气液两相管流基本概念及基本方程课件

1、气液两相管流基本概念及基本方程2022/10/142两相管流： 占油气井系统总 压降35% - 90%核心问题： 沿程压力变化 及其影响因素2022/10/143一、气液两相管流的滑脱现象及特性参数滑脱现象 气液两相上升流动时，由于气液两相间的物性差异所产生气相超越液相流动。 相对于气相而言，有一部分液相被滞留于管段中。密度增加，压降损失增加2022/10/144 持液率(Liquid Holdup) 流动状态下单位长度管段内液相容积所占份额 无滑脱持液率(No-slip Liquid Holdup) 管流截面上液相体积流量与气液混合物总体积流量的比值。（条件： ） 关系2022/10/145

2、 流速相平均流速实际流速表观流速关系混合物流速滑脱速度 2022/10/146 混合物密度存在滑脱无滑脱 滑脱损失 2022/10/147二、气液两相管流的流型 纯液流（ppb）无气相，管内均质液体流体密度最大，压力梯度最大溶解气开始从油中析出，气体以小气泡分散在液相中 泡 流（ppb）液相是连续相，气相是分散相液相滑脱损失严重，易水淹摩阻小，重力损失为主 特点2022/10/148液相是连续相，气相是分散相气体体积变大，摩阻增加滑脱较小，总压力损失最小 特点 混合物继续向上流动，压力降低，小气泡合并形成大气泡，在井筒中形成一段气，一段液流动结构，气托着油向上运动。 段塞流2022/10/14

3、9液相由连续相过渡为分散相，气相相反气体流量大，摩阻增加特点 压力继续降低，部分大气泡从中间突破液段形成短气柱，把液体挤到环壁。液体靠中心气流的摩擦携带作用向上运移。 过渡流（环流）2022/10/1410气相是连续相，液相是分散相摩阻增加，重力损失最小特点 压力进一步降低，中心气柱逐渐增大，壁面液膜厚度降低，液体以液滴分散于气相中。 雾状流2022/10/1411纯液流泡流段塞流过渡流雾状流 油井生产中可能出现的流型自下而上依次为：纯油流（液流），泡流，段塞流，过渡流，雾状流。 实际上，在同一口油井中，一般不会出现完整的流型变化。 总结HpLp1Lp2Lp32022/10/14122. 水平

4、管流气液两相流流型 分层流上部气流、下部液流气液界面平滑或波状中心气流，携带液滴 管壁液环流动层状光滑流层状波状流环状流2022/10/1413大气泡沿管子顶部流动，管子下部为液流间歇流塞流大液体段塞流与几乎充满管子的高速气泡的交替流。塞流段塞流2022/10/1414气流量高、液流量低气流中夹带液滴分散流大气泡集中在管子的上半部。泡流雾状流四、气液两相管流压力梯度方程及求解步骤 1.压力梯度方程压降梯度=重力梯度+摩阻梯度+动能梯度2022/10/1416单相流多相流 水平管流(=0)，且忽略动能？2022/10/1417分析泡流段塞流过渡流雾流井筒L处p，TL=L1, L2, L3-Lnp

5、=p1p1+p2 - pn-12022/10/1418迭代计算步骤pwf，Twfp1=pwfp1？p1，T2p1=pwfpxpwfBo,Bg,Bw,Rs,o,g等vm,vsg,vsl判别流型计算HL(m)泡流段塞流过渡流雾流泡流段塞流过渡流雾流动能摩阻重力px2px- px2Ep1=pwfpx2H2022/10/1419第三节 气液两相管流计算方法 早期均匀流方法（总摩阻系数法） 1952 Poettmann & Carpenter 80s 陈家琅 (NRe)2 经验相关式1963 Duns & Ros无因次化处理 NvL、Nvg、ND、NL1965 Hagedorm & Brown现场实验1

6、967 Orkiszewski流型组合1973 Beggs & Brill倾斜管实验1985 Mukherjee & Brill改进实验条件 现代机理模型1985 Hasan & Kaber1990 Ansari2022/10/1420Orkiszewski方法 Orkiszewski（1967）采用148口油井实测数据，对比分析了多个气液两相流模型。然后分不同流型择其优者，综合他的研究成果得出四种流型的压降计算方法。 流型选用方法泡流段塞流过渡流雾状流 Griffith和Wallis密度项对Griffith和Wallis公式作了修正，摩阻项用Orkiszewski方法Ros和DunsRos和

7、Duns 2022/10/1421 1.总压降梯度公式一般动能较小，只在雾流情况下才有意义。只考虑气体的压缩性：？2022/10/1422伴随生产1m3地面脱气原油产出的油、气和水的总质量，kg/m3。总压降梯度公式？2022/10/14232、流型判别 多相管流流态的影响因素共有13个，主要因素：VSL 、VSG 、 L 、 1）影响流态的因素2）无因次处理2022/10/1424Ros流型图版NGV LS NGV LM 雾状流段塞流与过渡流界限值为:雾流与过渡流界限值为:？泡流与段塞流分界2022/10/1426vmqG/qm1.00.1323/8段塞流泡流41/2431/227/81.9

8、 泡流与段塞流分界 Orkiszewski方法流型界限流型界限泡流qG/ qm0.13 或 0.13qG/ qmLB，NGVNGVLS雾流NGVLM2022/10/1428四、混合物密度与摩阻梯度的计算a.混合物的密度1）泡流与滑脱速度有关实验表明：泡流时vs=0.244？2022/10/1429b.摩阻梯度 泡流中气体以小气泡分布于液体中，靠近管壁主要是液体。其摩阻压力梯度按液相计算。 ？紊流（NRe2300） 层流（NRe2300） 2022/10/14302.段塞流a.混合物密度？ 液体分布系数Co由连续液相的类型及混合物速度分别选用相应的公式连续液相vm，m/sCo计算公式水 3.04

9、8186b油 3.048186d2022/10/1431vs计算方法一2022/10/1432vs计算方法二当Nb3000时当3000Nb0.005时液膜的相对粗糙度，取0.0010.54过渡流 用段塞流和雾流计算后内插。2022/10/1438qo= 38 m3/d，qg= 2027.4 m3/d，o= 0.85 g= 0.65，pb = 8.66 MPa，pwh = 2.352 MPaTwh = 25，T = 3 /100m，dti = 62mm。试用Orkiszewski 方法计算井口压力梯度。 例1-6 解：（1）以井口或井底为起点(由已知压力位置定)起始点：井口压力p1 = pwh，

10、T1=Twh，H1=0 （2）选择计算区间长度:H一般取50100m 选取计算区间长度： H=100m （3）假设这一区间的压降值P(由经验定)假设深度H对应的压力增量P=0.6MPa2022/10/1439（4）计算出区间的平均温度和平均压力Pav,Tav Pav= P1+ P/2 Tav=T1+ TH/2（5）确定Pav和Tav下的物性参数计算Rs、Bo、o、o、Zg、 g、Bg等（6）判断流态计算 NGV、LB、LS、LM、qG/qm等，利用表1-9判断流态（7） 计算dp/dh和P根据流态计算 m 、f等，计算dp/dh 则： P= dp/dhH2022/10/1440（8） 比较P与

11、P,若相差超过误差限,以P代替P返回到（4）重新计算到第8步。如果 ，则进行下一段计算: P1 = P1 + P，H1= H1 +H，T1=T1+ TH 直至井底。2022/10/1441二、倾斜（水平）管两相流计算方法Mukherjee 和 Brill（1985）实验装置：内径38mm的倒U形倾斜管，中部可以升降，可与水平方向在090范围内变化实验介质：空气+煤油或润滑油 温度：-7.855.6，mN/m，kg/m3，mPas煤油268172润滑油3584929 根据所测得的1500个实验数据，通过回归分析，提出了倾斜管气液两相流的持液率及摩阻系数经验公式。适于垂直井、斜直井、定向井和水平井

12、的两相管流压力计算。 2022/10/1442 Mukherjee 和 Brill（1985）对比：2022/10/1443与水平方向的夹角（ 0+90o ）a. 持液率流向向上和水平流向 下 流流型所有分层流其它系数值c1-0.380113-1.33082-0.516644c20.1298754.8081390.789805c3-0.1197884.1715840.551627c42.34322756.26226815.519214c50.47756860.0799510.371771c60.2886570.5048870.3939522022/10/1444无因次液相粘度 无因次液相速度

13、无因次气相速度 2022/10/1445若 则为环流，否则为泡流段塞流。 条件：向上或水平（水平井段）流动 分泡流段塞流和环流，判别式为 b. 确定摩阻系数泡流段塞流2022/10/1446 fm为相对持液率HR和无滑脱摩阻系数fns 的函数确定步骤： (1) 计算相对持液率 HRL /HL (2) 根据HR按下表确定摩阻系数比fR (3) 根据NRens由摩阻系数公式计算f，即为 fns (4) fm fR fns 环流HR 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.70 1.00fR 1.00 0.98 1.20 1.25 1.30 1.25 1.002022/10/1447三

14、、环形空间流动的处理方法模型： 采用圆管内气液两相管流压降计算方法修正环形空间流动：管径和管壁粗糙度相当粗糙度eo,ei分别为环空内管(油管外径)、外管（套管内径）有效粗糙度。eo应考虑油管或抽油杆接箍的局部摩阻影响。2022/10/1448 圆管时，Di=0，故R=D0/4，水力相当直径De=4R。所以环空的水力相当直径为：水力当量直径将圆管管径采用环空的水力半径代替。2022/10/144913-405井压力计算结果对比 13-117井压力计算结果对比 2022/10/14502022/10/1451HagedornBrown方法无滑脱滑脱压降2022/10/1452第四节 油井井筒传热模

15、型及温度计算 一、油井井筒传热模型 将流体在井筒油管内流动考虑为稳定的一维问题。能量方程dq/dt？2022/10/1453 焓是工质在某一状态下所具有的总能量（内能U与压力势能之和，为一个复合状态参数。比焓梯度焦耳汤姆逊系数2022/10/1454流体-地层稳定传热油管隔热层套管地层流体环空水泥环rtirhrcorcirtorinsTfTtiTtoTinsTciTcoTh 忽略油管内壁水膜及金属的热阻 ？2022/10/1455热流梯度方程 地层内不稳定传热2022/10/1456热流梯度比焓梯度能量方程井筒温降梯度方程 2022/10/1457松弛距离A 任意流通断面的地温（静温）按井筒内

16、流体流动温度梯度gf，折算到流温曲线所产生的相对距离。 Te(z)Tf(z)gf A2022/10/1458井筒温降计算 需要确定油套环空流体和水泥环及周围地层的一系列物性参数。为此，Ramey（1962）、Satter（1965）、Shiu & Beggs（1980）、Hasan & Kabir（1990）等提出了多个井筒温度简化计算方法。 2022/10/1459松弛距离A 为产出流体质量流量、管径、产出流体物性和油压的函数。 应用370口油气井（直井、定向井）现场测温资料进行线性回归处理得到了A的系数。 二、Shiu & Beggs温度计算方法 考虑油井在稳定生产情况下，上述物性等参数变

17、化不大，故均视为常数，导出任意z截面的温度 2022/10/1460解： 【例1-7】油层中深3000m处温度为82，地温梯度1.9/100m，其它数据同例1-6。用上述方法计算井口温度，并绘制产油量分别为38和200m3/d井内油管流温分布曲线。 由例1-6，Wm = 0.3921 kg/s = 33.88 t/d 井口流动温度 2022/10/1461第五节 嘴流动态一、单相气体嘴流若ptconst下游压力pb降低，qsc增大。当pb pc时，流量达到最大值即临界流量。pb降低，流量不变。 2022/10/1462 油嘴临界流动（choke critical flow） 指流体通过油嘴吼道高速流动，速度达到压力波在流体介质中的传播速度即声速时的流动状态。 在临界流状态下，油嘴下游压力变化对气体流量没有影响。 临界流动条件 时，为临界流；否则为亚临界流。 2022/10/1463 根据气体嘴流