《多相管流-全中文》PPT课件.ppt

1、采 油 工 程,Production Engineering 主讲: 蒋建勋 西南石油大学石油工程学院,第一节 油井流入动态 一、单相原油流入动态 二、油气两相渗流的流入动态 三、含水及多层油藏油井流入动态 四、完井方式对油井流入动态的影响 五、预测未来油井流入动态 第二节 气液两相管流基本概念及基本方程 第三节 气液两相管流计算方法 第四节 嘴流动态,Pwf Pe,第一章 油井基本流动规律,第二节 井筒气液两相管流基本概念及计算模型,气液两相流与单相流的比较 气液混合物的流态特征 滑脱现象及流动的特性参数 气液两相管流压力梯度方程的推导 气液两相管流的计算方法,原油从油层流至地面计量站，经历

2、的过程为 Pr Pwf Pwh PB PSE 油层 井底 井口 (油嘴) 计量站 地层渗流 多相管流 嘴流 地面管流 能量消耗 10-50% 20-80% 5-30% 5-10% 井底压力Pwf：原油流入井底的剩余能量，是举升原油的动力 井口油压Pwh：多相管流的剩余能量，地面管流的动力。（Pt）,Pb,第二节 井筒气液两相管流基本概念及计算模型,两相管流研究的必要性 要求井口 Pwh,油井产量qo多大合适？ 根据流入动态 qo1 对应 Pwf1 试采后Pwh1 ，如果Pwh1Pwh，则调整增加产量。 通过这样的调整最终能得到一个合理的定产，但如果每一种工作制度都这样调整显得十分盲目 如果对两

3、相管流规律认识清楚，可通过计算机直接进行优化。,第二节 井筒气液两相管流基本概念及计算模型,一、气液两相流与单相流的比较,1、发生条件：Pwh Pb Pwh Pb时，井中流体为单相油流，成为单相流动 Pwf Pb，PwhPb时，则从井中某一高度处出现多相流，此处以下为单相流 2、流态（假设流体为牛顿流体）Flow Regime （Flow Patten） 单相流流态：层流（Laminar）、紊流（Turbulent ） 判别方法：与水力学相同 （根据雷诺数 Reynolds Number） 3、压力分布计算 根据水力学原理 Pwf=Pwh+Ph+Pfr Ph为井内液柱压力 Pfr为摩擦阻力 f

4、r为摩阻系数 u为液体速度 为液体密度 D为油管内径 为井斜角,二、气液混合物的流态特征,PB,原油从井底向井口的流动，是一个压力降落过程，随压力降低，从原油中分离出来的气体越来越多，qG逐渐增大，随着气量和流速的增加，流动形态也随之发生一系列变化。 概念 流态是指油气混合物流动过程中油、气的分布形态。不同流动形态的混合物有各自不同的流动规律，与油气体积比、流速及油气界面性质有关。 在气液、气固、液固、液液两相流中，气液两相由于存在可变形界面，气相的高可压缩性，其流态最为复杂。可采用透明管观察、高速摄影、X光摄影等手段判别流态。 流动管路倾斜度不同，流态也会不同。,（一）垂直管气液两相流流态特

5、征 1、纯液流 从井底到井筒压力等于Pb的点之间。无气相,管内流动的是均质液体，叫纯液流，流体密度最大，压力梯度最大，压力分布曲线为直线。 特征：PPB，无气体分离出来,二、气液混合物的流态特征,纯液流,2、泡流（bubble flow） 管内从压力等于Pb 起，有天然气析出，呈现气泡状,分散在液相中。随着油流上升，压力下降, 气泡渐渐膨胀。这时气体的体积流量仍较小，总流量不大，流速较低，摩阻小，密度比纯液流低。 特点：液相是连续相，气相是分散相。但滑脱损失较大。,（一）垂直管气液两相流流态特征,3、段塞流（slug flow） 随混气液上升，压力下降，小气泡膨胀成大气泡。当气泡断面几乎与油管

6、直径相当时，井筒内形成一段气，一段液的流动结构。气段外有液膜，液相仍是连续相，气相是分散相。气体体积流量较泡流大，摩阻较泡流大，密度较小，滑脱较小。 特点：液相仍是连续相，气相是分散相。破漏活塞式举油，举油效果最好。,（一）垂直管气液两相流流态特征,4、过渡流（transition flow） 液相从连续相过渡到分散相，气相从分散相过渡到连续相，气体连续向上流动并举升液体，有部分液体下落、聚集，而后又被气体举升。这种混杂的、振荡式的液体运动是过渡流的特征，故也称之为搅动流。 特点：液相从连续相向分散相过渡，气相近似为连续相,（一）垂直管气液两相流流态特征,5、雾状流（annularmist f

7、low） 气体体积流量越来越大,管壁的油膜越来越少,液相主要以雾状分散到气相中。气为连续相，液为分散相。这时密度很小,但流速很大,压降主要消耗在摩阻上。压降梯度变得更大,压能损失更为严重。 特点：液相是分散相，气相为连续相，油气相对速度很小。,（一）垂直管气液两相流流态特征,PB,典型流型：分层流、间歇流和分散流,（二）水平管气液两相流流型态特征,分层流,间歇流,分散流,1、分层流 层状平滑流：沿管子底部流动的液体和顶部流动的气体之间具有平滑的界面。流量较低。 层状波状流：气、液界面变成波状的，气体 流量较高。 环流：在管壁上形成液环，管子中心为夹带液滴的气流。气液流量较高。,（二）水平管气液

8、两相流流型态特征,2、间歇流 塞流：大气泡沿管子顶部流动，而管子下部为液流。 段塞流：包括大液体段塞与几乎充满管子的高速气泡的交替流。,（二）水平管气液两相流流型态特征,3、分散流 泡流：大气泡集中在管子的上半部。 环雾流：气流量高、液流量低，气流中夹带液滴。,（二）水平管气液两相流流型态特征,倾斜管的两相流流型不同于垂直管或水平管，它与管斜角有关,1、滑脱现象（Slip Phenomenon） 定义：气液混合物上升的垂直或倾斜管流中，由于气液密度差异造成气液速度差异而出现的气体超越液体上升的现象。主要出现在泡流。,（三）滑脱现象及流动的特性参数,2、持液率（Liquid Holdup） 定义

9、：单位管长内液体体积与单位管长容积的比值，持液率实质是指在两相流动的过流段面上，液相面积AL占总过流断面面积A的份额,3、持气率（Void Fraction）,4、无滑脱持液率 假定UG=UL,则单位管长内液体体积与单位管长总体积的比值称为无滑脱持液率，用L表示。,因此，有,5、表观速度（Superficial Velocity） 定义：某一相的表观速度表示为该相单独充满并流过管子截面的速度，表示为USL、USG。 液相表观速度和气相表观速度分别为,6、真实速度（Actual Velocity）,真实速度表观速度,7、混合物速度或两相速度（Mixture or Two-phase Veloci

10、ty）,根椐上面的定义，则滑脱速度Us可表示为,如果无滑脱 则Us=0, UL= UGUm,8、混气液密度 (1)、理论密度(无滑脱) 设：油相截面积:AL 气相截面积:AG 高度L的流体质量为 L（ALL+AGG） 体积为: LA （A=AL+AG）,无滑脱时,密度所引起的压力变化是油气流动时不可避免的压力损耗,叫有效损耗。 式中第二项是滑脱引起的密度增量,它所引起的压力变化 叫滑脱损失。,（1-57）,根据定义,1、气体体积流量qG 从压力等于Pb点起出现小气泡，越往上流，压力越低，气体体积膨胀，新气体析出，qG不断增加。,（四）多相垂直管流物性变化规律,2、液体的体积流量qL 随流体上升

11、，压力低于Pb以后，气体 析出，qL略有增加，与qG的增加相比基本不变。 3、总混气液的体积流量: qm=qL+qG 4、混气液流速 Um=qm/A=(qL+qG)/A (1-54) A不变, Um的变化与qm的变化一致。,5、混气液密度 m= wm/qm ， wm质量流量 质量守恒, wm不变, qm随流体上升而增 加，m随流体上升而下降。,6、压力分布 (1)液柱垂压 Pm=Hmg 压力梯度: Pm/H=m g 由于m随位置而变化,故液柱压力梯度也随位置而变化。,Um随着位置而变化，越向上越大，m越向上越小，而速度是平方项，故摩阻梯度随速度而显著变化。,(2)摩阻梯度,(3). 总压降梯度

12、 总的压降梯度, 也随位置变化，不是常数, 压力分布曲线不是直线。,Pt,P,H,气液比,总压力梯度,重力梯度,摩阻梯度,三、气液两相管流压力梯度方程及求解步骤,压降梯度=重力梯度+摩阻梯度+动能梯度,1. 单相压力梯度方程 沿程压降=位能增量+沿程摩阻+动能增量,原理：能量平衡方程、动量方程、质量守恒,作用于微元控制体dz的外力包括（正向与流体流动方向相同 ） 质量力沿z方向的分力 ：gAdzsin 微元两端的压力：(p+dp)ApAAdp 管壁摩擦力：wDdz,动量定律：作用于控制体内流体的外力等于控制体内流体的动量变化,引入Moody摩擦阻力系数f，即有,符号,单相流 ：,多相流 ：,对

13、于水平管流：,m、Um、fm都是温度T、压力P的函数，不同流态下的变化规律不同，必须探求不同流态下的确定方法。,压力梯度方程求解步骤 特点 多相流体流态随上行发生一系列变化，混合物的特性参数m、Um、fm、m 是f(P.T)的函数，dp/dz不是常数。确定压力必须分段计算。 要获得P，必须知道m、Um、fm、m。而要知道m、Um、fm、m又必须获得P、T P是未知量，必须迭代求解,方法：深度增量迭代、压力增量迭代、龙格库塔法,2. 压力梯度方程求解步骤（压力增量迭代） （1）以井口或井底为起点(由已知压力的位置定) （2）选择一个计算区间长度:H一般取50100m （3）估计这一区间的压降值P

14、估计(由经验定) （4）计算出区间的平均温度和平均压力Pav,Tav （5）确定Pav和Tav下的物性参数m、Um、fm、m （6）判断流态,（7） 计算dp/dz和P =H (dp/dz) （8） 比较P与P估计,若相差超过允许值,则赋值 P估计=P，重复第4步到第8步，直到满足精度。 （9） 计算该区间末端点Hi和压力Pi （10） 以该区间末端点Hi、Ti、Pi为起点，重复第2到第 10步，计算下一点的Hi、Ti、Pi，直到HnH为止。,注意：一般采用深度增量法，最后一段采用压力增量法 避免线性内插。,（一）发展历史 1952年，Poettmann和Carpenter根据能量方程提出摩擦

15、损失系数法。 （1）数学模型中忽略了动能项； （2）不划分流态； （3）计算混合物密度时未考虑滑脱；（理论密度） （4）采用综合摩阻系数（包含摩擦、滑脱、动能）,四、 气液两相管流计算方法,优点：计算比较准确 缺点：需要油田作大量的压力测试工作 改进：M.R.Tek(1961)、陈家琅,1954 Gierbert图板法：与P 垂直注入井=-90,（1-97）,（1-98）,无因次气体速度,无因次液体速度,（1-73）,（1-100）,无因次液相粘度,（1-99）,式（1-98）的回归系数（表1-11）,式中EL入口体积含液率， NFr为弗鲁德数，引入,流态判别,（1）m的计算,若 则为雾状流，

16、否则为泡流段塞流。,泡流段塞流：两相摩阻系数fm用无滑脱摩阻系数fns 。查Moody摩阻系数图或由式（1-80）计算。,流态判别：,（2）fm的计算,雾流：两相摩阻系数fm考虑为相对持液率和无滑 脱摩阻系数的函数。 (1) 计算相对持液率: HRL/HL (2) 根据HR按表1-12确定摩阻系数比fR (3) 根据NRens由公式（1-80）计算fns (4) fm fR fns,（五）环形空间流动的处理方法,圆管：Di=0，故R=D0/4，水力相当直径De=4R 环空：水力相当直径为：,1. 水力相当直径 水力半径定义为：,环空：,ee环空相当粗糙度； ei、eo 环空内、外管有效粗糙度。

17、 环空壁面的腐蚀和结垢的影响。 环空中接箍的局部摩阻的影响。,注意：环空流动涉及管径一次方关系的公式（如雷诺数、摩阻）可用相当直径e代替管径。但计算两相流流速时仍用实际过流截面积。,2. 环空流动相当粗糙度,套压(Pc):指示油管和套管环空的压力 油压(Pwh):原油举升到井口时的剩余能 量，又是通过油咀的动力。 回压(PB):油嘴后剩余压力,又是地面管 线流动的动力。,第四节 嘴流动态（Flow through chokes）,一、油咀流动的特点,PB,油嘴:一般长为50-150mm,直径3-50mm(英制以1/64in),由抗冲蚀硬质合金制成。（针形阀） 固定油嘴(Positive of

18、Fixed choke) 咀径不可调，改变只能更换 可调油嘴（Adjustable choke ） 容许缓慢调节打开度,第四节 嘴流动态（Flow through chokes）,一、油咀流动的特点,PB,油嘴的作用：调节和控制油井产量 保持油井稳定生产,PB V PB/Pwh PB V (PB/Pwh)c PB VCONST (PB/Pwh)(PB/Pwh)c,1、临界流动 油气混合物到达井口后，气体迅速膨胀，体积流量大大增加，通过节流阀时油气流速可达临界速度，油嘴前后宛若两个系统。 临界流速流体的流速达到压力波在流体介质中的传播速度，即声速。 临界流动状态流体达到临界速度时的流动状态。,2.流量与油嘴前后压力比的关系,ab 段：随PB/Pwh q。说 明Pwh一定时，q随PB而变化， 这是非临界流动的特点。到b点 q达最大,当 Pwh=PB时,PB/Pwh=1时 q =0,b为临界点，b的压力比(PB/Pwh)c 称为临界压力比,临界压力比：开始出现临界流动时压力比,K气体的绝热指数， K=CP/CV