现代钻采工程多相管流理论与计算

现代钻采工程多相管流理论与计算1第1页，课件共53页，创作于2023年2月第二章井筒多相流理论与计算井筒多相流理论：

研究各种举升方式油井生产规律理论基础研究特点：流动复杂性、无严格数学解研究途径：基本流动方程实验资料相关因次分析近似关系第2页，课件共53页，创作于2023年2月相：多相流动体系

：第二章井筒多相流理论与计算指体系中具有相同成分、相同物理—化学性质的均匀物质部分，与体系的其它均匀部分有界面隔开。两相或两相以上的流体一同参与流动的体系。

多相流体与单相流体的流动规律是不相同的，需要引入新的理论来反映多相流体流动规律。例如：水-冰液固两相流水-水蒸气气液两相流泥浆液固两相流油-气气液两相流油-气-水气液液三相流单工质多工质第3页，课件共53页，创作于2023年2月多相流理论是贯穿于石油开采全过程的基本理论一、多相流理论在石油工业中的地位和作用第二章井筒多相流理论与计算钻井工程：油气井压力控制(含气泥浆的压降计算)采油工程：采油方式优化设计、采油设备的工况分析（油气混合物在井筒中流动的压降和温度计算）储运工程：油气集输管线的设计（油气混合物在管线中压降和温度的计算）第4页，课件共53页，创作于2023年2月油井能否自喷？一定产量的油气混合物到达井口时的剩余压力？自喷采油自喷生产机械采油(人工举升)第二章井筒多相流理论与计算井口油压井底流压两相流压降第5页，课件共53页，创作于2023年2月气举采油及井筒压力分布机械采油方式设计的原则最大限度地发挥油藏的潜力和地面设备的能力，获得最高的产油量。第二章井筒多相流理论与计算气举采油第6页，课件共53页，创作于2023年2月第二章井筒多相流理论与计算地面驱动螺杆泵生产系统有杆泵采油系统常规有杆泵生产系统第7页，课件共53页，创作于2023年2月有杆抽油井生产系统设计思路第二章井筒多相流理论与计算常规有杆泵生产系统第8页，课件共53页，创作于2023年2月1950年左右，石油工业中的多相流技术研究开始，早期研究者大多采用实验研究的方法，所使用的数据主要来自室内实验和油田实际生产二、多相流理论的研究简史控制方程（机理模型）物理现象流动机理第二章井筒多相流理论与计算80年代初，计算机的引入极大地促进了多相流的发展20世纪70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第9页，课件共53页，创作于2023年2月20世纪80年代中期应用高新技术及仪器进行多相流的模拟试验，期望深入认识多相流动现象及流动机理，从而改进模型，提高精度。第二章井筒多相流理论与计算核密度计、超声波传感器、电导和光导探针、电容传感器、激光多普勒测速仪、高速摄像机等

美国Tulsa大学

FluidFlowProject

西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室目前，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第10页，课件共53页，创作于2023年2月1、多相流问题未得到解析解2、油气水三相流的研究不过深入3、水平井段变质量流动研究较少5、缺乏专用研究仪器4、缺乏向下流动的综合机理模型三、目前存在的问题水平井示意图第二章井筒多相流理论与计算第11页，课件共53页，创作于2023年2月

第一节气液两相管流的基本特征与研究方法细分散体系细小的液滴或气泡均匀分散在连续相中

粗分散体系较大的气泡或液滴分散在连续相中

混合流动型两相均非连续相

分层流动两相均为连续相

依相态对流动特性的影响分一、基本特征1.气液两相流的分类第二章井筒多相流理论与计算第12页，课件共53页，创作于2023年2月垂直气液两相流流型

水平气液两相流流型多相流体的主要分布型态第二章井筒多相流理论与计算第13页，课件共53页，创作于2023年2月体系中存在相界面：两相之间也存在力的作用，出现质量和能量的交换时伴随着机械能的损失两相的分布情况多种多样:两相流动中两相介质的分布状况称为流型两相流动中存在滑脱现象:相间速度的差异称为滑脱，滑脱将产生附加的能量损失沿程流体体积流量有很大变化，质量流量不变2.气液两相流的基本特征第二章井筒多相流理论与计算第14页，课件共53页，创作于2023年2月不能简单地用层流或紊流来描述气液两相流水平或倾斜流动是轴不对称的由于相界面的存在增加了研究的复杂性总能量方程中应考虑与表面形成的能量问题多相流动中各相的温度、组分的浓度都不是均匀的，相之间有传热和传质各相流速不同，出现滑脱问题，是多相流研究的核心与重点3.研究气液两相流应考虑的几个问题第二章井筒多相流理论与计算第15页，课件共53页，创作于2023年2月1.经验方法从气液两相流动的物理概念出发，或者使用因次分析法，或者根据流动的基本微分方程式，得到反映某一特定的两相流动过程的一些无因次参数，然后依据实验数据整理出描述这一流动过程的经验关系式。优点：使用方便，在一定条件下能取得好的结果缺点：使用有局限性，且很难从其中得出更深层次的关系穆迪（Moody）图

二、研究方法第二章井筒多相流理论与计算第16页，课件共53页，创作于2023年2月2.半经验方法

根据所研究的气液两相流动过程的特点，采用适当的假设和简化，再从两相流动的基本方程式出发，求得描述这一流动过程的函数关系式，最后用实验方法确定出函数关系式中的经验系数。优点：有一定的理论基础，应用广泛缺点：存在简化和假设，具有不准确性第二章井筒多相流理论与计算第17页，课件共53页，创作于2023年2月3.理论分析方法

针对各种流动过程的特点，应用流体力学方法对其流动特性进行分析，进而建立起描述这一流动过程的解析关系式。优点：以理论分析为基础，可以得到解析关系式缺点：建立关系式困难，求解复杂第二章井筒多相流理论与计算第18页，课件共53页，创作于2023年2月三、流动型态流动型态（流动结构、流型）：流动过程中油、气的分布状态。影响流型的因素各相介质的体积比例介质的流速各相的物理及化学性质(密度、粘度界面张力等)流道的几何形状壁面特性管道的安装方式第二章井筒多相流理论与计算第19页，课件共53页，创作于2023年2月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，包括泡状流、弹状流或团状流、（层状流、波状流）、段塞流或冲击流、环状流、雾状流

垂直气液两相流流型

水平气液两相流流型第二章井筒多相流理论与计算第20页，课件共53页，创作于2023年2月第二类划分方法：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、分离流第一类划分方法泡状流弹状流或团状流层状流波状流段塞流或冲击流环状流雾状流第二类划分方法分散流间歇流分离流分离流间歇流分离流分散流两类划分结果的对应关系第二章井筒多相流理论与计算较为直观便于进行数学处理第21页，课件共53页，创作于2023年2月四、流型图描述(表示)流型变化及其界限的图。把流型变换的实验数据加以总结归纳后，按照两个或多个主要的流动参数绘成曲线，便可以得到流型图。第二章井筒多相流理论与计算Aziz垂直气液管流流型图Baker水平气液管流流型图第22页，课件共53页，创作于2023年2月第二节气液两相流动的特性参数一、流量质量流量:单位时间内流过过流断面的流体质量，kg/s体积流量:单位时间内流过过流断面的流体体积，m3/s第二章井筒多相流理论与计算第23页，课件共53页，创作于2023年2月二、流速

相速度:单位相面积所通过的该相容积流量,m/s

气相速度液相速度第二章井筒多相流理论与计算第24页，课件共53页，创作于2023年2月折算速度:假定管道全被一相占据时的流动速度,m/s气相折算速度液相折算速度两相混合物速度混合物的质量速度第二章井筒多相流理论与计算第25页，课件共53页，创作于2023年2月滑差(滑脱速度)：气液两相相速度之差。滑动(滑移)比：气相相速度与液相相速度之比。

三、滑差和滑动比第二章井筒多相流理论与计算第26页，课件共53页，创作于2023年2月质量含气率：单位时间内流过过流断面的混合物总质量G中气相质量所占的份额。四、含气率与含液率质量含液率：单位时间内流过过流断面的混合物总质量中液相质量所占的份额。第二章井筒多相流理论与计算第27页，课件共53页，创作于2023年2月体积含气率：单位时间流过过流断面两相流体(混合物)总体积Q中气相所占的份额。体积含液率：单位时间流过过流断面两相流体(混合物)总体积Q中液相所占的份额。第二章井筒多相流理论与计算第28页，课件共53页，创作于2023年2月与x间的关系第二章井筒多相流理论与计算第29页，课件共53页，创作于2023年2月真实含气率:又称截面含气率或空隙率，为任一流动截面内气相面积占总面积的份额(气相面积与管道总面积之比)。真实含液率:又称截面含液率或持液率，为任一流动截面内液相面积占总面积的份额(液相面积与管道总面积之比)。第二章井筒多相流理论与计算第30页，课件共53页，创作于2023年2月φ与β的比较第二章井筒多相流理论与计算第31页，课件共53页，创作于2023年2月该方法易于实现，只能得到平均值，且不能在线测量。快关阀示意图真实含气率的简单测量第二章井筒多相流理论与计算第32页，课件共53页，创作于2023年2月流动密度:单位时间内流过过流断面的混合物质量与体积之比。五、流动密度与真实密度真实密度：在流道上取微段，流体真实密度为微段内两相流体的质量与容积之比第二章井筒多相流理论与计算第33页，课件共53页，创作于2023年2月流动密度与真实密度的比较第二章井筒多相流理论与计算第34页，课件共53页，创作于2023年2月第三节井筒多相流能量平衡方程

两个流动断面间的能量平衡关系：一、能量平衡方程推导倾斜管流能量平衡关系示意图第二章井筒多相流理论与计算第35页，课件共53页，创作于2023年2月倾斜多相管流断面1和断面2的流体的能量平衡关系为：第二章井筒多相流理论与计算倾斜管流能量平衡关系示意图第36页，课件共53页，创作于2023年2月适合于各种管流的通用压力梯度方程：则：令：第二章井筒多相流理论与计算第37页，课件共53页，创作于2023年2月二、多相垂直管流压力分布计算步骤1)按深度增量迭代的步骤①已知任一点(井口或井底)的压力作为起点，任选一个合适的压力降作为计算的压力间隔p。②估计一个对应的深度增量h

。③计算该管段的平均温度及平均压力，并确定流体性质参数。④判断流型，并计算该段的压力梯度dp/dh。第二章井筒多相流理论与计算第38页，课件共53页，创作于2023年2月⑧以计算段下端压力为起点，重复②～⑦步，计算下一段的深度和压力，直到各段的累加深度等于管长为止。⑥重复②～⑤的计算，直至。⑤计算对应于的该段管长(深度差)h。⑦计算该段下端对应的深度及压力。第二章井筒多相流理论与计算2)按压力增量迭代的步骤（略）第39页，课件共53页，创作于2023年2月说明：a.计算压力分布过程中，温度和压力是相关的；b.流体物性参数计算至关重要，但目前方法精度差；c.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。第二章井筒多相流理论与计算第40页，课件共53页，创作于2023年2月第四节井筒气液多相流动的模型

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、均相流动模型、分相流动模型和漂移流动模型等。第二章井筒多相流理论与计算第41页，课件共53页，创作于2023年2月一、流动型态模型定义：将两相流动分成几个典型的流动型态，然后按照不同的流动型态分别研究其流动规律。特点针对性强，精确度高数学处理复杂，计算量大流型界限确定困难第二章井筒多相流理论与计算流动型态模型是未来的研究方向第42页，课件共53页，创作于2023年2月二、均相流动模型（1）气相和液相的实际速度相等，即（2）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，则误差较大两个假定特点定义：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第二章井筒多相流理论与计算第43页，课件共53页，创作于2023年2月三、分相流动模型（简称分流模型）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）以及介质与管壁摩擦力和两相介质之间摩擦阻力，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。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。第二章井筒多相流理论与计算第44页，课件共53页，创作于2023年2月分流模型的基本假设

(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；

(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、波状流和环状流。第二章井筒多相流理论与计算第45页，课件共53页，创作于2023年2月四、漂移流动模型

漂移流动模型简称漂移模型，它是由朱伯(Zuber)和芬德莱(Findlay)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。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。第二章井筒多相流理论与计算第46页，课件共53页，创作于2023年2月

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合起来使用，以各取其长，获得尽可能精确的计算结果。五、井筒气液两相流动的计算方法第二章井筒多相流理论与计算第47页，课件共53页，创作于2023年2月Poettmann-Carpenter方法Fanch-Brown相关式Baxendell-Thomas相关式Hagedron-Brown关系式Duns-Ros相关式Orkiszewski相关式Beggs-Brill相关式Dukler相关式Mukherjee-Brill相关式Aziz相关式Eaton相关式Ansari相关式…………不同方法有其适用条件和精度