（油气田开发工程专业论文）垂直井筒油气水三相混合物流动规律研究.pdf

r e s e a r c ho nf l o wc h a r a c t e r i s t i c so ft h eo i l g a s - - w a t e rt hr e e - - p h a s ei n v e r t i c a lw e i lb o r e s z h a n gc h a n g y a n ( o i l & g a sf i e l dd e v e l o p m e n te n g i n e e r i n g 、 d i r e c t e db yp r o f l im i n g z h o n g a b s t r a c t t h et h e o r yo fo i l - g a s w a t e rt h r e e - - p h a s ef l o wi nv e r t i c a lw e l l b o r e si st h es i g n i f i c a n t f u n d a m e n t a lt h e o r yf o r c h o o s i n g a r t i f i c i a ll i f tm e a n sa n d a n a l y z i n gt h ep r o d u c t i o n p e r f o r m a n c eo fw e l l s a l t h o u g ht h ef i e l dh a sp l e n t i f u lv a l u a b l er e s e a r c ho u t c o m e s ，t h e r e r e m a i n sm u c ht a s kw a i t i n gb e i n gr e s o l v e dn o w b a s e do ns t u d yt h eo fr e s e a r c ho u t c o m e si n a s s o c i a t i o na r e aa th o m ea n da b r o a d ，b yu s e df l u i dm e c h a n i c st h e o r ya n de x p e r i m e n t a ls t u d y m e t h o d ，t h ef l o wm e c h a n i s mo ft h eo i l - g a s - w a t e rt h r e ep h a s ea l o n gv e r t i c a lw e l l b o r ei s r e s e a r c h e d t h ed i v i s i o nm e t h o d ，a l t e r n a t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n dt r a n s f o r m a t i o nc r i t e r i ao ff l o w p a t t e m so ft h eo i l g a s - w a t e rt h r e ep h a s ea l o n gv e r t i c a lw e l l b o r ea r es t u d i e d t h ep h a s e i n v e r s i o nt h e o r ya n dc o n d i t i o no fo i l w a t e rf l u i da r es e a r c h e d u s i n gt h ed o u b l ef l u i dm o d e l t h et r a n s f o r m a t i o nb o u n d a r ye q u a t i o n so fe a c hf l o wp a t t e r no ft h eo i l g a s w a t e rt h r e ep h a s e a l o n gv e r t i c a lw e l l b o r eh a v eb e e nd e r i v e d c a l c u l a t i o nf o r m u l a so fv o i df r a c t i o nf o rt h ef o u r f l o wp a t t e r n sa r ee s t a b l i s h e d t h ee n t i r ew a t e rp h a s ef r i c t i o n p r e s s u r eg r a d i e n t ，f r i c t i o n p r e s s u r eg r a d i e n t ，g r a v i t a t i o n a lp r e s s u r eg r a d i e n ta n dt o t a lp r e s s u r eg r a d i e n tf o re a c hf l o w p a t t e mo fo i l g a s - w a t e rl i q u i df l o wi nv e r t i c a lw e l l b o r ea r ec a l c u l a t e db yu s i n ge s t a b l i s h e d m o d e l b yu s i n ge x p e r i m e n t a la p p a r a t u s ，u s e dt h ea i r t a pw a t e ra n dd i e s e lo i lt h r e ep h a s e f l u i da sm e d i u m ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nv i s c o s i t yo fo i l w a t e rm i x t u r ea n dw a t e rc u ta r e r e s e a r c h e d ，c o m p a r i s o n so ft h es o l u t i o no fe a c hf l o wp a t t e r n su s i n ge s t a b l i s h e dp r e s s u r e g r a d i e n tc o m p u t a t i o n a lm o d e lt h r o u g ha r eg i v e n a l l i e dc a l c u l a t o rp r o c e d u r ei sp r o g r a m m e d t oa c c o u n te x a m p l ew h i c ha r eu s e dt oa n a l y z et h e a f f e c t i n gf a c t o r so fv o i df r a c t i o na n d p r e s s u r eg r a d i e n t ，f o re x a m p l eg a ss u p e r f i c i a lv e l o c i t y , l i q u i ds u p e r f i c i a lv e l o c i t y , w a t e ri n l i q u i d k e yw o r d s ：v e r t i c a lw e l l b o r e s ，o i l - g a s - w a t e rm u l t i p h a s ef l o w , f l o wp a t t e m ，v o i d f r a c t i o n ，p r e s s u r eg r a d i e n t 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：殛显垫 日期：年月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：毯晏施 指导教师签名：二垄吐 日期： 日期： 年月日 年月 日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第1 章前言 1 1 研究的目的及意义 石油、天然气和水是具有不同成份和不同物理、化学性质的物质，油气水混合物各 相间存在着明确的相界面，因而将油气水混合物的流动称为油气水三相流。 油气水三相混合物的流动广泛应用于石油、化工及其他相关工业中，尤其在石油工 业中，油气水三相混合物的流动相当普遍，而且对其流动规律的研究尤其重要【。 在油藏开采过程中，边底水的存在是相当普遍的现象，而且到了开采的中后期，常 常会采用注水、注气的方式来补充地层能量继续开采油田。原油在地层中运移并到达井 底的过程中，当地层压力降至泡点压力以下，将出现油气或油气水的多相渗流；地层水、 注入水、注入气以及原油中溶解气的大量存在，使得流体从井底向地面流动的过程中， 油气水三相混合物存在于井筒中，因此无论哪种举升方式的油井，其井筒中流动的大多 数都是油气或油气水三相混合物，这就需要研究混合物在垂直并筒中的流动1 2 , 3 】：在石油 输送过程中，由于油气集输技术的发展，管线内也同样存在油气水三相混合物，并且由 于输送过程中存在地面起伏等其他因素的影响，需要考虑混合物在水平、倾斜、垂直各 个方向的流动。因此，油气水三相混合物在地层、垂直管、倾斜管、水平管中的流动至 关重要。 多相流研究的复杂性在于：( 1 ) 相界面的存在增加了研究的复杂性：( 2 ) 各相间存在 质量和能量交换；( 3 ) 多相管流中流型的多样性和难确定性；( 4 ) 流动过程中各相的温度、 组分的浓度都不是均匀的，相与相之间有传热和传质；( 5 ) 气液界面的不稳定性；( 6 ) 多 相管流中流动参数的难测性【4 】。 多相流体在管内的流动区别于单相流体流动的一个重要特征就是各相流体之间存 在着明显的相界面，并且相界面的形状以及各相在流动体系中的分布状况也随着空间和 时间的变化而变化【5 1 。多相流动中相的分布状态称为多相流的“流型”。在油气水三相 流中，由于三相的比例不同以及沿着垂直井简压力逐渐地降低，油气水三相混合物的流 动型态、相分布及压降沿着管道不断地变化，所以若要较为准确的计算总的压力降，就 必须研究油气水三相流不同流型间的转变界线以及在某种流型下三相流体的流速、截面 含气率、压力梯度变化规律等方面的内容。 油气水三相混合物流动规律的研究对油井的生产方式优选、参数设计和工况分析等 是非常重要的。只有掌握油气水三相混合物的流动规律，才能保证设备安全、经济地运 行。因此，油气水三相混合物流动规律的研究既具有广泛的工程应用背景，又有重要的 第1 章前言 学术价值。 当前多相管流的研究主要集中在油水或油气两相流体流动的方面，油气水三相混合 物的流动规律研究大部分也都集中在水平管道流动部分。在垂直井筒中，三相流动规律 的研究主要从气液两相流动理论出发，如果计算长井筒的流动压降，误差将不可避免地 出现，对工业发展造成阻碍。因此，选择对垂直井筒油气水三相混合物流动规律研究是 相当必要的。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 气液两相流研究现状 ( 1 ) 压降计算的经验方法【6 7 】 1 9 5 2 年，p e o t t m a n n 和c a r p e n t e r 发表了井筒中油气水混合物流动的开创性研究成果。 他们将油气水混合物在井筒中的流动处理为均相流动，根据能量方程和4 9 口生产油井 的现场实测数据，提出了一个计算井筒压降的经验性公式。由于他们实测油井的产量较 低；参数范围较窄，不具有广泛的代表性，因而所得关联式未能在生产上得到广泛应用。 b a x e n d e l l 和t h o m a s 根据他们在油井上取得的实测数据，对p e o t t m a n n c a r p e n t e r 公 式进行了修正，使之能够用于产量较高的油井。 t e k 在p e o t t m a n n 和c a r p e n t e r 的部分现场数据的基础上，对井筒中油气水混合物流 动压降进行了研究，他们沿用p e o t t m a n n c a r p e n t e r 公式，只是对该公式中的摩擦阻力系 数提出了一组新的计算曲线。 f a n c h e r 和b r o w n 曾经用p e o t t m a n n c a r p e n t e r 公式来整理在一口试验井上取得的9 4 组试验数据，并对该公式作了一些改进。 h o g e d o m 和b r o w n 曾经对由各种粘度的油、水和天然气组成的油气水混合物在一 口直径为3 1 8 m m 、深4 5 7 。2 m 的试验油井中的流动规律进行了试验研究，根据计算结果， 他们对p e o t t m a n n c a r p e n t e r 公式作了进一步修正，使其适用于小口径油井中油气水混合 物压降的计算。 1 9 6 5 年，h o g e d o r n 和b r o w n 又根据他们上述试验数据，由均相流动能量方程导出 了油气水混合物在垂直上升管内流动压降的另一个计算公式，并得出该公式中混合物有 效密度和阻力系数的计算曲线和计算式，他们这个新计算方法的精度较原计算方法有所 提高。我国大庆油田根据自喷井的生产资料，也由均相流动能量方程得出了一个计算管 内油气混合物流动压降的方法，在这个方法的阻力系数计算中，使用了气液两相综合雷 诺数和校正到井筒压力和温度条件下的流动平均密度。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 在垂直上升管气液流型图中，h e w i t t 和r o b e , s 提出的流型图得到较为广泛的应用。 该图虽以空气一水混合物为工质得出，但也适用于相似流动参数的汽一水混合物。 上述研究者对油气水三相混合物在现场油井或试验井中的压降规律进行了大量的 试验研究，取得了可贵的实验资料。然而他们得出的计算方法的精度却较低，适用范围 较窄，未能得到广泛应用。造成这种情况的根本原因在于：这些计算方法都是纯经验的， 他们将油气水三相流动处理为均相流动，忽略了管内油气水三相流动的流型是沿井筒高 度变化的这一事实，更忽略了管内油气水三相流压降及截面相份额是随流型不同而变化 的这个多相流动的基本特征。随着研究的进一步开展，人们逐步认识到：只有在对垂直 管内油气水三相流动的机理和基本规律有了比较清楚地认识之后，才可能得到油气水三 相混合物沿井筒流动压降的精确计算方法。 ( 2 ) 考虑流型划分的经验方法【2 ，3 ，5 】 1 9 6 1 年，d u n s 和r o s 【s 】广泛收集了实验室内透明管中气液两相流动实验数据，将垂 直管内气液两相的流动划分为液相为连续相、液相与气相交互出现以及气相为连续相的 三个区域，提出了流型之间的转换界限和各流型条件下截面含气率、摩擦压降、重位压 降、加速压降及总压降的计算公式。尽管他们的流型转换界限和各流型条件下截面含气 率及压降的计算式大多仍然是经验性的，但由于考虑了截面含气率及压降随流型变化而 不同这个多相流动的基本特征，因此这一方法在工程中达到了较高的计算精度。 o r k i s z e w s k i t 9 】将几种方法与实测资料进行了对比，发现其中g r i f f i t h 和w 甜l i s 的方 法及d u n s 和r o s 方法比较准确，但是也各有不足之处。比如g r i f f i t h 和w a l l i s 的方法对 段塞流在低流速范围内比较可靠，在高流速下就不够准确，d u n s 和r o s 方法也有类似 的不足。他将前人对气液两相流不同流型下提出的压力梯度计算方法进行了分类，用1 4 8 口井的数据对它们进行仔细的检验和考察，对不同流动型态选择较优者，并结合他自己 的研究成果，于1 9 6 7 年总结出了一套新的垂直管中油气水三相流动压力梯度的计算方 法。他提出四种流动型态：泡流、段塞流、过渡流和环雾流。在处理泡流时，他采用 g r i f f i t h 的方法；他把c r r i f f i t h 计算段塞流的相关式加以改进后推广到高流速区，扩大了 应用范围；在处理过渡性流型时，使用了与d u n s 和r o s 相同的方法，即内插法：在处 理环雾流的问题上，他也采用了d u n s r o s 方法。这套方法具有较高的计算精度，在国 内外石油工业中得到广泛应用。 1 9 7 2 年，a z i z 、g o v i e r 和f o g a r a s i 1 0 j 提出了另一种方法：将油气井中的流动型态划 分为泡状流、弹状流、过渡型态、环状流和雾状流，建立了这些流型之间的转变界限。 3 第l 章前言 他们对泡状流和弹状流的截面含气率和压降提出了新的计算方法，对过渡型态、环状流 和雾状流，他们建议采用d u n s r o s 方法。b e g g s 和b r i l l h i 曾以空气水两相混合物为介 质，对各种倾斜角度透明管内气液两相流动特性进行了实验研究，也包括垂直管内的流 动。他们将流型划分为分散流动、间歇流动和分离流动，得出了各流型的截面含气率及 通用的压力梯度计算式。c h i e r i c i 等1 6 也曾对油井中流体的压降规律进行过研究，并提出 了一种计算方法。 陈家琅 1 2 , 1 3 , 1 4 对油气水混合物在垂直上升管内的流动压降特性进行过专题研究。 1 9 7 9 年，他在前人工作的基础上，根据油田自喷井的生产数据，提出了计算垂直管内油 气水三相流动压力梯度的“阻力系数法”。但这个方法没有直接考虑流动型态和相间滑 移，而将这些影响因素计入两相阻力系数中。1 9 8 0 年，他又总结出计算垂直管内油气水 三相流动压力梯度的“按流型计算法”。用这些方法可以计算自喷井井筒压力分布及井底 流压，为自喷井生产的动态分析提供了一定的依据。 ( 3 ) 基于流动机理的研究方法 近年来，h a s a n 与k a b i r 1 5 , 1 6 合作对垂直油井中油气水混合物的流动特性进行了一系 列研究。他们运用垂直管内气液两相流动的研究成果，提出了区分油井中油气水混合物 流动型态的新方法，并得出了各流型条件下截面含气率及压力梯度的计算方法。与1 1 5 口油井生产数据比较表明，这套方法具有较高的计算精度。他们还发展了这套方法，使 之可以用来计算环形空间和倾斜井中油气水混合物的流动压降【17 1 。f r e c h o u 6 1 于1 9 8 6 年 报道了对内径为5 0 m m 、长为1 2 5 m 的垂直上升管内气水两相、油气两相和油气水三相 流动特性的试验研究结果，他着重测量了油气井中常见的间歇状流动，包括弹状流和过 渡流的截面相份额、压降及气团上升速度，得出了气团上升速度的关联式。f r e c h o u 的 实验结果还表明，油水界面特征对油气水三相流动特性有着显著的影响。 1 9 9 0 年，a n s a r i 等【1 8 l 对井筒中的气液两相流动进行了研究，他们在前人工作的基础 上，给出了井筒中气液两相流的流型预测方法，并对各种流动型态的流动机理和特点进 行了分析，建立了描述泡状流、段塞流和环流流动特性的模型。因为搅动流的复杂性， a n s a r i 未对它进行深入研究，只将其作为段塞流的一部分进行处理。 9 0 年代以来，国内的学者对气液两相流动的机理进行分析，也取得了一定的研究成 果1 9 - 2 9 ，其机理分析大部分沿用了h a s a n 与k a b i r 、a n s a r i 等的理论。 1 2 2 油水两相流的研究现状 g o v i e r 等1 3 0 】在内径为2 6 3 7 r a m ( 1 0 3 8 i n ) 、长为7 2 0 8 5 m m ( 2 8 3 7 i n ) 的垂直透明管中进 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 行了油水两相流实验，认为液液相体系中观察到的流型次序和在气液相体系中观察到的 相同，两种体系中流型的明显的区别是由于粘度、密度和界而张力不同所造成的，而且 认为在任意的水流量下，只要空气的流量大约1 0 倍于油流量时，空气水体系即表现出 与油水体系相同的流型。所给出的油水流型图与气液类似，分为：( 1 ) 泡流，油分散， 水连续相：( 2 ) 段塞流，油分散，水连续；( 3 ) 泡沫流，油、水都分散，无连续相；( 4 ) 雾 状流，水分散，油连续。 h a s s o n 等【3 0 】研究了水煤油混合物的环状流动。压降、相份额和流动型态的测量在 内径为1 0 m m 和1 5 m m 、长为1 5 m 的管道上进行。给出的流动型态有环状流、环状紊 流、夹杂液滴的环状紊流等。但他们得到的数据也不能用来预测气液两相流模型。 z a v a r e h 等【o j 在内径为1 8 4 1 5 m m ( 7 2 5 i n ) 、长为1 2 8 0 1 6 m m ( 4 2 f f ) 的可倾斜透明管中 进行了油水两相流实验，观察到的流型与气液流型大不相同，管子垂直时，只观察到3 种泡状流流型；第1 种是泡状流，即大直径的油泡分散在连续的水相中，第2 种是分散 泡状流，很小的油泡分散在水中，第3 种是反向泡流，水滴以泡状存在于连续的油相中。 他将所观察到的各种泡流细分为：( 1 ) 泡流，油泡较大，水为连续相；( 2 ) 分散泡流，油 泡较小，水为连续相；( 3 ) 反向泡流，水滴较大，油为连续相；( 4 ) 反向分散泡流，水滴 较小，油为连续相。他们认为不能将修正的气液两相流的流动型态划分方法用来划分油 水系统的流动型态。 s o o t l 3 0 在内径为1 8 9 m m 的垂直黄铁管道中进行实验，分别使用三种粘度 ( 1 x 1 0 。3 k g m 。1 s 、9 x 1 0 3 k g m 1 s 一、2 0 0 x 1 0 3 k g m 1 s 。1 ) 的原油研究了油水两相的流动。入口 含水率从0 6 到o 9 6 变化。金属筛孔被用来控制分散液滴的尺寸。他认为在一定条件下， 液滴尺寸和粒度分布都影响压降观测值。 1 9 9 7 年f l o r e s 等【3 l 】利用内径为5 0 8 m m 、长为3 8 1 m m 的管路，用矿物油和水( 油水 密度比0 8 5 ，粘度比2 0 0 ，5 0 c ) 对垂直管和倾斜管( 倾角分别为4 5 0 ，6 0 。和7 5 0 ) 中混合 物的流动进行了研究。在垂直管中，油水两相流动可划分为油为连续相和水为连续相两 大类。水为连续相流型，包括油滴分散流型、油滴均匀分散流型及油滴在水中翻滚流型。 油水流态图显示，水为连续相流型中的油滴分散流型分布范围最广，且油滴分布不均匀。 当油相的速度不变，而水相的速度增加时，紊流力作用增加，出现油滴均匀分散流型。 而在油滴分散流型时，由于油滴的聚并作用会形成油滴在水中翻滚流型。油为连续相流 型，包括水滴分散流型、水滴均匀分散流型和水滴在油中翻滚流型。油水流态图显示当 水相速度增加时，会发生相态逆转而出现水滴在油中翻滚流型。当水相速度进一步增加 5 第1 章前言 时，紊流作用增强，油滴不断减小，出现水滴分散和水滴均匀分散两种流型。 a b d u v a y t 等【5 2 】对油水两相混合物在水平、起伏、垂直管线中的流动作了一系列研 究。实验研究了大管径垂直管中油水两相的流动型态、持水率和压降，将流动型态划分 为f l o r e s 等定义的六种。 国内一些石油院校及大庆油田的研究者 4 , 3 2 1 对油水两相流流型进行了划分，认为油 水流型一般分为3 种：( 1 ) 水包油流型，油泡分散在水中，水为连续相，持水率大于6 0 ； ( 2 ) 过渡流，油水混合在一起，没有连续相，持水率在2 5 6 0 之间；( 3 ) 油包水流型， 水滴分散在油中，油携带水滴流动，油为连续相，持水率小于2 5 。通过实验，以分散 相为流型划分对象，油水流型可划分为：( 1 ) 油泡流，油泡较小，水为连续相：( 2 ) 分散 油泡流，油泡较小，水为连续相，靠近管壁的小油泡随水沿管壁下流，上下反复，缓慢 上升；( 3 ) 混状流擎搅拌流，油水混合、翻滚上升，没有连续相；( 4 ) 水泡流，水滴较小， 油为连续相。 。 1 2 3 考虑油水转相的三相流研究现状 s h e a n 3 0 】分别研究了油水混合物和油气水三相混合物在内径为1 9 m m 的垂直管道中 的流动。得到了混合物速度从1 2 2 到6 1 0 m s 。1 及f o = 0 到1 0 的流体流动型态、相含率 和压力梯度数据。流动型态被划分为：油段塞流、水泡沫流、油泡沫流和水下降流动。 他描述了各种流动型态，认为流动型态转变对压力梯度的影响应归结为磊的变化。s h e a n 试图扩展油水两相的流型图及摩擦压力梯度公式去解决g o v i e r 的三相流动情况。 p l e s h k o 和s h a r m a t a o 禾l j 用在内径为5 1 m m 的管道得到的垂直三相流动数据检验了 t a i t e l 等的气液两相流动的流动型态转变模型。证明两相流动模型不能用于预测三相流 动的流动型态转变。进入垂直导管之前，液相被预先混合形成均匀的条件。因此，依照 两相流动的划分方法，流动型态被划分为泡流、段塞流和搅拌流。最后给出了由一组平 一，一 均表观相速度比矿轧矿s g 与自变量 关系曲线组成的流型图。 s p e d d i n g 等 3 0 1 在内径为2 6 m m 垂直有机玻璃管中进行油气水三相流动的研究，他们 运用视觉视频和压降分析方法来识别流动。在表观速度的基础上，将流动型态划分为油 外相和水外相两类共九种流动型态，当流动条件系统地变化时会形成不同的环状膜构 造，膜的厚度和真实相速度在数据分析中起了很大作用。反转点z 。0 7 5 是油外相和水 外相之间的转变界限。在反转点处，会测得持液率的最大值。他们使用n i c k l i n 方程来 计算间歇流纯油液相含率，使用s p e d d i n g - c h e n 关系式来计算环状流的纯水液相含率。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 并提出了一个计算垂直环状流动的纯油液相含率的新公式。 西安交通大学的陈宣政【6 】、王跃社等【3 3 , 3 4 1 也在油气水三相混合物流动领域取得了一 定的成就，分别提出了在水包油和油包水体系下油水混合物粘度等物性参数的计算公 式。王跃社将w e i s m a n 流型转化过渡区的概念应用到油气水三相弹状流流型的研究中， 量化了弹状流转化过渡区的边界。他提出的弹状流的生成转化边界、弹状流的发展转化 边界，很好地包容了前人所得到的弹状流转化边界，为解释众多弹状流边界模型的不一 致性、以及合理认识弹状流的特性提供了更可靠的理论依据。王玮等f 3 5 】也提出了自己的 见解，为油气水三相混合物流动规律研究的进一步发展做出了贡献。 1 3 论文的主要内容 在学习和研究前人工作的基础之上，结合题目的要求，具体完成的工作有： ( 1 ) 对油气水三相混合物在垂直管中的流动进行实验研究，并分析油水间的相反转 对三相混合物流动的影响； ( 2 ) 对油气水三相混合物在垂直井筒中的流动基本状态进行分析，定义其流动型态， 并通过基本方程推导出流型转化的界限条件与各流型的判别准则，为沿程压力梯度计算 模型的建立奠定基础； ( 3 ) 以三相流动机理分析为基础，推导计算了四种流型下的截面含气率； ( 4 ) 以气液分相流动模型为基础，通过对垂直井筒内油气水三相混合物泡状流动、 弹状流动和环状流动结构和机理的分析，建立了计算这四种流型全水相折算系数的理论 模型，并以此来计算油气水三相流动摩擦压力梯度和总压力梯度； ( 5 ) 编制垂直井筒油气水三相混合物流动压力梯度计算软件，并进行实例计算，揭 示出三相流动的流型、截面含气率和压力梯度随折算速度和含水率的变化规律。 7 第2 章油气水三相流动的流型及其转变 第2 章油气水三相流动的流型及其转变 对于单相流体，其流动型态一般可分为层流和湍流。对于两相流动，由于相界面的 存在使问题大为复杂。两相流流型及其转变特性的研究，是两相流研究中最基本也是最 重要的问题之一。流型及其转变特性的研究，是两相流中准确计算摩擦阻力系数、传热 传质系数、相含率的先决条件，是两相流领域从实验科学走向理论科学的前提。 2 0 世纪9 0 年代以来，研究者开始对垂直井筒中的三相流体进行分析，他们认为三 相流体在垂直井筒中流动时，油水并不能按照之前气液两相研究中给出的那样按照含气 率或持液率均匀的混合，油和水有可能是以乳状液的形式存在，因此混合物会具有乳状 液的些特殊性质。但这一研究仍处于初始阶段，其准确性还需要进行验证。 在从井底到井口，油气水气液两相流体的流动型态如图2 1 所示。图中，出现了纯 油流、泡状流、弹状流、过渡流、环状流，一般研究者在进行研究时，都取泡状流、 弹状流、过渡流及环状流这四种典型流型。 耋 亡 一 差 l i v - 一 i i i l l - ： 一； = j ： _ ： 1 ：i 。_ i 一一! 。- 。- ! 附注1 ：i 纯油流：泡状流：弹状流及过渡流；环状流 图2 - 1 垂直井筒气液两相流的流动型态 f i 9 2 1 f l o wp a t t e r n so fg a s l i q u i dt w op h a s ei nv e r t i c a lw e l l b o r e a n n o t a t i o nn o 。1 ：l - p u r eo i lf l o w ；i i b u b b l ef l o w ；i i i s l u gf l o wa n dt r a n s i tf l o w ；i v - a n n u l a rf l o w 由于油水乳状液的影响，在对垂直井筒油气水三相流动的流动型进行分类时，可以 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 从气液界面总体特征和油水界面特征两个方面入手。 从气液界面总体特征来看，垂直上升管内油气水三相流动的流型可分为泡状流、弹 状流、过渡流和环状流。从油水界面特征来看，上述流型又分水包油和油包水两种型态。 水包油型( 简记为o w ) ，是指油水混合物的连续相是水相，油相则以油珠的形式分散在 连续的水相中；油包水型( 简记为w o ) ，是指油水混合物的连续相是油相，水相则以水 珠的形式分散在连续的油相中。这样，垂直上升管内油气水三相流动的流型可分为o w 型的泡状流、弹状流、过渡流及环状流和w o 型的泡状流、弹状流、过渡流及环状流。 2 1 从油水界面入手的流型划分及转变 2 1 1 油水体系w o 型与o 脚型的转变 油水混合物在流动的过程中，由于各相粘度、表面张力、搅动、相速度、温度等原 因，会发生乳化及转相现象。即油水形成油水乳状液，且混合物从水包油型转变为油包 水型，或是相反情况。油水乳状液系统中，o w 型和w o 型两种基本形式在一定条件 下，内相和外相之间可以转化，称为转相。图2 2 表现了油水体系的相反转过程。 转相点 燃鼗采隧固 水福分毽文殷栩 圃篆 散在水l 黜圈 鎏嚣 中l 纯水 圈 兜油台水翠 纯水 图2 - 2 油水分散体系的相反转过程 f i 9 2 - 2 p h a s er e v e r s a lp r o c e s so fo i l - w a t e rd i s p e r s e ds y s t e m 人们对于油水两相流动时的相反转进行了一些研究，得知在转相点处混合物的粘度 发生突变。研究者一致认为各相粘度对转相点起着重要作用，但由于确定转相点的理论 研究不成熟，各学者都从实验入手得到转相点，而且由于各种因素的影响，所得到转相 点的数据大不相同。吴维夫利用陕北油田油样测得的油水两相混合物转相点在含水 7 0 。徐国安测得大港油田稠油在含水6 5 处发生转相。刘文红测得在含水3 3 到5 0 9 第2 章油气水三相流动的流型及其转变 间发生转相。 s p e d d i n g 等【3 0 1 从垂直井简油气水三相流动的实验入手，提出了气相折算速度较高 时，油气水三相混合物在垂直管中持液率、压力梯度随着液相中的含水率变化的变化情 况，得到了油气水三相流动中环状流下油水两相间的转变界限相关式： u 册= 0 3 2 u ( 2 - 1 ) 即液相中含水达到7 5 时，油水两相间发生转相现象。 但是s p e d d i n g 等只着重研究了油气水三相混和物在垂直管中的环状流动条件下的 油水转相，即式( 2 1 ) 一般适用于气相折算速度较大的情况，对于气相折算速度小于1 0 m s 的情况，他们没有进行详细分析。 陈宣政 6 1 根据实验得知，o w 型和w o 型油水混合物的转相发生在含水率一定范 围内。由实验数据，他得到：当厶6 时，油水混合物类型转变界限的经验关系式为 少阳= 0 4 2 ，当厶 6 时，沙阳= 0 0 7 3 + 0 4 4 6 1 9 厶。其中厶为陈宣政定义的相关参数， 其表达式为： r。，=：警。25(告)。5 c 2 2 ， 式中u m 气液混合物的总流速，m $ 。 o - o 油水间的表面张力，n i l l 。 对于不同性质的油相，油水之间的转相点就会不同。y e l 等得出结论，相反转受粘 度而不是界面张力的影响，液滴聚并会加速转相的发生，给出了转相点处含水率与粘度 比的直接关系式。他们的实验( 实验介质在烧瓶内摇晃) 证实了该关系式。他们推导的通 过两相粘度预测转相点处含水率痧的方程为： 南= o d 。) 1 坨 ( 2 - 3 ) y e l 指出如果能用界面粘度以代替连续相粘度。，预测方程性能将得到改善。 a r i r a c h a k a r a n 等根据大量的搅拌器内的实验研究，提出了下面计算临界含水率的公 式： 小陋u s e ) ，= 0 5 - 0 1 1 0 8 1 0 9 l o ， 式中 仉水的粘度，m p a s ； 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 仉原油粘度，m p a s ； u s 矿水的表观速度，m s ； 油水混合物的速度，m s 。 对于高粘油( 粘度 o 2 p a s ) ，s ：大约恒等于o 1 5 。 本文根据实验研究，得出油水两相转相点在含水为4 3 4 7 ，在第6 章中对实验方 法和实验结果进行了详细的介绍。在程序编制中采用4 5 为油水转相点。 2 1 2 油水体系w o 型与o w 型的判别 在一般流动条件下，可以用观察法识别油水混合物是属于w o 型还是o w 型，但 是在转相界线附近，则很难用观察法来判断。 由w o 型和o w 型油水混合物的性质，可以知道w o 型混合物的表观粘度远远 大于o w 型油水混合物。这是由于当油水混合物处于w o 状态时，水相以水滴的形式 分散在连续的油相中，而且被油相包裹，油相润湿管壁且与管中其他流体接触，液相的 粘度主要表现为油相的粘度，而且测量得到的管内油气水三相流体流动的总压降较大； 反之，液相的粘度主要表现为水相的粘度，油相的粘度远远大于水相的粘度，管内三相 流体流动的总压降较小。当液相处于w o 型和o w 型转变界线附近时，在保持气相流 量和液相总流量不变的条件下，如果进一步提高液相的含水率，这种流型下的液相将发 生相反转，总压降将突然减小。反之，若降低含水率，油气水三相流总压降将突然增大。 可以运用观察压降变化的方式来判别w o 型和o w 型混合物之间的转相。 2 2 从气液界面入手的流型划分及转变 从气液界面总体特征入手，各流型存在条件及描述如下： ( 1 ) 泡状流 泡状流一般发生在气相和液相流速均较低时。此种流动型态下，液相作为管内连续 相向上运动；气相则以离散气泡的形式均匀分布在连续的液相中，气泡通常是变形的小 球体，没有均匀的尺寸，分布在整个管子截面上，它们以复杂的方式在液体中运动，其 速度与周围的液体有关，随着气速的增加，发生聚并现象，并且它们的数目、尺寸和流 动速度都增大。 ( 2 ) 弹状流 随着气速的增加，液相中气泡的密度增大，小气泡聚合成为大气泡，流动转变为弹 状流。弹状流是一种气液间歇流动，其特征是大部分气体位于被称为t a y l o r 气泡的子弹 第2 章油气水三相流动的流型及其转变 状的大气泡中，这些气泡的直径几乎等于管径，它们均匀地向上运动。两个相邻的t a y l o r 气泡被连续的液体段所分割，液段内充满了小气泡；每一个t a y l o r 气泡与管壁之间，液 体以薄的液膜形式向下流动。在液体速度较低时气相与液相间有明显的分界线，而在液 体速度较高时分界线则不太明显。 ( 3 ) 过渡流 当气速进一步增大，t a y l o r 气泡破裂，流动成为一种不稳定的间歇流，称之为过渡 流。它与弹状流很类似，但是却有着本质的区别：两个连续的t a y l o r 气泡间液段的连续 性被液段中高度密集的气泡所破坏。当这种流动发生时，液段向下运动，液体不断累积， 形成连通管子的桥梁，然后又被气体抬升，最终由于t a y l o r 气泡的合并使之瓦解，并再 次回落，这一流动极其复杂。典型的过渡流就是以这种液体运动方向的振荡为特征的。 ( 4 ) 环状流 气速的增大使流动发生根本的转变，形成环状流，气相由原来的非连续相变为连续 相。这一流动的特征是气相沿着管子形成连续的气芯，液相一部分以波状液膜的形式在 气芯与管壁之间以相对较小的速度向上运动，另一部分以液滴的形式夹带于气芯中。当 气相速度比液膜速度高出很多时，由于气液界面间剪切力的作用，越来越多的液体以液 滴的形式被卷入气芯，直到液体几乎全部是以液滴的形式被夹带于气核内。 2 2 1 泡状流向弹状流的转变 泡状流中的小气泡在液体中上升时，通常是以不规则的路线前进的。这就导致了小 气泡的碰撞，随之发生聚集，形成大气泡。这一聚集过程随着气体流量的增大而加快。 当气泡的碰撞与聚集达到某一程度时，泡状流将转变为弹状流。因此，对泡状流向弹状 流的转变起着决定作用的是截面含气率，即气体体积在整个截面上所占的比例。许多学 者【1 7 , 1 8 t 1 - f 实，泡状流向弹状流的转变发生在截面含气率为0 2 5 - - 一0 3 时。在这里，取 口g 2 0 2 5 。 决定空隙率大小的因素是流动系统的物理和力学参数，包括管径、液体和气体的物 性，各相流体的流量。 t a i t e l 3 6 】给出了泡流产生的最小直径，如下式： 儿硼川 掣 0 5 p 5 ， 当管道尺寸大于式( 2 5 ) 所给出的值，造成泡状流向弹状流转变的基本机理就是小的 气泡合并成大的t a y l o r 气泡。 一! 墅塑奎兰! 兰銮! 堡主兰垡笙壅 从油气水三相混合物流动参数的定义【2 ，5 】，可以知道对于气相、液相的真实速度和折 算速度，有= 等和吮= f w 瓦s z ，设乩= 一叽为气泡在静止液体中的上升速度， 则有 2 等一( 1 吨鼽 ( 2 - 6 ) 式中 u m 气相表观速度( 折算速度) ，：睾，m s ； u 乩液相表观速度，u 乩= 鲁= 垒鼍导，n 1 s ； _ 相真实速度，= 鲁= 去，m s ； 叽一黼欺速度川c2 矿q _ _ b l 糌，峨 如、q 气相、液相的体积流量，m 3s ； 彳管道截面积，a = a o + 4 ，m 2 ： 口g 截面含气率，即空隙率，无因次。 把口g = 0 2 5 代入式( 2 - 6 ) ，即可得到 u s a23 u s o 一0 7 5 u o ( 2 7 ) 当气相表观速度继续增大，泡状流向弹状流发生转变，即 1 0 2 5 u o + 丢 ( 2 8 ) a n s a r i 1 8 1 通过修正z u b e r 和h e n c h 3 7 1 定义的低流速下气泡群在液相中的上升速度， 得到计算气泡相对上升速度u o 的公式如下： u o = 1 5 3 芑竽r 弘9 ， 式中 仃气液界面间的表面张力，n m 。 将式( 2 9 ) 代入式( 2 7 ) ，即得到泡状流向弹状流的转变界限： 3 坠u _ l + 掣n 2 5u 皿一乩 毕“7 在式( 2 9 ) 及式( 2 1 0 ) 中，液相即油7 k 混合物的密度计算公式为 第2 章油气水三相流动的流型及其转变 p l = p o ( 1 一沙矿) + p l l f ，( 2 1 1 ) 式中 y 一液相中的含水率，= 西q w = 焘，无因次； 砌、p w 、p 油相、水相、液相的密度，k g m 3 。 粘度的计算也如密度计算方法一样，通过将油相粘度和水相粘度对各相份额的加权 平均得到。这种计算方法可以简化整个系统的计算，但是考虑到油水混合物存在转相的 现象，本文对油包水和水包油两种流型下的油水粘度计算采用不同的公式。 随着油水混合物中含水率的增大，混合物的粘度会增大，当含水率超过某临界值时， 油水混合物将发生从油包水到水包油的转相，粘度急剧下降，当进一步