2-气液两相管流分析PPT课件

1、2021/3/2,1,图2-1 自喷井生产系统及压力损失,2021/3/2,2,第二节 气液两相管流基本概念及基本方程,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,2021/3/2,3,一、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，由于气液两相间的密度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,2021/3/2,4,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

2、积流量与气液混合物总体积流量的比值。（条件：,关系,2021/3/2,5,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,2021/3/2,6,混合物密度,存在滑脱,无滑脱,滑脱损失,2021/3/2,7,二、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,2021/3/2,8,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

3、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,2021/3/2,9,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,2021/3/2,10,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,2021/3/2,11,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

4、整的流型变化,总结,2021/3/2,12,2. 水平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,2021/3/2,13,大气泡沿管子顶部流动，管子下部为液流,间歇流,塞流,段塞流,大液体段塞流与几乎充满管子的高速气泡的交替流,2021/3/2,14,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,15,四、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,2021/3/2,16,单相流,多相流,水平管流(=0)，且忽略动能,2021/3/2,17,分析,泡流 段塞流 过

5、渡流 雾流,井筒L处p，T,L=L1, L2, L3-Ln,p=p1p1+p2 - pn-1,2021/3/2,18,迭代计算步骤,pwf，Twf,p1=pwfp1,p1，T2,p1=pwfpx,pwf,Bo,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,px2,px,- px2E,p1=pwfpx2,H,2021/3/2,19,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 PoettmannCarpenter 80s 陈家琅 (NRe)2,经验相关式,1963 Dun

6、sRos无因次化处理 NvL、Nvg、ND、NL 1965 HagedormBrown现场实验 1967 Orkiszewski流型组合 1973 BeggsBrill倾斜管实验 1985 MukherjeeBrill改进实验条件,现代机理模型,1985 Hasan & Kaber 1990 Ansari,2021/3/2,20,Orkiszewski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,2021/3/2,21,1.总压降梯度公式,一般动能较小，只在雾流情况下才有意义。

7、 只考虑气体的压缩性,2021/3/2,22,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,2021/3/2,23,2、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,2021/3/2,24,Ros流型图版,25,NGV LS NGV LM 雾状流,段塞流与过渡流界限值为,雾流与过渡界限值为,泡流与段塞流分界,2021/3/2,26,vm,qG/qm,1.0,0.13,泡流与段塞流分界,27,Orkiszewski方法流型界限,2021/3/2,28,四、混合物密度与摩阻梯度的计算,a.混合物

8、的密度,1）泡流,与滑脱速度有关,实验表明：泡流时vs=0.244,2021/3/2,29,p,T状态,标准状态,生产油气比,溶解油气比,2021/3/2,30,2021/3/2,31,b.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（NRe2300,2021/3/2,32,2.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,2021/3/2,33,vs计算方法一,2021/3/2,34,vs计算方法二,当Nb3000时,当3000Nb8000时,当Nb8000时,2021/3/2,3

9、5,b.摩阻梯度,36,3.雾状流,a.混合物密度,雾状流一般发生在高气液比、高流速条件下，液相以小液滴形式分散在气柱中呈雾状，这种高速气流携液能力强，其滑脱速度甚小，一般可忽略不计,37,b.摩阻梯度,2021/3/2,38,确定e/D 根据无因次韦伯系数选择公式,当Nw0.05时,当Nw0.05时,液膜的相对粗糙度，取0.0010.5,39,4过渡流 用段塞流和雾流计算后内插,2021/3/2,40,qo= 38 m3/d，qg= 2027.4 m3/d，g= 0.85 g= 0.65，pb = 8.66 MPa，pwh = 2.352 MPa Twh = 25，T = 3 /100m，d

10、ti = 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，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=0.6MPa,2021/3/2,41,4）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、L

11、S、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/dhH,2021/3/2,42,8） 比较P与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,2021/3/2,43,二、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,根据所测

12、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、定向井和水平井的两相管流压力计算,2021/3/2,44,Mukherjee 和 Brill（1985,对比,2021/3/2,45,与水平方向的夹角（ 0+90o,a. 持液率,2021/3/2,46,无因次液相粘度,无因次液相速度,无因次气相速度,2021/3/2,47,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,2021/3/2,48,fm为相对持液率HR和无滑脱摩阻系数fns 的函数 确定步骤：

13、(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,2021/3/2,49,三、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、环空外管有效粗糙度。 eo应考虑油管或抽油杆接箍的局部摩阻影响,2021/3/2,50,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,2021/3/2,51,13

14、-405井压力计算结果对比,13-117井压力计算结果对比,2021/3/2,52,2021/3/2,53,HagedornBrown方法,无滑脱,滑脱压降,2021/3/2,54,第四节 油井井筒传热模型及温度计算,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,2021/3/2,55,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,2021/3/2,56,流体-地层稳定传热,忽略油管内壁水膜及金属的热阻,2021/3/2,57,热流梯度方程,地层内不稳定传热,2021/3/2,58,热流梯度,

15、比焓梯度,能量方程,井筒温降梯度方程,2021/3/2,59,松弛距离A 任意流通断面的地温（静温）按井筒内流体流动温度梯度gf，折算到流温曲线所产生的相对距离,2021/3/2,60,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,2021/3/2,61,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、Shi

16、u & Beggs温度计算方法,考虑油井在稳定生产情况下，上述物性等参数变化不大，故均视为常数，导出任意z截面的温度,2021/3/2,62,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,2021/3/2,63,第五节 嘴流动态,一、单相气体嘴流,若p1const 下游压力p2降低，qsc增大。 当p2 pc时，流量达到最大值即临界流量。 p2降低，流量不变,2021/3/2,64,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,2021/3/2,65,根据气体嘴流的等熵原理，对于亚临界