垂直管流中气

1、垂直管流中气一液两相的研究现状徐海军(西安石油大学机械工程学院，西安，710065)摘要：深井气举采油由于流程长、产量变化范围大而有着一系列的特点。因流程长，使得气液两 相混合物在流动过程中压力变化很大，不可避免地要产生两种甚至多种流动型态(Flow Pattern)，而 不同流动型态对压降、持液率(空隙率)、混合物密度影响非常大，影响着气举井的设计和运行。有人 认为，在深井、超深井气举中，有1000m左右的管段可形成段塞流。另外产量变化也极大地影响着压 力梯度和持液率，而压力梯度是气举井设计的最基本依据(以此确定注气点位置、气举阀分布及数量、 注气压力)，因此，要使气举井工作最优，必须研究铅

2、直气液两相管流问题。关键词：垂直管流流型两相1研究现状对于气一液两相管流的研究，一般多是从能量平衡和物质守恒关系出发，来计算气液混合物在 管中的平均流速、密度、水头损失、压力梯度等有关参数问题。早在1914年Wisconsin大学的Davis-Weider便发表了在直径为31.75mm短玻璃管内以空气举升水的大量实验数据。他们把管内摩擦 因数与滑移关联起来，试图得到以DVP为自变量，与单相流摩擦因数f相一致的曲线，由于当时并 未考虑混合物总的流动密度，只是使用了水的密度，而没有达到预期的效果，但却为后来的两相流研 究奠定了基础。经过近一个世纪国内外学者的大量研究工作，已经预测流动模型形成和发展

3、了各种各 样的力学模型。研究方法上可概括为不考虑流动型态和考虑流动型态两类。1.1不考虑流动型态方法是将流型、滑脱损失及加速度影响计入两相阻力系数中，根据现场和试验数据得出压力梯度相 关式。在早期Poettmann-Carpenter (1952)和M.R.Tek(1961)的摩擦损失系数法的基础之上，Baxendell、 Thomax(1961)、Brown(1963)、Hagedorn(1965)及 Govier、Aziz(1972)和大庆石油学院陈家琅(1979)等国 内外学者先后针对井内气液比、密度和粘度等参数随井深变化、油井总流量、以及油管直径的影响等， 在计算方法上作了进一步的修正

4、，为推动后来的各种经验和半经验压降预测模型的建立和确保模型的 精确度，起了重要的指导作用。1.2考虑流动型态这种方法的共同特点是以某一标准划分流动型态，然后根据不同流动型态确定气液混合物的密度、 空隙率及压力梯度。Duns-Ros两位学者于1961年至1963年先后通过数千次的实验，从10个无因次 群中确定出了4个有意义的无因次群，首次得到了真正意义上的流动形态分布图；后来，针对前人提 出的流态分布图，不同的学者通过总结前人的不足，形成了各自关于流态划分、流态判别以及流态转 换的解释模型，先后发展起来了 Orkiszewaki 方法、Aziz-Gorier-Fogaras 方法、Taite-B

5、ornea-Dukler 方 法、Hasan-Kabir方法、Ansari等的方法， 以及现在的Kaya方法、H.Shi&J.A.Holmes等的井筒三相 稳定流漂移流动模型和E.A.Osman等提出的基于反向传播学习算法的人工神经网络(ANN)方法(表1)表1气一液两相管流研究方法方式模型(方法)计算条件评价及应用不考虑流动Poettmann-Carpenter摩擦损失系数法气液两相混合物 视为均匀介质20世纪60年代以前最经典垂直多 相管流模型，适用于高流量低气液比 油井Baxende 及 M.R.Tek 和Thomax等摩擦 损失系数法考虑液体粘度和 气液质量比的气 液两相雷诺数是对模型

6、在考虑气液比、密度及粘度 等因素影响之后的修正，在低产量低 密度油井范围内仍存在误差型态Hagedorn- Brown 方 法以气液两相滑脱 为基础（滑移 模型）通过计算持液率来修正摩擦因数，从 而求解由滑移增大的静压梯度，在水 平多相管流中得到了广泛应用考虑流动型态Duns-Ros压降计算 方法利用因次分析，从 10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油井多相垂直管流 方法的发展起了重要作用，在工程上 可以达到很好的精度，它更适用于较 短的管段，而对深度或压差很大的 井，需进行一连串的分段计算Orkiszewaki 方法将压力梯度按流 动型态划分，采用 不同的方法进行

7、计算率先对每个流型单独进行计算并定义 了液体分布系数，使Griffith-Walks 的段塞流计算延伸到高流量范围，是 业界公认的可靠方法之一Aziz-Gorier-Fogaras方法在密度和摩擦损 失项中，通过气液 两相分离作用，引 入当地气相体积 因素这种分布图流型转变界线明确，有表 达式，计算机处理方便，是业界普遍 认可的方法之一Taite-Bornea-Dukler方法从一种流型到另 一种流型转变发 生的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，发展了理论基础的 转变方程，以构造流型图，较全面地 考虑了影响流型转变的各种因素，使 应用范围变宽Hasan-Kabir 方法

8、充分采用等人在 气液两相流动转 变机理方面的研 究成果给出了各种流型下的油井压力梯度的 计算方法，进 步量化和扩大了两相 流的应用范围Kaya方法对前人的力学模 型进行总结和修 正利用扩大的TUFFP油井数据库进行评 价，将该模型进行压降预测的同时也 和 Ansari 等人、Chokshi、Hasan-Kabir 和Tengesdal力学模型，以及Aziz等 人、Hagedorn和Brown的相关式进行 了比较，研究结果表明此模型与数据 较吻合E.A.Osman 人工彳申 经网络（ANN）方法基于反向传播学 习算法的人工神 经网络（ANN）方 法进行对井底流 动压力以及垂直 井筒压力降的预 测

9、通过对中东206份区块资料的收集整 理，开发了一整套人工神 经网络预测 模型及系统，经模型的分析验证表 明，该方法达到了现有相关关系式和 传统半经验关系式所不能及的精确 度；同时，模型的趋势分析表明，该 系统为压降预测提供了各种可靠的物 理参数2、研究现状分析资料分析表明，井筒气一液两相垂直管流的研究大多集中于20世纪70、80年代，进入80年代 后的研究较少；60年代以后的研究多数都集中在考虑流动型态的气一液两相和油、水、气三相流动 的力学模型研究之上，有些研究是在特定条件下将油、水整体作为液相而与气相组成的简化两相流动。 先期的大多数研究只是基于实验室数据或是局部现场数据的汇总和数学处理，

10、因而所得到的每一种模 型在精度及实用性等方面都有其自身的局限性；而近十余年的相关研究表明，依靠扩充的现场油井数 据库，结合不同流态转化的经典表达式所进行的预测，结果相当令人满意，并且能很好地与实际数据 相吻合。由表1可知，每一种研究方法对特定流态的判别有其各自的划分依据，都是建立在各自经验 公式的基础之上，没有统一的流态表达式，也没有一种定量的测试手段，同时，很少有预测模型考虑 到了井筒混合物的实际流型及流变性。1990年，美国Tulsa大学工程博士 Nihal Guler-Quadir在一个深720m、套管273m、注液管73m和 生产管还9mm的试验井里进行了大量实验，并将试验结果与8种主

11、要计算方法的计算结果进行了误 差分析。分析表明，对大直径铅直管中的气液两相流压降预测Hagedorn-Brown方法最为准确，其次是 Duns-Dos方法(按绝对百分误差)，而Duns-Dos法预测持液率精度最高。但上述结论是否适合我国油 田尚未进一步深入研究，因此，研究适合于我国油田的实用计算公式也是目前急需解决的一个问题。3结论井筒气一液两相垂直管流是掌握油井生产规律、合理控制和调节油井工作方式及气举设计的 基础； 由于井筒内混合物流动的复杂性，每种模型对有关量的描述总是近似的，不可避免地会出现 计算误差；另外，在数据采集时存在许多不确定因素，如：油管的相对粗糙度、数据的可靠性、油管 直径

12、等，这些都将产生观测误差。说明在评价计算模型时，油井数据的质量比数量更重要。 面对各种井筒压降计算方法，要找到其中一种最好的方法，不同的作者将得到不同的结果。 任何相关式的精度，都和所使用参数的范围有关，因而，还没有一种方法在所有流量和气液比范围 内都是最贴切的。同时，也不能完全以误差在数量上的某种差异来判断一个模型的优劣，只能针对具 体井况作出分析。参考文献李安，万邦烈,楼浩良.铅直气液两相管流研究现状综述J.石油钻采工艺，2000，22 (4)： 4547.张友波，李长俊，杨 静,等.油气混输管流中压降和持液率的影响因素分析J.天然气勘探与开发,2005,28(1)5658.王鸿勋，张 琪

13、.采油工艺原理M.北京:石油工业出版社,1989.陈家琅。石油气液两相管流M.北京：石油工业出版社,1989.蒋世全,邱大洪,张振国，等.油井多相垂直管流压降计算法的研究进展J.中国海上油气(工 程),2000,12(2):16.李安,万邦烈.连续气举条件下举液管柱内流体的压力梯度预测J石油矿场机械,2005,34(2): 1012.Present situation of research on GasLiquid two phase In the VerticalPipe FlowABSTRACT The deep well gas lift extraction is long, the

14、 output range of variation as a result of the flow greatly has a series of characteristics. Because flow long, causes to be mad fluid two mixtures in mobile process pressure variation very big, inevitably must produce two kinds of even many kinds of flowing condition (FlowPattern), but differently f

15、lowing condition to the pressure drop, holds the fluid rate (percentage of voids), the mixture density influence is extremely big, is affecting the gas lift well design and the movement. Some people believed that, in the deep well, the extra-deep well gas lift, has about 1000m the length of pipe to

16、be possible to form slug flow. Moreover the output change also enormously is affecting the pressure gradient and holds the fluid rate, but the pressure gradient is the gas lift well design most basic basis (by this determination gas injection position, gas lift valve distribution and quantity, gas injection pressure), the