压是否变化，可以大电流比可以确定抽油机的平衡度；根据电压是否变化，可以 了解整个系统的平稳程度；无功功率或功率因数则说明所测抽了解整个系统的平稳程度；无功功率或功率因数则说明所测抽 油机系统对整个供电系统的影响。油机系统对整

6、个供电系统的影响。 测点测点2 2位于电动机输出轴端，测点位于电动机输出轴端，测点3 3位于减速位于减速 箱的曲柄轴输出端。用动态应变仪分别测箱的曲柄轴输出端。用动态应变仪分别测2 2、3 3点处的扭矩，同点处的扭矩，同 时用转速计测该两点处的转速；然后就可以分别求出电动机的时用转速计测该两点处的转速；然后就可以分别求出电动机的 输出功率和减速箱输出功率。输出功率和减速箱输出功率。 20 第二节第二节 系统效率计算与测试系统效率计算与测试 （3 3）测点测点4 4 位于悬绳器处。用动力仪可测得示功图；根据示位于悬绳器处。用动力仪可测得示功图；根据示 功图面积及动力仪的比例系数可求得光杆功率。功

7、图面积及动力仪的比例系数可求得光杆功率。 （4 4）测点测点5 5 在井下抽油泵处。在泵的吸入口和排出口分别安在井下抽油泵处。在泵的吸入口和排出口分别安 装振弦压力计，测试抽油泵吸入和排出压力。装振弦压力计，测试抽油泵吸入和排出压力。 （5 5）测点测点6 6、7 7、8 8、9 9 四点都在井口处。在四点都在井口处。在6 6点处用回声仪点处用回声仪 测油井动液面深度，在测油井动液面深度，在7 7点处用压力表测套管压力，在点处用压力表测套管压力，在8 8点处用点处用 压力表测油管压力，压力表测油管压力，9 9点为油管出口处，在该点用流量计测量点为油管出口处，在该点用流量计测量 油井产量油井产量

8、Q Q。 21 根据根据5 5、6 6、7 7、8 8、9 9五点所测得数值，可分别求得抽油泵输五点所测得数值，可分别求得抽油泵输 出功率和系统的有效功率，出功率和系统的有效功率，9 9个测试点可确定个测试点可确定6 6种功率（种功率（P P1 1、P P2 2、 P P3 3、P P4 4、P P5 5、P P6 6）。用这）。用这6 6种功率求全部的种功率求全部的7 7个分效率是不够的，个分效率是不够的， 因为井口盘根盒的耗功和井下抽油杆耗功还是个未知数。因为井口盘根盒的耗功和井下抽油杆耗功还是个未知数。 要在直接测试要在直接测试P P5 5与与P P6 6有较大的困难，为此采用模拟测试方

9、法。有较大的困难，为此采用模拟测试方法。 测试盘根盒耗功测试是室内完成的。用一根短管把两个盘根盒测试盘根盒耗功测试是室内完成的。用一根短管把两个盘根盒 连接起来，管上安装有压力管通油泵，用油泵对盘根盒加压。光连接起来，管上安装有压力管通油泵，用油泵对盘根盒加压。光 杆上贴有电阻片测出光杆的摩擦力。见下图杆上贴有电阻片测出光杆的摩擦力。见下图 第二节第二节 系统效率计算与测试系统效率计算与测试 22 盘根盒耗功测试装置简图盘根盒耗功测试装置简图 1盘根盒；盘根盒；2连接管；连接管；3光杆；光杆；4加压管；加压管；5压力表压力表 第二节第二节 系统效率计算与测试系统效率计算与测试 23 在研究分析

10、抽油机系统各部分耗功时，进行分级效率测试在研究分析抽油机系统各部分耗功时，进行分级效率测试 是必要的，因为只有这样才能深入地揭示系统中各部分的工况。是必要的，因为只有这样才能深入地揭示系统中各部分的工况。 分级效率测试与计算的工作量很大，在日常管理工作中要对每一分级效率测试与计算的工作量很大，在日常管理工作中要对每一 口抽油机井都进行这样的测试工作是不可能的。为此，下面给出口抽油机井都进行这样的测试工作是不可能的。为此，下面给出 一种简便而适应于日常管理工作的测试方法。一种简便而适应于日常管理工作的测试方法。 （1 1）测输入功率）测输入功率P P 及电流 及电流I I 用功率表测电动机输入功

11、率。用钳形电流表测量抽油机上下冲用功率表测电动机输入功率。用钳形电流表测量抽油机上下冲 程时最大的工作电流，从而确定抽油机平衡程度。程时最大的工作电流，从而确定抽油机平衡程度。 第二节第二节 系统效率计算与测试系统效率计算与测试 24 式中式中 I I下 下maxmax 抽油机下冲程的最大工作电流，抽油机下冲程的最大工作电流，A A； I I上 上maxmax 抽油机上冲程的最大工作电流，抽油机上冲程的最大工作电流，A A； nn测量组数；测量组数； BB平衡度，平衡度，% %。 %100 n I/I B n 1i maxmax 上下 第二节第二节 系统效率计算与测试系统效率计算与测试 25

12、（2 2）测光杆功率）测光杆功率P P光 光及水功率 及水功率P P水 水 通过动力仪测光杆功率；用回声仪测动液面深度；由压力表测通过动力仪测光杆功率；用回声仪测动液面深度；由压力表测 套管压力、油管压力；在计量站测出油井产液量，从而求出抽油套管压力、油管压力；在计量站测出油井产液量，从而求出抽油 机系统的有效功率。机系统的有效功率。 求得求得P P 、 、P P光 光、 、P P水 水后，可分别求得 后，可分别求得、地 地及 及井 井。这样的测 。这样的测 试工作，工作量不大，又可求得系统总效率以及地面与井下的分试工作，工作量不大，又可求得系统总效率以及地面与井下的分 效率，对于生产井的管理

13、工作有指导意义。效率，对于生产井的管理工作有指导意义。 第二节第二节 系统效率计算与测试系统效率计算与测试 26 第二节第二节 系统效率计算与测试系统效率计算与测试 27 28 油井流入动态曲线（油井流入动态曲线（IPRIPR曲线）曲线）： 表示产量与井底流压关系的曲线，简称表示产量与井底流压关系的曲线，简称IPRIPR曲线。曲线。 油井流入动态：油井流入动态： 油井产量与井底流动压力的关系。油井产量与井底流动压力的关系。 它反映了油藏向井的供油能力，反映油藏压力、油层物性、它反映了油藏向井的供油能力，反映油藏压力、油层物性、 流体物性、完井质量等对油层渗流规律的影响，是采油工程与油流体物性、

14、完井质量等对油层渗流规律的影响，是采油工程与油 藏工程的衔接点。通过油井流入动态研究为油藏工程提供检验资藏工程的衔接点。通过油井流入动态研究为油藏工程提供检验资 料；为采油工程的下一步工作提供依据；检查钻井、固井、完井料；为采油工程的下一步工作提供依据；检查钻井、固井、完井 和各项工艺措施等技术水平的优劣。和各项工艺措施等技术水平的优劣。 第一节第一节 油井流入动态油井流入动态 29 1.1.单相液体流入动态单相液体流入动态 a sXB PPhk q oo wfro o 2 1 ln )(2 供给边缘压力不变圆形地层供给边缘压力不变圆形地层中心一口井的产量公式为：中心一口井的产量公式为： a

15、sXB PPhk q oo wfro o 4 3 ln )(2 圆形封闭油藏圆形封闭油藏，拟稳态条件下的油井产量公式为：，拟稳态条件下的油井产量公式为： 第一节第一节 油井流入动态油井流入动态 30 单相流动时，油层物性及流体性质基本不随压力变化，单相流动时，油层物性及流体性质基本不随压力变化， 产量公式可表示为产量公式可表示为: : )( wfro PPJq 采油指数采油指数J J的获得：的获得： 油藏参数计算油藏参数计算 试井资料：测得试井资料：测得3 35 5个稳定工作制度下的产量及其流个稳定工作制度下的产量及其流 压，便可绘制该井的实测压，便可绘制该井的实测IPRIPR曲线曲线 第一节

16、第一节 油井流入动态油井流入动态 31 2.2.油气两相渗流时的流入动态油气两相渗流时的流入动态 平面径向流，直井油气两相渗流时油井产量公式为：平面径向流，直井油气两相渗流时油井产量公式为： (1)(1)垂直井油气两相渗流时的流入动态垂直井油气两相渗流时的流入动态 dr dp B hrk q oo o o 2 k k k o ro dp B K r r kh q e wf P P oo ro w e o ln 2 第一节第一节 油井流入动态油井流入动态 32 1)Vogel 1)Vogel 方法方法 假设条件：假设条件： a.a.圆形封闭油藏，油井位于中心；圆形封闭油藏，油井位于中心； b.b

17、.均质油层，含水饱和度恒定；均质油层，含水饱和度恒定； c.c.忽略重力影响；忽略重力影响； d.d.忽略岩石和水的压缩性；忽略岩石和水的压缩性； e.e.油、气组成及平衡不变；油、气组成及平衡不变； f.f.油、气两相的压力相同；油、气两相的压力相同； g.g.拟稳态下流动状态。拟稳态下流动状态。 2 max 8 . 02 . 01 r wf r wf o o P P P P q q VogelVogel方程方程 第一节第一节 油井流入动态油井流入动态 33 dp B k s r r kh q r wf P P oo ro w e o 4 3 ln 2 2 2）费特柯维奇方法）费特柯维奇方法

18、 溶解气驱油藏：溶解气驱油藏： 假设假设 与压力与压力 成直线关系，则：成直线关系，则： oo ro B k p r wf P P w e o cpdp s r r kh q 4 3 ln 2 2 2 2 4 3 ln 2 wf r w e PP c s r r kh cP B k oo ro 第一节第一节 油井流入动态油井流入动态 34 r p oo ro r K P c)( 1 式中：式中： r wf r P oo ro w e o P PP K s r r kh q r 2 4 3 ln 2 2 2 则：则： 第一节第一节 油井流入动态油井流入动态 35 2PCPBAq (2)(2)斜井

19、和水平井的斜井和水平井的IPRIPR曲线曲线 Cheng Cheng对溶解气驱油藏中斜井和水平井进行了数值模拟，对溶解气驱油藏中斜井和水平井进行了数值模拟， 并用回归的方法得到了类似并用回归的方法得到了类似VogelVogel方程的不同井斜角井的方程的不同井斜角井的IPRIPR 回归方程：回归方程： 第一节第一节 油井流入动态油井流入动态 36 Bendakhlia Bendakhlia等用两种三维三相黑油模拟器研究了多种等用两种三维三相黑油模拟器研究了多种 情况下溶解气驱油藏中水平井的流入动态关系。得到了不情况下溶解气驱油藏中水平井的流入动态关系。得到了不 同条件下同条件下IPRIPR曲线。

20、曲线。 n r wf r wf o o P P v P P v q q 2 max 11 BendakhliaBendakhlia用公式来拟合用公式来拟合IPRIPR曲线图版，发现吻合很好。曲线图版，发现吻合很好。 第一节第一节 油井流入动态油井流入动态 37 dp B K r r kh q r wf P P oo ro w e o 4 3 ln 2 （1 1）基本公式）基本公式 当油藏压力高于饱和压力，而流动压力低于饱和压力当油藏压力高于饱和压力，而流动压力低于饱和压力 时，油藏中将同时存在单相和两相流动，拟稳态条件下产时，油藏中将同时存在单相和两相流动，拟稳态条件下产 量的一般表达式为量的

21、一般表达式为: : 3. 3. 时的流入动态时的流入动态 wfbr PPP 第一节第一节 油井流入动态油井流入动态 38 组合型IPR曲线 （2）实用计算方法 第一节第一节 油井流入动态油井流入动态 39 )( brb PPJq流压等于饱和压力时的产量为：流压等于饱和压力时的产量为： 当当 时，由于油藏中全部为单相液体流动。时，由于油藏中全部为单相液体流动。 b wfPP )( wfro PPJq流入动态公式为：流入动态公式为： 第一节第一节 油井流入动态油井流入动态 40 )(8 . 02 . 01 2 b wf b wf cbo P P P P qqq ) 1(8 . 1 8 . 1 b

22、r bb c P P qJP q )(8 . 0)(2 . 01 8 . 1 2 b wf b wf b br o P P P P P PP q J 当当 后，油藏中出现两相流动。后，油藏中出现两相流动。 b wfPP 直线段直线段 采油指数采油指数 第一节第一节 油井流入动态油井流入动态 41 3.3.油气水三相油气水三相IPR IPR 曲线（曲线（PetrobrasPetrobras方法）方法） 油气水三相IPR 曲线 第一节第一节 油井流入动态油井流入动态 42 已知一个测试点已知一个测试点( ( 、 ) )和饱和压力和饱和压力 及油藏压力及油藏压力wftest p ttest q b

23、P rP 当当 时：时： bwftest PP wftest r ttest l PP q J 当当 时：时： )( 8 . 1 )1 ( wftestrw b b r w ttest l PPfA P PPf q J bwftestwfG PPP 当当 时：时： wfGwftest PP0 bwrwbwftest wttest l pfpfpp fq J 4984 98 2 8 . 02 . 01 b wftest b wftest P P P P A 其中：其中： bwwfG pfP 9 4 直线段直线段 采液指数采液指数 第一节第一节 油井流入动态油井流入动态 43 ，则：，则： bt

24、qq 0 l t r wf J q PP ，则按流压加权平均进行推导：，则按流压加权平均进行推导： maxotb qqq wfwaterwwfoilwwf PfPfP)1 ( bo bt bwfoil qq qq PP max 80811125. 0 l t rwfwater J q Pp (2) (2)某一产量下的流压计算某一产量下的流压计算 )(80811)1 (125. 0 maxbo bt bw l t r wwf qq qq Pf J q PfP所以：所以： 第一节第一节 油井流入动态油井流入动态 44 l w qq t wf J f dq dP ot 98 max 因为：因为： l

25、 wot l o r wwf J fqq J q PfP )98)( )( maxmax 所以：所以： 若若 ，则综合，则综合IPRIPR曲线的斜率可近似曲线的斜率可近似 为常数。为常数。 maxmaxtto qqq 第一节第一节 油井流入动态油井流入动态 45 第一节第一节 油井流入动态油井流入动态 46 第二节第二节 已知动液面计算井底流压方法已知动液面计算井底流压方法 由动液面计算井底流压的方法是在套管不产气正常生产井由动液面计算井底流压的方法是在套管不产气正常生产井 井筒中，将井筒流体划分为气柱、油柱及液柱三段，分别求出井筒中，将井筒流体划分为气柱、油柱及液柱三段，分别求出 各段的压力

26、降落，从而计算井底流压。其计算表达式如下：各段的压力降落，从而计算井底流压。其计算表达式如下： log logcwf PPP PPPPP 47 1.1.动液面处压力的计算动液面处压力的计算 f g H TZ cg ePP 03416. 0 2. 2. 油柱所产生压力的计算油柱所产生压力的计算 n i fii n i ioi n i oio HHh hgPP 1 6 11 10 第二节第二节 已知动液面计算井底流压方法已知动液面计算井底流压方法 48 3.3.井底流压的计算井底流压的计算 当油管未下至油层中部时，在油管管鞋至当油管未下至油层中部时，在油管管鞋至 油层中部深度处流体呈现多相混合流动

27、。已知油层中部深度处流体呈现多相混合流动。已知 油管管鞋处的压力、温度等，并以此作为起点，油管管鞋处的压力、温度等，并以此作为起点， 利用多相流相关式计算井底流压。利用多相流相关式计算井底流压。 第二节第二节 已知动液面计算井底流压方法已知动液面计算井底流压方法 49 根据流体静力学的原理，关井后井底静压是井口根据流体静力学的原理，关井后井底静压是井口 套压与各段流体压力降落之和，即套压与各段流体压力降落之和，即 wog wogcs PPP PPPPP 第三节第三节 根据静液面计算静压方法根据静液面计算静压方法 50 1.1.井筒中油水界面深度的计算井筒中油水界面深度的计算 关井之后由地层续流

28、到井筒中的流体含水率与关井之后由地层续流到井筒中的流体含水率与 油井正常生产时地面产液的含水率相同；油井正常生产时地面产液的含水率相同； 关井之后由抽油泵及油管漏失到井筒中的流体关井之后由抽油泵及油管漏失到井筒中的流体 的含水率与正常生产时地面产液的含水率相同。的含水率与正常生产时地面产液的含水率相同。 为了便于研究，特作如下假设：为了便于研究，特作如下假设： 第三节第三节 根据静液面计算静压方法根据静液面计算静压方法 51 因此，井筒中油水界面深度为：因此，井筒中油水界面深度为： w wo w c to sft c ti pi wimmb f VB V A A HH A A HH HHHHH

29、 2 1 1 11 第三节第三节 根据静液面计算静压方法根据静液面计算静压方法 52 2.2.计算气柱的压力降落计算气柱的压力降落 03416. 0 s g H TZ cg ePP 3.3.计算油柱的压力降落计算油柱的压力降落 n i sbi n i ioi H H oo HHh hggdhP b s 1 1 66 1010 第三节第三节 根据静液面计算静压方法根据静液面计算静压方法 53 4.4.计算水柱的压力降落计算水柱的压力降落 6 10 bmww HHgP 第三节第三节 根据静液面计算静压方法根据静液面计算静压方法 54 井筒多相流理论：井筒多相流理论： 研究各种举升方式油井生产规律基

30、本理论研究各种举升方式油井生产规律基本理论 研究特点：研究特点：流动复杂性、无严格数学解流动复杂性、无严格数学解 研究途径：研究途径：基本流动方程基本流动方程 实验资料相关因次分析实验资料相关因次分析 近似关系近似关系 第四节第四节 井筒多相流理论与计算井筒多相流理论与计算 55 l 石油工业中的多相流技术研究始于石油工业中的多相流技术研究始于19501950年左右年左右 l 70 70年代，石油工业开始采用已在其它工业领域中使用的年代，石油工业开始采用已在其它工业领域中使用的 一些物理机理来预测多相流的流型一些物理机理来预测多相流的流型 l 80 80年代初，计算机的引入极大地促进了多相流的

31、发展年代初，计算机的引入极大地促进了多相流的发展 l 80 80年代中期应用了核密度计、超声波、电容传感器、激光多年代中期应用了核密度计、超声波、电容传感器、激光多 普勒仪和高速摄影机等设备对多相流机理进行研究普勒仪和高速摄影机等设备对多相流机理进行研究 l 目前，双流体瞬态模拟方法和精确描述物理现象的稳态机理目前，双流体瞬态模拟方法和精确描述物理现象的稳态机理 模型是多相管流研究的主要方法模型是多相管流研究的主要方法 1.1.多相流理论的研究简史多相流理论的研究简史 第四节第四节 井筒多相流理论与计算井筒多相流理论与计算 56 多相流问题未得到解析解多相流问题未得到解析解 复杂管道中的流动研

32、究较少复杂管道中的流动研究较少 水平井段变质量流动研究较少水平井段变质量流动研究较少 缺乏专用研究仪器缺乏专用研究仪器 缺乏向下流动的综合机理模型缺乏向下流动的综合机理模型 多相流理论的研究现存的问题多相流理论的研究现存的问题 第四节第四节 井筒多相流理论与计算井筒多相流理论与计算 57 (1)(1)气液两相流动与单相液流的比较气液两相流动与单相液流的比较 第四节第四节 井筒多相流理论与计算井筒多相流理论与计算 58 流动型态（流动结构、流型）：流动过程中油、气的分布状态。流动型态（流动结构、流型）：流动过程中油、气的分布状态。 (2)(2)气液混合物在垂直管中的流动结构变化气液混合物在垂直管

33、中的流动结构变化 影响流型的因素影响流型的因素 各相介质的体积比例各相介质的体积比例 介质的流速介质的流速 各相的物理及化学性质各相的物理及化学性质( (密度、粘度界面张力等密度、粘度界面张力等) ) 流道的几何形状流道的几何形状 壁面特性壁面特性 管道的安装方式管道的安装方式 第四节第四节 井筒多相流理论与计算井筒多相流理论与计算 59 流动型态的划分方法：两类流动型态的划分方法：两类 第一类划分方法：根据两相介质分布的外形划分，包括泡状第一类划分方法：根据两相介质分布的外形划分，包括泡状 流、弹状流或团状流、（层状流、波状流）、段塞流或冲击流、流、弹状流或团状流、（层状流、波状流）、段塞流

34、或冲击流、 环状流、雾状流环状流、雾状流 垂直气液两相流流型垂直气液两相流流型 水平气液两相流流型水平气液两相流流型 第四节第四节 井筒多相流理论与计算井筒多相流理论与计算 60 第二类划分方法：按流动的数学模型或流体的分散程度划分，包括分第二类划分方法：按流动的数学模型或流体的分散程度划分，包括分 散流、间歇流、分离流散流、间歇流、分离流 第一类划分方法第一类划分方法 泡状流泡状流 弹状流或团状流弹状流或团状流 层状流层状流 波状流波状流 段塞流或冲击流段塞流或冲击流 环状流环状流 雾状流雾状流 第二类划分方法第二类划分方法 分散流分散流 间歇流间歇流 分离流分离流 分离流分离流 间歇流间歇

35、流 分离流分离流 分散流分散流 两类划分结果两类划分结果 的对应关系的对应关系 第四节第四节 井筒多相流理论与计算井筒多相流理论与计算 61 两种分类方法比较两种分类方法比较 第一类划分方法较为直观第一类划分方法较为直观 第二类划分方法便于进行数学处理第二类划分方法便于进行数学处理 第四节第四节 井筒多相流理论与计算井筒多相流理论与计算 62 油井生产中可能出现的流型自油井生产中可能出现的流型自 下而上依次为：纯油下而上依次为：纯油( (液液) )流、泡流流、泡流 、段塞流、环流和雾流。、段塞流、环流和雾流。 实际上，在同一口井内，一般实际上，在同一口井内，一般 不会出现完整的流型变化。不会出

36、现完整的流型变化。 第四节第四节 井筒多相流理论与计算井筒多相流理论与计算 油气沿井筒喷出时的流型变化示意图油气沿井筒喷出时的流型变化示意图 纯油流；纯油流；泡流；泡流；段塞流；段塞流； 环流；环流；雾流雾流 63 量从断面流出的流体能的能量在断面和之间耗失 体额外所做的功在断面和之间对流进入断面的流体能量 3.3.井筒气液两相流能量平衡方程井筒气液两相流能量平衡方程 两个流动断面间的能量平衡关系：两个流动断面间的能量平衡关系： 222 ,VPU 2 2 2 , 2 mgh mV 1 2 1 111 , 2 , mgh mV VPU 倾斜管流能量平衡关系示意图 第四节第四节 井筒多相流理论与计

37、算井筒多相流理论与计算 64 222 ,VPU 2 2 2 , 2 mgh mV 1 2 1 111 , 2 , mgh mV VPU 倾斜管流能量平衡关系示意图倾斜管流能量平衡关系示意图 22 2 2 22 11 2 1 11 2 sin 2 sin VP mv mgZU qVP mv mgZU 0)( sin dqPVd dZmgmvdvdU 倾斜多相管流断面倾斜多相管流断面1 1和断面和断面2 2的的 流体的能量平衡关系为：流体的能量平衡关系为： 0sin 1 w dIdZgvdvdP 第四节第四节 井筒多相流理论与计算井筒多相流理论与计算 65 适合于各种管流的通用压力梯度方程：适合于

38、各种管流的通用压力梯度方程： 加速度摩擦举高 )()()( dZ dP dZ dP dZ dP dZ dP 则：则： 令：令： 2 )( )( sin)( 2 v d f dZ dI dZ dP dZ dv v dZ dP g dZ dP w 摩擦 加速度 举高 2 sin 2 mm m m mmm v d f dZ dv vg dh dP 第四节第四节 井筒多相流理论与计算井筒多相流理论与计算 66 说明：说明： a. a. 计算压力分布过程中，温度和压力是相关的；计算压力分布过程中，温度和压力是相关的； b. b. 流体物性参数计算至关重要，但目前方法精度差；流体物性参数计算至关重要，但目

39、前方法精度差； c. c. 不同的多相流计算方法差别较大，因此在实际应用中不同的多相流计算方法差别较大，因此在实际应用中 有必要根据油井的实际情况筛选精度相对高的方法。有必要根据油井的实际情况筛选精度相对高的方法。 第四节第四节 井筒多相流理论与计算井筒多相流理论与计算 67 4.4.井筒气液两相流动的模型井筒气液两相流动的模型 气液两相流动的规律较单相流复杂得多气液两相流动的规律较单相流复杂得多, ,常采用简化的流动模型常采用简化的流动模型 进行处理，以便探讨其流动规律。常用的模型有进行处理，以便探讨其流动规律。常用的模型有流动型态模型、均流动型态模型、均 相流动模型、分相流动模型和漂移流动

40、模型相流动模型、分相流动模型和漂移流动模型等。等。 第四节第四节 井筒多相流理论与计算井筒多相流理论与计算 68 （1 1）流动型态模型）流动型态模型 定义：将两相流动分成几个典型的流动型态，然后按照不同的定义：将两相流动分成几个典型的流动型态，然后按照不同的 流动型态分别研究其流动规律。流动型态分别研究其流动规律。 特特 点点 针对性强，精确度高针对性强，精确度高 数学处理复杂，计算量大数学处理复杂，计算量大 流型界限确定困难流型界限确定困难 流动型态模型是未来的研究方向流动型态模型是未来的研究方向 第四节第四节 井筒多相流理论与计算井筒多相流理论与计算 69 （1 1）气相和液相的实际速度

41、相等，即）气相和液相的实际速度相等，即vvv gl （2 2）两相介质已达到热力学平衡状态）两相介质已达到热力学平衡状态 对于泡状流和雾状流，具有较高的精确性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，则误差较大对于层状流、波状流和环状流，则误差较大 两个假定两个假定 特点特点 定义：把气液两相混合物看成均匀介质，其物定义：把气液两相混合物看成均匀介质，其物 性参数取两相的均值而建立的模型性参数取两相的均值而建立的模型 第四节第四节 井筒多相流理论与计算井筒多相流理论与计算 70 定义：它是

42、把气液两相流动看成为气、液相各自分开的流动，定义：它是把气液两相流动看成为气、液相各自分开的流动， 每相介质都有其平均流速和独立的物性参数。因此需要建立每一相每相介质都有其平均流速和独立的物性参数。因此需要建立每一相 介质的流体动力特性方程式。这就要求预先确定每一相占有过流断介质的流体动力特性方程式。这就要求预先确定每一相占有过流断 面的份额（即真实含气率）以及介质与管壁的摩擦力和两相介质之面的份额（即真实含气率）以及介质与管壁的摩擦力和两相介质之 间的摩擦阻力，为了取得这些数据，目前主要是利用实验研究所得间的摩擦阻力，为了取得这些数据，目前主要是利用实验研究所得 的经验关系式。的经验关系式。

43、 近年来，随着计算流体力学的发展，有些数据已可以通过数学近年来，随着计算流体力学的发展，有些数据已可以通过数学 模型用解析计算求得。模型用解析计算求得。 第四节第四节 井筒多相流理论与计算井筒多相流理论与计算 71 分流模型的基本假设是：分流模型的基本假设是： (1) (1) 两相介质分别有各自的按所占断面积计算的断面平均流速；两相介质分别有各自的按所占断面积计算的断面平均流速； (2) (2) 虽然两相介质之间可能有质量交换，但两相之间处于热力学虽然两相介质之间可能有质量交换，但两相之间处于热力学 平衡状态，压力和密度互为单值函数。平衡状态，压力和密度互为单值函数。 分流模型适用于层状流、波

44、状流和环状流。分流模型适用于层状流、波状流和环状流。 第四节第四节 井筒多相流理论与计算井筒多相流理论与计算 72 漂移流动模型简称漂移模型，它是由朱伯漂移流动模型简称漂移模型，它是由朱伯(Zuber)(Zuber)和芬德和芬德 莱莱(Findlay)(Findlay)针对均流模型、分流模型与实际的两相流动之间针对均流模型、分流模型与实际的两相流动之间 存在的偏差而提出的特殊模型。存在的偏差而提出的特殊模型。 在均流模型中，没有考虑两相间的相互作用，而是用平均在均流模型中，没有考虑两相间的相互作用，而是用平均 流动参数来模拟两相介质；分流模型中，尽管在流动特性方流动参数来模拟两相介质；分流模型

45、中，尽管在流动特性方 面分别考虑了每相介质以及两相界面上的作用力，但是每相面分别考虑了每相介质以及两相界面上的作用力，但是每相 的流动特性仍然是孤立的；而在漂移流动模型中，既考虑了的流动特性仍然是孤立的；而在漂移流动模型中，既考虑了 气液两相之间的相对运动，又考虑了空隙率和流速沿过流断气液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。面的分布规律。 第四节第四节 井筒多相流理论与计算井筒多相流理论与计算 73 在实际研究过程中，不仅要根据所研究的问题选择合适的在实际研究过程中，不仅要根据所研究的问题选择合适的 多相流计算模型，而且常常需将前面介绍的多种模型有机地结多相流计算模

46、型，而且常常需将前面介绍的多种模型有机地结 合起来使用，以各取其长，获得尽可能精确的计算结果。合起来使用，以各取其长，获得尽可能精确的计算结果。 5.5.井筒气液两相流动的计算方法井筒气液两相流动的计算方法 第四节第四节 井筒多相流理论与计算井筒多相流理论与计算 74 Poettmann-Carpenter Poettmann-Carpenter方法、方法、Fanch-BrownFanch-Brown相关式、相关式、 Baxendell-Thomas Baxendell-Thomas 相关式、相关式、Hagedron-Brown Hagedron-Brown 关系式、关系式、 Duns-Ros

47、Duns-Ros相关式、相关式、OrkiszewskiOrkiszewski相关式、相关式、Beggs-Brill Beggs-Brill 相关式、相关式、 DuklerDukler相关式、相关式、Mukherjee-BrillMukherjee-Brill相关式、相关式、 Aziz Aziz相关式、相关式、EatonEaton相相 关式、关式、AnsariAnsari相关式等。相关式等。 不同方法有其适用条件和精度，可根据具体油田实际选用。不同方法有其适用条件和精度，可根据具体油田实际选用。 第四节第四节 井筒多相流理论与计算井筒多相流理论与计算 75 数学相关式大体分为三种类型：数学相关式

48、大体分为三种类型： 在计算井筒流体混合密度时不考虑液体滞留量的影响，而在计算井筒流体混合密度时不考虑液体滞留量的影响，而 液体滞留量与管壁摩阻损失用一个经验摩阻系数来表达，不液体滞留量与管壁摩阻损失用一个经验摩阻系数来表达，不 区分多相流体的流态分布情况。区分多相流体的流态分布情况。 在计算多相流体混合物密度时考虑液体滞留量的影响，而在计算多相流体混合物密度时考虑液体滞留量的影响，而 摩阻系数要依据液体和气体的组成特征来确定。摩阻系数要依据液体和气体的组成特征来确定。 考虑液体滞留量的影响，摩阻系数取决于多相流体中连续考虑液体滞留量的影响，摩阻系数取决于多相流体中连续 相的特征。同时考虑了不同

49、流态的影响，其中包括泡状流、相的特征。同时考虑了不同流态的影响，其中包括泡状流、 段塞流、环流及雾状流。段塞流、环流及雾状流。 第四节第四节 井筒多相流理论与计算井筒多相流理论与计算 76 在进行气液两相流动的有关计算中，常需要确定工作条件下在进行气液两相流动的有关计算中，常需要确定工作条件下 原油、天然气、水及其混合物的物性参数。客观地讲，确定这些原油、天然气、水及其混合物的物性参数。客观地讲，确定这些 物性参数最根本、最精确的方法是实验测定。然而，实际生产设物性参数最根本、最精确的方法是实验测定。然而，实际生产设 计和计算中所遇到的原油、天然气及水的组成、工作温度和工作计和计算中所遇到的原

50、油、天然气及水的组成、工作温度和工作 压力等的范围都非常广泛，完全依赖实验方法测定各种工况条件压力等的范围都非常广泛，完全依赖实验方法测定各种工况条件 下的油、气、水及其混合物的物性参数是很困难的。另外，过去下的油、气、水及其混合物的物性参数是很困难的。另外，过去 曾一度建立和使用的许多物性参数图版，也都难以适应目前广泛曾一度建立和使用的许多物性参数图版，也都难以适应目前广泛 应用电子计算机进行工程计算的要求。应用电子计算机进行工程计算的要求。 因此，为了便于利用电子计算机进行气液两相流动的计算，因此，为了便于利用电子计算机进行气液两相流动的计算， 建立原油、天然气、水及其混合物物性参数计算的

51、相关公式是非建立原油、天然气、水及其混合物物性参数计算的相关公式是非 常必要的。常必要的。 第四节第四节 井筒多相流理论与计算井筒多相流理论与计算 77 1. 1.假设条件假设条件 l气体质量忽略不计气体质量忽略不计 l井筒中液体流动为准稳定流，体积和流井筒中液体流动为准稳定流，体积和流 态变化的影响忽略不计态变化的影响忽略不计 l流体对地层放热，其总传热系数为不变流体对地层放热，其总传热系数为不变 l因天然气析出及膨胀吸热忽略不计因天然气析出及膨胀吸热忽略不计 l油流在油管中流动时因摩擦而产生的热油流在油管中流动时因摩擦而产生的热 量忽略不计量忽略不计 第五节第五节 井筒多相流体温度分布计算

52、井筒多相流体温度分布计算 78 2. 2.公式的推导公式的推导 传热公式传热公式DdhttKdq s 油损失热量为油损失热量为 GCdtdq 根据热量守恒根据热量守恒GCdtDdhttK s 地层温度与深度的关系地层温度与深度的关系htt ss 1 联立上述公式可得联立上述公式可得 GCdtdhhttDK s 1 求解方程得求解方程得 GC DhK s e DK GC htt 1 1 C C为原油为原油 比热比热 第五节第五节 井筒多相流体温度分布计算井筒多相流体温度分布计算 79 3.3.公式中各项参数取值公式中各项参数取值 参数取值参数取值 (1) (1) 井底油温井底油温 井底油温也就是

53、油层温度井底油温也就是油层温度 (2) (2) 地温梯度地温梯度 一般认为一般认为 0.030.03m m (3) (3) 井深井深h h取油层中部至井口的距离取油层中部至井口的距离 (4(4）原油质量流量）原油质量流量油井生产时可实测，生产前由地油井生产时可实测，生产前由地 质部门或作业者提供质部门或作业者提供 (5(5）原油比热）原油比热C C 一般计算时取一般计算时取C C21kJ21kJkg.kg.当原当原 油含水时油含水时 水水油油 CGCGGC 第五节第五节 井筒多相流体温度分布计算井筒多相流体温度分布计算 80 (6(6）总传热系数）总传热系数K K 0 21 11 1 R K

54、i i (7) (7) 套管外径套管外径D D其数据在完井后即可提供其数据在完井后即可提供 第五节第五节 井筒多相流体温度分布计算井筒多相流体温度分布计算 81 4.4.假设条件的分析假设条件的分析 (1)(1)气体质量流量气体质量流量 (2)(2)流动型态流动型态 国内多数油田的气油比一般在国内多数油田的气油比一般在10108080之间，气量可忽略之间，气量可忽略 不计，假设条件（不计，假设条件（1 1）可以成立。但对气油比大于）可以成立。但对气油比大于100100的井，的井， 可将气量折换成油量。可将气量折换成油量。 井筒内的流型较复杂，但考虑到只研究宏观整体，故可井筒内的流型较复杂，但考

55、虑到只研究宏观整体，故可 将流动视为准稳定流。将流动视为准稳定流。 第五节第五节 井筒多相流体温度分布计算井筒多相流体温度分布计算 82 (3)(3)总传热系数总传热系数 (4)(4)天然气析出和膨胀问题天然气析出和膨胀问题 井筒外部不同位置的岩层性质亦不同，井筒内的流体流型又井筒外部不同位置的岩层性质亦不同，井筒内的流体流型又 有变化，所以严格地说，总传热系数值应该是一个变量，但其变有变化，所以严格地说，总传热系数值应该是一个变量，但其变 化与平均值之间的差值不大，取实测平均值即可。因此，计算时化与平均值之间的差值不大，取实测平均值即可。因此，计算时 可按常数考虑。可按常数考虑。 油流沿井筒

56、上升，当压力低于饱和压力时，天然气析出。析油流沿井筒上升，当压力低于饱和压力时，天然气析出。析 出气体需要热量，已析出气体不断膨胀，又会吸收一部分热量，出气体需要热量，已析出气体不断膨胀，又会吸收一部分热量， 这两部分热量的计算比较复杂。但在井底压力大于饱和压力且气这两部分热量的计算比较复杂。但在井底压力大于饱和压力且气 油比小于油比小于100100时，气体析出膨胀而引起温降一般在时，气体析出膨胀而引起温降一般在22左右。而且左右。而且 此温降又被油气在油管中由于摩擦所产生的热量补偿掉一部分。此温降又被油气在油管中由于摩擦所产生的热量补偿掉一部分。 因此，在一般工程计算中，可忽略此温降。因此，

57、在一般工程计算中，可忽略此温降。 第五节第五节 井筒多相流体温度分布计算井筒多相流体温度分布计算 83 第六节第六节 流体物性参数计算方法流体物性参数计算方法 1.1.原油密度原油密度 B R gs o 3 10206. 11000 2.2.原油的原油的APIAPI度度 5 .131 5 .141 o API 3.3.油水混合液体的密度油水混合液体的密度 Lwww ff1 84 4.4.原油体积系数原油体积系数 API当当 3030时时： g API a b r r tRs RsB 60328 . 1)108106. 110751. 1 ( 104.677+1= 85 -4 g API a b

58、 r r tRs RsB 60328 . 1)10337. 1101 . 1 ( 104.677+1= 95 -4 API当当 3030时时： 第六节第六节 流体物性参数计算方法流体物性参数计算方法 85 当平均压力小于饱和压力时：当平均压力小于饱和压力时： b BB 当平均压力大于饱和压力时：当平均压力大于饱和压力时： 5 1022.14 61.121180328 . 12 .1751433 Pa rrtRp C APIga 其中：其中： )22.13( ab ppC b eBB 第六节第六节 流体物性参数计算方法流体物性参数计算方法 86 5.5.溶解气油比溶解气油比 API当当 3030

59、时时： 67.459328 . 1 172.110937. 1 s 10 64.27 22.14 = R a API t r ag p 67.459328 .1 393.10187.1 10 06.56 22.14 a API t r ag s p R API当当 3030时时： 第六节第六节 流体物性参数计算方法流体物性参数计算方法 87 6.6.液体粘度液体粘度 )ln()1ln(ln aoD tba 死油粘度：死油粘度： 活油粘度：活油粘度： 1000 100 B OD o uA 水的粘度：水的粘度： 1000 252 8 . 13210982. 18 . 13210479. 1003.

60、 1tt w e 油水混合物粘度：油水混合物粘度： wwwol fufuu1 第六节第六节 流体物性参数计算方法流体物性参数计算方法 88 7.7.油、天然气的表面张力油、天然气的表面张力 og API P te 4240047 18320267 1000 1015 10 7 . . 8.8.水、天然气的表面张力水、天然气的表面张力 78.13778.13733.23 206 8 . 1248 t wg 9 9、油、水混合物和天然气的表面张力、油、水混合物和天然气的表面张力 wwgwogl ff1 第六节第六节 流体物性参数计算方法流体物性参数计算方法 89 10.10.天然气的粘度天然气的粘