第0绪论-1章油井流入动态与井筒多相流动计算

1、教师：管英柱教师：管英柱 ( 石石 油油 工工 程程 学学 院院) 管英柱管英柱 男男 吉林白山人吉林白山人 1992.91996.6：江汉石油学院开发系采油工程专业；：江汉石油学院开发系采油工程专业； 1996.72001.8：中石油吉林油田前大采油厂；：中石油吉林油田前大采油厂； 2001.92007.6：成都理工大学能源学院油气田开发工程：成都理工大学能源学院油气田开发工程 专业（硕博）；专业（硕博）； 2007.7 长江大学石油工程学院长江大学石油工程学院 主讲：采油工程、储层改造主讲：采油工程、储层改造 联系方式：联系方式： TelE-mail: QQ:93

2、896655 答疑地点：答疑地点：9教教-100号号 自我介绍自我介绍 绪绪 论论 采油工程的定义采油工程的定义 采油工程的任务及目标采油工程的任务及目标 3. 课程内容介绍课程内容介绍 4. 本学科发展趋势本学科发展趋势 5. 课程特点课程特点 6. 学习方法与要求学习方法与要求 7. 授课计划授课计划. 8. 主要参考书目主要参考书目 9. 课堂要求及考核方式课堂要求及考核方式. 采油工程是油田开采过程中根据开发目标通过采油工程是油田开采过程中根据开发目标通过 产油井和注入井产油井和注入井对油藏采取的各项对油藏采取的各项工程技术措施的工程技术措施的 总称。总称。 1.采油工程的定义采油工程

3、的定义 油田开发是一项庞大而复杂的系统工程，采油油田开发是一项庞大而复杂的系统工程，采油 工程是其重要的组成部分和实施的核心。工程是其重要的组成部分和实施的核心。 2.采油工程研究的任务及目标采油工程研究的任务及目标 任务：通过一系列可作用于油藏的工程技术措施，使油、任务：通过一系列可作用于油藏的工程技术措施，使油、 气畅流入井，并高效率的将其举升到地面分离和计量。气畅流入井，并高效率的将其举升到地面分离和计量。 实现有效举升 油气畅流入井 地面计量和分离 经济有效地提高：油井产量 原油采收率 我们知道，原油的开采包括从地层我们知道，原油的开采包括从地层井筒井筒地地 面，围绕这开采过程，课程的

4、主要内容包括如下几面，围绕这开采过程，课程的主要内容包括如下几 个方面：个方面： .课程的主要内容简介课程的主要内容简介 地层地层 井筒井筒 地面地面 油层改造油层改造 油井管理油井管理 主要内容：主要内容： .本学科的发展趋势本学科的发展趋势 目前，我国多数油田，尤其是东部油田，目前，我国多数油田，尤其是东部油田， 经历了几十年高强度的强化开采，经历了几十年高强度的强化开采，已进入已进入“高高 含水、高采出程度、高投入含水、高采出程度、高投入”阶段阶段，稳产的基，稳产的基 础变得较为薄弱。经过多次注采调整，础变得较为薄弱。经过多次注采调整，剩余油剩余油 分布比较分布比较零散零散，使过去行之有

5、效的增产控潜措，使过去行之有效的增产控潜措 施已不再得心应手，提高采收率变得十分困难。施已不再得心应手，提高采收率变得十分困难。 为此，探索采油新技术，是采油工作者的当务为此，探索采油新技术，是采油工作者的当务 之急。之急。 （1）微生物采油技术）微生物采油技术 （2）震动采油技术）震动采油技术 （3）热化学采油技术）热化学采油技术 （4）聚合物驱油技术）聚合物驱油技术 （5）CO2驱油技术驱油技术 （6）注水井化学调剖技术）注水井化学调剖技术 （7）水平井及分支水平采油技术）水平井及分支水平采油技术 （8）地层清洗采油技术）地层清洗采油技术 下面就几种采油新技术做一简单介绍下面就几种采油新技

6、术做一简单介绍。 5.采油工程特点：采油工程特点： 原油的开采包括从地层原油的开采包括从地层井筒井筒地面，采油工地面，采油工 程的特点是：程的特点是： 6.采油工程学习方法与要求：采油工程学习方法与要求： 学习方法与要求学习方法与要求:重视听课重视听课,加强理解加强理解; 记好笔记记好笔记,及时答疑及时答疑; 独立练习独立练习,总结记忆；总结记忆； 联系普遍联系普遍,善于归纳。善于归纳。 a、上课认真听讲，做好笔记；、上课认真听讲，做好笔记； b、自己应查阅相关参考书籍及文献；、自己应查阅相关参考书籍及文献； c、认真完成布置的作业（作业要独立完成）。、认真完成布置的作业（作业要独立完成）。

7、7.授课计划授课计划 绪论（1学时） 第一章 油井流入动态与井筒多相流动计算（5学时） 第二章 自喷与气举采油（10学时） 第三章 有杆泵采油（12学时） 第四章 无杆泵采油（6学时） 第五章 注水（6学时） 第六章 水力压裂技术（8学时） 第七章 酸处理技术（8学时） 第八章 复杂条件下的开采技术（4学时） 第九章 完井方案设计与试油（自学） 第十章 采油工程方案设计概要（自学） 总学时总学时6464学时学时 理论学时理论学时60 60 实验学时实验学时4 4 8.主要参考书目主要参考书目 1、升举法采油工艺（卷、升举法采油工艺（卷1.2.4），石油工业出版社，），石油工业出版社， K.E.

8、布朗。布朗。 2、采油工艺原理，石油工业出版社，王鸿勋、张、采油工艺原理，石油工业出版社，王鸿勋、张 琪。琪。 3、高新采油技术，石油工业出版社，王仲茂、王、高新采油技术，石油工业出版社，王仲茂、王 怀彬、胡三力编。怀彬、胡三力编。 4、水力压裂技术新发展，石油工业出版社，、水力压裂技术新发展，石油工业出版社，J.L.吉吉 维利等著。维利等著。 5、石油勘探开发技术（上），石油工业出版社，、石油勘探开发技术（上），石油工业出版社， 常子恒主编。常子恒主编。 6、有杆抽油设备与技术系列丛书、有杆抽油设备与技术系列丛书。 9.课堂要求及考核方式：课堂要求及考核方式： 听课原则听课原则: :课堂上不

9、准吃早餐、不准讲话课堂上不准吃早餐、不准讲话, , 可以申请全课程自学可以申请全课程自学. .课堂提问算入课堂提问算入 平时成绩平时成绩. . 作业要求作业要求: :按时且独立完成按时且独立完成, ,不准抄袭不准抄袭( (雷同者雷同者 双方记双方记0 0分分).).不按时交者成绩降一档不按时交者成绩降一档. . 考核方式考核方式: :平时成绩平时成绩20%+20%+期末考试期末考试80%.80%. 平时成绩平时成绩= =课堂考勤课堂考勤+ +笔记笔记+ +作业作业+ +课堂提问课堂提问. . 缺课三次或作业三次不交者平时成缺课三次或作业三次不交者平时成 绩为绩为0 0分分, ,总评成绩总评成绩

10、= =期末考试成绩期末考试成绩. . 主要内容： 油井流入动态 井筒气液两相流基本理论 气液两相管流实用计算方 法 油井生产系统组成 油层到井底的流动 (地层渗流) 井底到井口的流动 (井筒多相管流) 井口到分离器 (地面水平或倾斜管流) 油井 生产 的三 个基 本流 动过 程 气液两相流 基本理论 油井流入动态 第一节 油井流入动态（IPR曲线） 油井流入动态： 油井产量(qo) 与井底流动压力(pwf) 的关系，反 映了油藏向该井供油的能力。 基本概念 油井流入动态曲线： 表示产量与流压关系的曲线，简称IPR曲线。 Inflow Performance Relationship Curve

11、 图1-1 典型的流入动态曲线 IPR曲线基本形状 与油藏驱动类型驱动类型有 关。即使在同一驱 动方式下，还将取 决于油藏压力、油 层厚度、渗透率及 流体物理性质等。 pr qomax 一、 单相液体流入动态 a s r r B pphk q w e oo wfro o 2 1 ln )(2 供给边缘压力不变、圆形地层中心一口井的 产量公式为： （1-1） a s r r B pphk q w e oo wfro o 4 3 ln )(2 圆形封闭油藏、拟稳态条件下产量公式为： （1-2） 图1-2 泄油面积形状与油井的位置系数 对于非圆形封闭泄 油面积的油井产量 公式，可根据泄油 面积和油井

12、位置进 行校正。 X r r w e 单相流动时，油层物性及流体性质基本不随压力单相流动时，油层物性及流体性质基本不随压力 变化。变化。 采油指数采油指数可定义为: 单位生产压差下的油井产油量，是反映油层性 质、厚度、流体参数、完井条件及泄油面积等与产 量之间的关系的综合指标。 s r r B hak J w e oo o 2 1 ln 2 )( wfro ppJq a s r r B pphk q w e oo wfro o 2 1 ln )(2 wfr pp 生产压差生产压差 )( wfr o pp q J 直线型直线型 采油指数J的获得： 试井资料：试井资料：测得测得3 35 5个稳定工

13、作制度下的产量及其流压，个稳定工作制度下的产量及其流压， 便可绘制该井的实测便可绘制该井的实测IPRIPR曲线，取曲线，取其斜率的负倒数其斜率的负倒数 油藏参数计算油藏参数计算 对于单相液体流动的直线型对于单相液体流动的直线型IPRIPR曲曲 线，采油指数可定义为线，采油指数可定义为产油量与生产油量与生 产压差之比产压差之比，也可定义为，也可定义为每增加单每增加单 位生产压差时，油井产量的增加值位生产压差时，油井产量的增加值， 或或IPRIPR曲线斜率的负倒数曲线斜率的负倒数。 注意事项： 因此，对于具有非直线型因此，对于具有非直线型IPRIPR曲线的油井，在使用采油指数时，曲线的油井，在使用

14、采油指数时， 应该说明相应的流动压力，不能简单地用某一流压下的采油指应该说明相应的流动压力，不能简单地用某一流压下的采油指 数来直接推算不同流压下的产量。数来直接推算不同流压下的产量。 2 DqCqpp wfr hak sXB C o oo 2 ) 4 3 (ln w o rh B D 22 2 13 4 103396. 1 当油井产量很高时，井底附近将出现非达西渗流非达西渗流： 201. 1 7 10906. 1 k 胶结地层的紊流速度系数： 55. 0 6 1008. 1 k g 非胶结地层紊流速度系数： C、D值也可用试井资料获取值也可用试井资料获取 DqC q pp wfr )( dp

15、 B K r r kh q e wf p p oo ro w e o ln 2 dr dp B hrk q oo o o 2 二、 油气两相渗流时的流入动态 o、Bo 、Kro都是压力的函数。用上述方法绘制IPR曲 线十分繁琐。通常结合生产资料来绘制通常结合生产资料来绘制 IPR曲线。曲线。 平面径向流，直井油气两相渗流时油井产量公式为： (一)垂直井油气两相渗流时的流入动态 1.1.Vogel Vogel 方法方法(1968)(1968) 假设条件： a.圆形封闭油藏，油井位于中心； b.均质油层，含水饱和度恒定； c.忽略重力影响； d.忽略岩石和水的压缩性； e.油、气组成及平衡不变；

16、f.油、气两相的压力相同； g.拟稳态下流动，在给定的某一瞬间，各点的脱气 原油流量相同。 数值模拟结果数值模拟结果 的总结的总结 2 max 8 . 02 . 01 r wf r wf o o p p p p q q 归一化曲线归一化曲线 Vogel方程 经典方经典方 程程 2 max 8 . 02 . 01 r wf r wf o o p p p p q q 8 . 02 . 01 2max r testwf r testwf testo o p p p p q q maxo q a.计算 max 2 8 . 02 . 01 o r wf r wf o q p p p p q c.根据给定

17、的流压及计算的相应产量绘制IPR曲线 b.给定不同流压，计算相应的产量： 、已知地层压力和一个工作点、已知地层压力和一个工作点( qo(test) , pwf(test) ) 利用Vogel方程绘制IPR曲线的步骤 A ACBB pr 2 4 2 1 2 1 q q A 12 2 1 2 . 0 wfwf pp q q B 2 1 2 2 2 1 8 . 0 wfwf pp q q C 、已知两个工作点，油藏压力未知、已知两个工作点，油藏压力未知 a. 油藏平均压力的确定：已知或利用两组qopwf 测 试计算，即 maxo q b.计算 c. 由流入动态关系式计算相关参数 图2-4 计算的溶解

18、气驱油藏油井IPR曲线 1-用测试点按直线外推；2-计算机计算值；3-用Vogel方程计算值 Vogel曲线与数值模拟IPR曲线的对比 对比结果：对比结果： 按按Vogel方程计算的方程计算的IPR曲线，最大误差出现在用小曲线，最大误差出现在用小 生产压差下的测试资料来预测最大产量时，但一般生产压差下的测试资料来预测最大产量时，但一般 误差低于误差低于5。虽然随着采出程度的增加到开采末期虽然随着采出程度的增加到开采末期 误差上升到误差上升到20左右，但其绝对值却很小左右，但其绝对值却很小。 如果用测试点的资料按直线外推，最大误差可达如果用测试点的资料按直线外推，最大误差可达 70 80，只是在

19、开采末期约，只是在开采末期约30%。 采出程度采出程度 Np 对油井流入动态影响大，而对油井流入动态影响大，而kh/、Bo、 k、So等对其影响不大。等对其影响不大。 dp B k s r r kh q r wf p p oo ro w e o 4 3 ln 2 2.费特柯维奇方法 溶解气驱油藏溶解气驱油藏 假设假设( (k kro ro/ / o oB Bo o) )与压力 与压力p p 成线性关系，则成线性关系，则 其中，其中， r p oo ro r B k p c 1 2 2 2 4 3 ln 2 4 3 ln 2 wfr w e p p w e o pp c s r r kh cpd

20、p s r r kh q r wf r wfr p oo ro w e o p pp B K s r r kh q r 2 4 3 ln 2 2 2 所以： 2 max 1 r wf oo p p qq)( 2 2 wfro ppJ 当 时：0 wf p 2 4 3 ln 2 max r P oo ro w e o pK s r r kh q r r p oo ro w e o pB K s r r kh J r 2 1 4 3 ln 2 令：令： 费特柯维奇费特柯维奇 基本方程基本方程 3.3.不完善井不完善井VogelVogel方程的修正方程的修正 油水井的不完善性： 射孔完成射孔完成打开

21、性质不完善打开性质不完善； 未全部钻穿油层未全部钻穿油层打开程度不完善打开程度不完善； 打开程度和打开性质打开程度和打开性质双重不完善双重不完善； 在钻井或修井过程中油层受到损害或进行酸化、压在钻井或修井过程中油层受到损害或进行酸化、压 裂等措施，从而改变油井的完善性。裂等措施，从而改变油井的完善性。 图1-5 完善井和非完善井周围 的压力分布示意图 油井的流动效率FE： 油井的理想生产压差与实际生产压差之比油井的理想生产压差与实际生产压差之比 wfr skwfr wfr wfr pp ppp pp pp FE wfwfsk ppP 为为“正正”称称“正正”表皮，油井不完善；表皮，油井不完善；

22、 为为“负负”称称“负负”表皮，油井超完善。表皮，油井超完善。 sk P sk P 完善井完善井 w e oo wfeo o r r B pphk q ln )(2 非完善井非完善井 w s ss e o o wfe o r r kr r k B pph q ln 1 ln 1 )(2 0 w s s o o ooo wfwfsk r r k k hk Bq pppln1 2 令： w s s o r r k k sln1 s hk Bq p o ooo sk 2 非完善井表皮附加压力降 于是于是 wfwfsk ppP 表皮系数或井壁阻力系数表皮系数或井壁阻力系数S S 0s1FE 油层受污染

23、的或不完善井，油层受污染的或不完善井， 0s1FE完善井完善井, , 0s1FE 增产措施后的超完善井，增产措施后的超完善井， 表皮系数表皮系数S S 通常由试井方法获得通常由试井方法获得 利用流动效率计算直井流入动态的方法 Standing方法(1970) (FE=0.5 1.5) 图1-6 FE 1时的无因次IPR曲线(standing IPR曲线) 2 max 8 . 02 . 01 r wf r wf o o p p p p q q FEpppp wfrrwf )( a.根据已知根据已知pr和和pwf计算在计算在FE=1时最大产量时最大产量 2)1max( 8 . 02 . 01 r

24、wf r wf o FEo p p p p q q FEpppp wfrrwf )( standing方法计算不完善井IPR曲线的步骤： 2 1max 8 . 02 . 01 R wf r wf FEoo P P P P qq b.b.预测不同流压下的产量预测不同流压下的产量 c.c.根据计算结果绘制根据计算结果绘制IPRIPR曲线曲线 Harrison方法 (FE=1 2.5) 图1-7 Harrison无因次IPR曲线(FE1) ) 1( max FE q q o o 图 2 - 7 H a r r i s o n无 因 次 I P R曲 线 ( F E 1 ) )1max()1max(

25、/ FEoooFEo qqqq HarrisonHarrison方法可用来计算高流动效率井的方法可用来计算高流动效率井的IPRIPR 曲线和预测低流压下的产量。其计算步骤如下：曲线和预测低流压下的产量。其计算步骤如下： a.计算FE=1时的qomax 先求先求pwf/pr，然后查图然后查图1-7中对应的中对应的FE曲线上的相应值曲线上的相应值 qo/qomax(FE=1)， ，则 则 1max 1max FEo o FEoo q q qq b.计算不同流压下的产量 c.根据计算结果绘制IPR曲线 d.求FE对应的最大产量，即pwf=0时的产量 1max max 1maxmax FEo FEo

26、FEoFEo q q qq 2 pCpBAq (二)斜井和水平井的IPR曲线 1990年，Cheng对溶解气驱油藏中斜井和水平井进 行了数值模拟，并用回归的方法得到了类似Vogel 方程的不同井斜角井的IPR回归方程： p=pwf/pr； q=qo/qomax ；A、B、C为取决于井斜 角的系数 优点：优点：使用简单，仅需一组测点，便可得使用简单，仅需一组测点，便可得IPR曲线曲线 缺点：缺点：方程没有归一化，方程没有归一化， 0 0 max orwf oowf qpp qqp 时， ；时， 19891989年，年，BendakhliaBendakhlia等用两种三维三相黑油模拟器研究等用两种

27、三维三相黑油模拟器研究 了多种情况下溶解气驱油藏中水平井的流入动态关系。得了多种情况下溶解气驱油藏中水平井的流入动态关系。得 到了不同条件下到了不同条件下IPRIPR曲线。曲线。 图1-8 拟合的IPR曲线与实际曲线的对比 _拟合的IPR曲线,实际曲线 曲线表明：早期的IPR曲线近似于直线,随着采出程 度增加,曲度增加,接近衰竭时曲度稍有减小。 n r wf r wf o o p p v p p v q q 2 max 11 Bendakhlia建议用以下公式来拟合IPR曲线图： 图1-9 参数v、n与采出程度之间的关系 IPR曲线的应用曲线的应用 油井流入动态反映了油藏向该井供油的能力。 根

28、据测试资料确根据测试资料确 定定IPR曲线。曲线。 根据根据IPR曲线确曲线确 定流压和产量的定流压和产量的 对应关系。对应关系。 pr qomax dp B K r r kh q r wf p p oo ro w e o 4 3 ln 2 三、prpbpwf时的流入动态 （1）基本公式 当油藏压力高于饱和压力，而流动压力低于饱 和压力时，油藏中将同时存在单相和两相流动，拟稳 态条件下产量的一般计算表达式为: 需要分段需要分段 积分积分 图1-11 组合型IPR曲线 （2）实用计算方法 )( wfro ppJq 当pwfpb时，由于油藏中全部为单相液体流动 流入动态公式为： )(8 . 02

29、. 01 2 b wf b wf cbo p p p p qqq 8 . 1 b c Jp q )( brb ppJq流压等于饱和压力时的产量为： 当pwf 1 ) 1.1.三种曲线图版的坐标轴都是无因次坐标。三种曲线图版的坐标轴都是无因次坐标。 2.2.利用三种曲线图版求油井利用三种曲线图版求油井IPRIPR曲线的方法相同。曲线的方法相同。 3.Harrison3.Harrison方法是方法是StandingStanding方法的扩展；方法的扩展； StandingStanding方法方法 是是VogelVogel方法的扩展。方法的扩展。 联系联系 1.1.三种图版对应的油井流动效率范围不同

30、三种图版对应的油井流动效率范围不同 2.Harrison2.Harrison方法和方法和StandingStanding方法图版中的最大产液量是方法图版中的最大产液量是FE=1FE=1 时的最大产液量，不是油井实际的最大产液量。时的最大产液量，不是油井实际的最大产液量。 3.Harrison3.Harrison方法的图版可以获得高流动效率井和低流压井的方法的图版可以获得高流动效率井和低流压井的 最大产液量，而最大产液量，而StandingStanding方法不能。方法不能。 区别区别 ) 1( max FE q q o o 图 2 - 7 H a r r i s o n无 因 次 I P R曲

31、 线 ( F E 1 ) 基本概念：油井流入动态；采液指数；表皮系数；流动效率基本概念：油井流入动态；采液指数；表皮系数；流动效率 基本方法：基本方法：IPR曲线求取曲线求取 基本方法的扩展与修正：基本方法的扩展与修正： 液相液相 气液两相气液两相 液相液相+ 气液气液 油气水三相油气水三相 采液指数采液指数 Vogel 组合式组合式 Petrobras uStanding Harrison u水平井、定向井水平井、定向井 表皮效应表皮效应:由于钻井、完井、由于钻井、完井、 作业或采取增产措施，使作业或采取增产措施，使 井底附近地层的渗透率变井底附近地层的渗透率变 差或变好，从而引起附加差或变

32、好，从而引起附加 流动压力的效应。流动压力的效应。 流入动态研究方法流入动态研究方法 VogelVogel方法方法 费特柯维费特柯维 奇方法奇方法 StandingStanding方法方法 HarrisonHarrison方法方法 直井直井斜井斜井水平井水平井 油气两相油气两相油气水三相油气水三相 ChengCheng方法方法 完善井完善井不完善井不完善井 PetrobrasPetrobras方法方法 BendakhliaBendakhlia方法方法 BorisovBorisov方法方法 EconomidesEconomides方法方法 JoshiJoshi方法方法 GigerGiger方法方

33、法 MutalikMutalik等方法等方法 例：例：A A井位于正方形泄油面积的中心，井位于正方形泄油面积的中心， , 3, 2 . 1,1 . 0,104 24 sBmrmA ow 根据系统试井，计算根据系统试井，计算 （流动系数） o o Ro hk PJ , 采油指数 pwf11.210.29.79.1 q16.135.946.157.9 。MPapwf时的产量及8 . 8 例题例题 pwf11.210.29.79.1 q16.135.946.157.9 平均地层压力平均地层压力 Mpa m pp qq J wfwf oo o 3 21 12 20 911 2060 2 2）计算采油指

34、数）计算采油指数 3 3）查表得）查表得 smPa mm pasm s r r BJ hk r r w e o o o w e 2 39 4107. 0)/(104107. 0 2 ) 4 3 (ln 1142 1 . 0 40000571. 0 4 4）直线外推至）直线外推至q=0,q=0,求得求得.12MpaP R 5 5）Pwf=8.8MPaPwf=8.8MPa时时 Qo=20(12-8.8)=64m3 已知D井平均地层压力为16MPa ，Pb为13MPa,Pwf为8MPa时的 产量为71.45m3/d，试计算Pwf 为14MPa和7MPa时的产量并绘 制该井的 IPR曲线。 例例 题题

35、 b qJ和 2 2 3 10.2()0.8() 1.8 71.45 1388 161310.2()0.8() 1.81313 10/( .) o wfwf b rb bb q PP P J PP PP md MPa = 3 ()10161330/ rbb J PPmqd maxoc qq 和 3 10 13 72.22/ 1.81.8 b c J mdq P x 3 ma 3072.22102.22/ bco qqmqd 1 14 wf PMPa 3 1 ()1016 1420/ orwf qJ PPmd 2 7 wf PMPa 2 2 2 3 1 0.20.8() 77 3072.221

36、0.20.877.69/ 1313 wfwf o bb cb q PP q PP m q d Pwf,MPa 161414870 Qo,m3/d 0203071.4 5 77.69102.22 第二节 井筒气液两相流基本概念 相的概念相的概念 相是体系中具有相同化学组成和物理性质的一部 分 ，与体系的其它均匀部分有界面隔开 例如：例如：水水-冰系统、泥浆、油冰系统、泥浆、油-气气-水等均是多相体系水等均是多相体系 油气是深埋于地下的油气是深埋于地下的流体流体矿藏矿藏 采油设备的优化设计和工况分析、油气集输设计等采油设备的优化设计和工况分析、油气集输设计等都离不开都离不开 气液两相流气液两相流的

37、理论与计算方法的理论与计算方法 随压力的降低，溶解气将不断从原油中逸出，因此，井筒中随压力的降低，溶解气将不断从原油中逸出，因此，井筒中 将不可避免地出现将不可避免地出现气液两相流动气液两相流动。 一、井筒气液两相流动的特性 (一)气液两相流动与单相液流的比较 比较项目单相液流气液两相流 能量来源井底流压 井底流压 气体膨胀能 能量损失 重力损失 摩擦损失 重力损失 摩擦损失 动能损失 流动型态基本不变流型变化 能量关系简单复杂 流动型态（流动结构、流型）： 流动过程中油、气的分布状态。流动过程中油、气的分布状态。 (二)气液混合物在垂直管中的流动结构变化 纯液流 当井筒压力大于饱和压力时，天

38、然气溶解在原油中， 产液呈单相液流。 影响流型的因素： 气液体积比、流速、气液界面性质等。气液体积比、流速、气液界面性质等。 泡流 井筒压力稍低于饱和压力时，溶解气开始从井筒压力稍低于饱和压力时，溶解气开始从 油中分离出来，气体都以小气泡分散在液相中。油中分离出来，气体都以小气泡分散在液相中。 滑脱现象： 混合流体流动过程中，由于流体间的密度 差异，引起的小密度流体流速大于大密度流体 流速的现象。 如：油气滑脱、气液滑脱、油水滑脱等。 特点：气体是分散相，液体是连续相； 气体主要影响混合物密度，对摩擦阻力影响不大； 滑脱现象比较严重。 段塞流 当混合物继续向上流动，压力逐渐降低，当混合物继续向

39、上流动，压力逐渐降低， 气体不断膨胀，小气泡将合并成大气泡，直到气体不断膨胀，小气泡将合并成大气泡，直到 能够占据整个油管断面时，井筒内将形成一段能够占据整个油管断面时，井筒内将形成一段 液一段气的结构。液一段气的结构。 特点：气体呈分散相，液体呈连续相；气体呈分散相，液体呈连续相； 一段气一段液交替出现；一段气一段液交替出现； 气体膨胀能得到较好的利用；气体膨胀能得到较好的利用； 滑脱损失变小；滑脱损失变小； 摩擦损失变大。摩擦损失变大。 环流 油管中心是连续的气流而管壁油管中心是连续的气流而管壁 为油环的流动结构。为油环的流动结构。 特点：气液两相都是连续相；气液两相都是连续相； 气体举油

40、作用主要是靠摩擦携带；气体举油作用主要是靠摩擦携带； 摩擦损失变大。摩擦损失变大。 雾流 气体的体积流量增加到足够大时，气体的体积流量增加到足够大时， 油管中内流动的气流芯子将变得很粗，油管中内流动的气流芯子将变得很粗， 沿管壁流动的油环变得很薄，绝大部分沿管壁流动的油环变得很薄，绝大部分 油以小油滴分散在气流中。油以小油滴分散在气流中。 特点：气体是连续相，液体是分散相；气体是连续相，液体是分散相； 气体以很高的速度携带液滴喷出井口；气体以很高的速度携带液滴喷出井口； 气、液之间的相对运动速度很小；气、液之间的相对运动速度很小； 气相是整个流动的控制因素。气相是整个流动的控制因素。 总结：

41、油井生产中可能出现的流型油井生产中可能出现的流型 自下而上依次为：纯油自下而上依次为：纯油( (液液) )流、流、 泡流、段塞流、环流和雾流。泡流、段塞流、环流和雾流。 实际上，在同一口井内，一实际上，在同一口井内，一 般不会出现完整的流型变化。般不会出现完整的流型变化。 图1-17 油气沿井筒喷出时的流型变化示意图 纯油流；泡流；段塞流； 环流；雾流 (三)滑脱损失概念 因滑脱而产生的附加压力损失称为滑脱损失。 图1-18 气液两相流流动断面简图 gl fff ggg fvQ lll fvQ l l gl ggll gl ggll m f f ff ff QQ QQ 无滑脱无滑脱 实际实际

42、mlg vvv ggg fvQ lll fvQ lg vv 由于有滑脱时，气体流速大，液体流 速小，为了保持体积流量不变，气体气体 过流断面将减小，而液体的过流断面过流断面将减小，而液体的过流断面 将增加将增加 。 mm 由于滑脱存在： mmm lm f f 单位管长上滑脱损失为：单位管长上滑脱损失为： 滑脱损失的实质： 液相的流动断面增大引起混合物密度的增加。 图1-18 气液两相流流动断面简图 量从断面流出的流体能的能量在断面和之间耗失 体额外所做的功在断面和之间对流进入断面的流体能量 二、井筒气液两相流能量平衡方程 及压力分布计算步骤 两个流动断面间的能量平衡关系两个流动断面间的能量平衡

43、关系： (一)能量平衡方程推导 22 2 2 22 11 2 1 11 2 sin 2 sin VP mv mgZU qVP mv mgZU 倾斜多相管流断面倾斜多相管流断面1 1和断面和断面2 2 的流体的能量平衡关系为：的流体的能量平衡关系为： 222 ,VPU 2 2 2 , 2 mgh mV 1 2 1 111 , 2 , mgh mV VPU 倾斜管流能量平衡关系示意图倾斜管流能量平衡关系示意图 222 2 2 2 , , 2 UPV mv mgh 11 1 2 1 1 , , 2 U PV mv mgh 11sin hZ 22 sinhZ -q dz dv v D v fg dz

44、dp 2 sin 2 取取z轴方向为自上而下：轴方向为自上而下： 加速度摩擦举高 )()()( dZ dP dZ dP dZ dP dZ dP 则：则： 令：令： 2 )( )( sin)( 2 v d f dZ dI dZ dP dZ dv v dZ dP g dZ dP w 摩擦 加速度 举高 dz dv v D v fg dz dp 2 sin 2 2 sin 2 mm m m mmm v d f dZ dv vg dh dP 水平管流水平管流: : dx dv v D v f dx dp 2 2 垂直管流垂直管流: : dh dv v D v fg dh dp 2 2 多相混合物流动多

45、相混合物流动: : (三)多相垂直管流压力分布计算步骤 由于多相管流中每相流体影响流动的物理参数物理参数( (密密 度、粘度等度、粘度等) )及混合物密度和流速都随压力和温度及混合物密度和流速都随压力和温度 而变，沿程压力梯度并不是常数，而变，沿程压力梯度并不是常数，因此，多相管流 需要分段分段计算；同时，要先求得相应段的流体性质 参数，然而，这些参数又是压力和温度的函数，压 力却又是计算中需要求得的未知数。所以，多相管 流通常采用迭代法迭代法进行计算。 有两种不同的迭代途径：按深度增量迭代按深度增量迭代和按压按压 力增量迭代力增量迭代。 以计算段下端压力为起点，重复步。以计算段下端压力为起点

46、，重复步。 2.2.多相垂直管流压力分布计算步骤多相垂直管流压力分布计算步骤 重复的计算，直至重复的计算，直至 。估计计算hh 已知任一点已知任一点( (井口或井底井口或井底) )的压力作为起点的压力作为起点 ，任选一个合适的压力间隔，任选一个合适的压力间隔p(0.5 1.0MPa)。 估计一个对应的深度增量估计一个对应的深度增量h估计，计算计算T T 。 计算该管段的平均温度及平均压力，计算该管段的平均温度及平均压力， 并确定流体性质参数。并确定流体性质参数。 并计算该段的压力梯度并计算该段的压力梯度dp/dhdp/dh。 计算对应于的该段管长计算对应于的该段管长( (深度差深度差) ) h

47、 h计算。 计算该段下端对应的深度及压力。计算该段下端对应的深度及压力。 P0=PwfP0=Pwf hh P1=P0+P1=P0+ P h h PtPt 以计算段下端压力为起点，重复步。 重复的计算，直至 。 pp 已知任一点(井口或井底)的压力作为 起点，以固定的h 将井筒分为n段。 估计一个对应的压力增量p。 计算该管段的平均温度及平均压力， 并确定流体性质参数。 并计算该段的压力梯度dp/dh。 计算对应于的该段的压降p。 计算该段下端对应的深度及压力。 P0=PwfP0=Pwf pp P1=P0+P1=P0+ P p p PtPt 思考题：根据上述步骤整理出计算压力分 布的程序流程框图

48、。 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。 第三节奥齐思泽斯基（Orkiszewski）方法 综合了Griffith & Wallis 和 Duns & Ros 等方法 处理过渡性流型时，采用Ros方法(内插法) 针对每种流动型态提出存容比及摩擦损失的计算方法 提出了四种流型，即泡流、段塞流、过渡流及环雾流 把Griffith段塞流相关式改进后推广到了高流速区 1967年提出，适用于垂直管流计算 奥齐思泽斯基（Orkiszew

49、ski）方法 奥齐思泽斯基于奥齐思泽斯基于19671967年用三大类、年用三大类、148148口井的实际资料对前人的研究口井的实际资料对前人的研究 进行了评价，加上自己的研究，提出了此方法。其主要构成为：进行了评价，加上自己的研究，提出了此方法。其主要构成为： 奥奥齐齐思思泽泽斯斯基基方方法法的的组组成成 流流动动型型态态 所所选选用用的的方方法法 泡状流 Griffith 方法 段塞流 密度项用 Griffith-Wallis 方法，摩擦阻力梯度用奥齐 思泽斯基本人的方法 段塞流与雾状流的过渡区 Duns-Ros 方法 雾状流 Duns-Ros 方法 OrkiszewskiOrkiszews

50、ki流型图 流型图 他提出的四种流动型态他提出的四种流动型态 是：泡流、段塞流、过是：泡流、段塞流、过 渡流及环雾流渡流及环雾流 存容比（滞流率）：多存容比（滞流率）：多 相流动的某一管段中某相流动的某一管段中某 相流体的体积与管段容相流体的体积与管段容 积之比。（持液率）积之比。（持液率） fmmmm dPdhgddvhv 2 t mm g p m Wq dp A v P v d 出现雾流时，气体体积流量远大于液体体积流量。根据气体出现雾流时，气体体积流量远大于液体体积流量。根据气体 定律，动能变化可表示为：定律，动能变化可表示为： 一、一、压力降公式及流动型态划分界限压力降公式及流动型态划

51、分界限 Pressure Gradient Correlation and Flow pattern Transitions 由垂直管流能量方程可知，压力降是由垂直管流能量方程可知，压力降是摩擦能量损失摩擦能量损失、势能变势能变 化化和和动能变化动能变化之和：之和： k P k p g t fm h PA q W g 1 2 压降计算式为：压降计算式为： 表1-3 Orkiszewski方法流型划分界限 流动型态 界 限 泡 流 B t g L q q 段 塞 流 SgB t g LvL q q , 过 渡 流 SgM LvL 雾 流 Mg Lv 不同流动型态下 和 的计算方法不同。 m f

52、二、平均密度及摩擦损失梯度的计算 气相存容比气相存容比(截面含气率、空隙率截面含气率、空隙率)Hg ：管段中气相 体积与管段容积之比值，也等于fg /f 。 液相存容比液相存容比(截面含液率、持液率截面含液率、持液率)HL ：管段中液相 体积与管段容积之比值，也等于fl /f 。 (1)泡流 1 gL HH ggLgggLLm HHHH)1 (平均密度平均密度: : )1 (1 gp gt gp g g sL g sg lgs HA qq HA q H v H v vvv 2 2 LHL f v D f )1 ( gp L LH HA q v 滑脱速度：气相流速与液相流速之差。 ps g ps

53、 t ps t g Av q Av q Av q H 4 )1 (1 2 1 2 则： 泡流摩擦损失梯度按液相进行计算： m/s244. 0 s v D/ Re N f 图1-21 图图1-21 摩擦阻力系数曲线摩擦阻力系数曲线 (2)段塞流 l pst pslt m Avq AvW 平均密度平均密度: : 滑脱速度滑脱速度 vs 液体分布系数液体分布系数 滑脱速度滑脱速度gDCCvs 21 由泡雷诺数由泡雷诺数 查图确定查图确定 1 C b N L Ls b Dv N 曲线曲线 1 C b N 根据泡雷诺数根据泡雷诺数 及雷诺及雷诺 数数 查图确定查图确定 2 C b N Re N L Lt

54、D v N Re 曲线曲线 2 C Re N (1)假价设一个假价设一个vs值，求得值，求得C1及及C2 (2)用式用式 计算一个计算一个vs 值值 (3)重复计算直到假设值与计算值接近为止重复计算直到假设值与计算值接近为止 gDCCvs 21 vs值的确定 迭代法 vs也可由公式进行计算也可由公式进行计算 3000 b N gDNvs)1074. 8546. 0( Re 6 8000 b N gDNvs)1074.835.0( Re 6 80003000 b N D L vvv L sisis 3 2 1017.11 2 1 gDNvsi)1074. 8251. 0 ( Re 6 L Ls

55、b Dv N 计算公式选择 连续液相 )/(秒米 t v 计算的公式号 水 水 油 油 3.048 3.048 a b c d 的计算 值需根据连续液相的类别值需根据连续液相的类别 及气液总流速来选用计算公式及气液总流速来选用计算公式 计算式详见教材 公式(1-58) a e 048. 3 t v t v2132. 0 时 048. 3 t v 时 L m pst ps Avq Av 1 计算得的计算得的 必须满足下面的条件：必须满足下面的条件： Mi SM sg SL SM gM m LL Lv LL vL (3)过渡流 过渡流的混合物平均密度及摩擦梯度是先按段塞流和雾流 分别进行计算，然后

56、用内插方法来确定相应的数值。 Mi SM gg SL SM gM t LL Lv LL vL 段塞流的摩擦梯度段塞流的摩擦梯度 )( 2 2 pst psL tL f Avq Avq D vf 式中的摩擦系数式中的摩擦系数 f ， 根据管壁相对粗糙度和雷诺数由根据管壁相对粗糙度和雷诺数由 穆迪图查得。穆迪图查得。 ggLgggLLm HHHH)1 ( 雾流混合物平均密度计算公式与泡流相同： 由于雾流的气液无相对运动速度，即滑脱速度接近于零，由于雾流的气液无相对运动速度，即滑脱速度接近于零， 基本上没有滑脱。基本上没有滑脱。 雾流摩擦系数可根据气体雷诺数和液膜相对粗糙度查图得。 D v f sg

57、g f 2 2 摩擦梯度: (4)雾流 gL g g qq q H 所以： 以井口油压或井底流压为起点， 选择合 适的压力间隔p，假设 h 计算平均 p 和 T，并求得在此 p 和 T 下的流体性质参数和 流动参数，以及相应的流动型态界限 LB、Ls和 LM 确定流动型态 雾流 计算气相存容 比、 平均密度及 摩擦梯度 过渡流 分别按段塞流和雾流 计算平均密度及摩擦 梯度，并进行内插 段塞流 计算滑脱速度、液 体分布系数、平均 密度和摩擦梯度 泡流 计算气相存容 比、 平均密度和 摩擦梯度 计算并比较h， 重复上述计算使h的计算值 与假设值相等或在允许的误差范围内 重复上述步骤，直到h的等于或

58、大于油层深度为止 图1-24 Orkiszewski方法计算流程框图 第四节贝格斯-布里尔方法 Beggs-Brill方法是可用于方法是可用于水平水平、垂直垂直和和任意倾斜任意倾斜气液两相管流气液两相管流 动计算的方法，是动计算的方法，是1973年，年，Beggs和和Brill根据在长根据在长15m，直径直径 1inch和和1.5inch聚炳烯管中，用空气和水进行实验的基础上提聚炳烯管中，用空气和水进行实验的基础上提 出的。出的。 实验参数范围 气体流量气体流量 00.098 m3/s ； 液体流量液体流量 00.0019 m3/s ； 持液率持液率 00.87 m3/m3； 系统压力系统压力

59、 241655 kpa(绝对压力绝对压力)； 压力梯度压力梯度 018 kPa/m； 倾斜度倾斜度 -900+900； 流流 型型 水平管流动的全部流型。水平管流动的全部流型。 加速度摩擦位差 dZ dp dZ dp dZ dp dZ dp v D AG D v dZ dp 2 / 2 2 摩擦 一、基本方程 单位质量气液混合物稳定流动的机械能量守恒方程为： (1)位差压力梯度：消耗于混合物静水压头的压力梯度。 (2)摩擦压力梯度：克服管壁流动阻力消耗的压力梯度。 假设条件:气液混合物既未对外作功，也未受外界功。 sin1singHHg dZ dp LgLL 位差 dZ dv v dZ dp

60、加速度 dZ dp p vv dZ dp sg 加速度 AQv gsg / pvvHH DA Gv gHH dZ dp sgLgLL LgLL /)1 (1 2 sin)1 ( (3)加速度压力梯度：由于动能变化而消耗的压力梯度。 忽略液体压缩性、考虑到气体质量流速变化远远小于气体密度 变化，则： (4)总压力梯度（Beggs-Brill方法的基本方程） Beggs - Brill 两相水平管流型 分离流 分层流 波状流 环状流 间歇流 团状流 段塞流 分散流 泡 流 雾 流 二、 Beggs - Brill方法的流型分布图及流型判别式 图1-26 Beggs-Brill流型分布图（教材p45