第1章-井筒多相流课件

第一章油井流入动态与井筒多相流动计算井筒气液两相流基本概念Concepts计算气液两相垂直管流方法Methods第二部分井筒多相流动MultiphaseFlowinWellbore第一章油井流入动态与井筒多相流动计算井筒气液两相流基本概1井筒多相流理论：研究各种举升方式油井生产规律基本理论研究特点：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二节井筒气液两相流基本概念井筒多相流理论：研究特点：流动复杂性、无严格数学解研究途径：2一、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Comparisonbetweensinglephaseandtwophaseflow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3流动型态（流动结构、流型）：

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FlowRegime①纯液流Liquidflow

当井筒压力大于饱和压力时，天然气溶解在原油中，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。流动型态（流动结构、流型）：(二)气液混合物在垂直管中的流动4②泡流BubbleFlow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。滑脱现象：Slippage

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。②泡流BubbleFlow滑脱现象：Slippage特5③段塞流SlugFlow当混合物继续向上流动，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。特点：气体呈分散相，液体呈连续相；一段气一段液交替出现；气体膨胀能得到较好的利用；滑脱损失变小；摩擦损失变大。③段塞流SlugFlow特点：气体呈分散相，液体呈连续相6④环流CircularFlow

油管中心是连续的气流而管壁为油环的流动结构。特点：气液两相都是连续相；气体举油作用主要是靠摩擦携带；滑脱损失变小；摩擦损失变大。④环流CircularFlow特点：气液两相都是连续相；7⑤雾流MistFlow

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，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。特点：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、液之间的相对运动速度很小；气相是整个流动的控制因素。⑤雾流MistFlow特点：气体是连续相，液体是分散相；8总结：油井生产中可能出现的流型自下而上依次为：纯油(液)流、泡流、段塞流、环流和雾流。实际上，在同一口井内，一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Ⅰ—纯油流；Ⅱ—泡流；Ⅲ—段塞流；Ⅳ—环流；Ⅴ—雾流总结：图1-17油气沿井筒喷出时的流型变化示意图9实际计算：直接求存在滑脱混合物密度或包括滑脱在内的摩擦阻力系数。(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。Slippagepressuredrop单位管长上滑脱损失为：图1-18气液两相流流动断面简图滑脱损失的实质：液相的流动断面增大引起混合物密度的增加。实际计算：直接求存在滑脱混合物密度或包括滑脱在内的摩擦阻力系10二、井筒气液两相流能量平衡方程及压力分布计算步骤WellborePressureProfileCalculation两个流动断面间的能量平衡关系：(一)能量平衡方程推导图2-19倾斜管流能量平衡关系示意图具有能量：内能、位能、动能、膨胀能二、井筒气液两相流能量平衡方程两个流动断面间的能量平衡关系11图2-19倾斜管流能量平衡关系示意图倾斜多相管流断面1和断面2的流体的能量平衡关系为：图2-19倾斜管流能量平衡关系示意图倾斜多相管流断面1和12适合于各种管流的通用压力梯度方程：则：令：适合于各种管流的通用压力梯度方程：则：令：13井筒多相垂直管流压力分布图1-17油气沿井筒喷出时的流型变化示意图Ⅰ—纯油流；Ⅱ—泡流；Ⅲ—段塞流；Ⅳ—环流；Ⅴ—雾流

压力计算过程复杂

压力计算与流体物性参数有关流体物性参数等是压力的函数工程上采用迭代方法编程计算按深度增量和压力增量迭代学习关键是掌握计算的原理未知数：密度、流速、摩擦阻力系数井筒多相垂直管流压力分布图1-17油气沿井筒喷出时的流型14⑧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。(2)多相垂直管流压力分布计算步骤⑥重复②～⑤的计算，直至。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。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。⑧以计算段下端压力为起点，重复②～⑦步，计算下一段的深(2)152)按压力增量迭代的步骤（略）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。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。2)按压力增量迭代的步骤（略）思考题：根据上述步骤整理出计算16第三节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于1967年提出，适用于垂直管流计算第三节Orkiszewski方法综合了Griffith17图1-24Orkiszewski方法计算流程框图图1-24Orkiszewski方法计算流程框图18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：一、压力降公式及流动型态划分界限由垂直管流能量方程可知，压力降是摩擦能量损失、势能变化和动能变化之和：所以压降计算式为：未知数：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19表1-3Orkiszewski方法流型划分界限不同流动型态下和的计算方法不同。表1-3Orkiszewski方法流型划分界限不同流动型态20二、平均密度及摩擦损失梯度的计算气相存容比(含气率)Hg

：管段中气相体积与管段容积之比值。液相存容比(持液率)HL

：管段中液相体积与管段容积之比值。(1)泡流平均密度:求混合物密度需要先计算含气率或持液率泡流滑脱现象严重，若无滑脱：二、平均密度及摩擦损失梯度的计算气相存容比(含气率)Hg：21滑脱速度：气相流速与液相流速之差。（由实验测定）则：泡流摩擦损失梯度按液相进行计算：真实流速与表观流速的关系：滑脱速度：气相流速与液相流速之差。（由实验测定）则：泡流摩擦22图1-21摩擦阻力系数曲线（教材p37）图1-21图1-21摩擦阻力系数曲线（教材p37）图1-2123(2)段塞流平均密度:段塞流的摩擦梯度：段塞流计算中，关键是滑脱速度vs的计算。目前，vs的计算方法有两种：查图迭代法和经验公式法。(2)段塞流平均密度:段塞流的摩擦梯度：段塞流计算中，关键是24泡流雷诺数：图1-22C1～Nb曲线雷诺数：图1-23C2～NRe曲线滑脱速度的计算——迭代法滑脱速度：泡流雷诺数：图1-22C1～Nb曲线雷诺数：图1-2325滑脱速度的计算——经验公式计算法详见教材p38~93公式（1-54）~（1-58）。(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，然后用内插方法来确定相应的数值。滑脱速度的计算——经验公式计算法详见教材p38~93公式（126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，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。摩擦梯度:(4)雾流所以：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27图1-24Orkiszewski方法计算流程框图图1-24Orkiszewski方法计算流程框图28第四节Beggs&Brill方法水和空气、聚丙烯管实验基础上总结的方法建立流型分布图，将七种流型归为三类，增加了过渡流计算时先按水平管流计算，然后采用倾斜校正系数校正成相应的倾斜管流倾斜度-90°~+90°，分上坡和下坡流动

1973年提出，适用于水平、垂直和任意倾斜管流计算第四节Beggs&Brill方法水和空气、聚丙烯管29Beggs&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Beggs&Brill两相水平管流型分离流分层流波状流30一、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。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31(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）(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32图1-26Beggs-Brill流型分布图（教材p45）二、Beggs&Brill方法的流型分布图及流型判别式图1-26Beggs-Brill流型分布图（教材p4533表2-4Beggs-Brill法流型判别条件表2-4Beggs-Brill法流型判别条件34三、持液率及混合物密度确定(1)持液率Beggs&Brill方法计算倾斜管流时首先按水平管计算,然后进行倾斜校正。表1-6a、b、c常数表三、持液率及混合物密度确定(1)持液率表1-6a、b、c35实验结果表明，倾斜校正系数与倾斜角、无滑脱持液率、弗洛德数及液体速度数有关。图1-27不同EL下的倾斜校正系数实验结果表明，倾斜校正系数与倾斜角、无滑脱持液率、弗36根据实验结果回归的倾斜校正系数的相关式为:对于垂直管:系数C与无滑脱持液率、弗洛德数和液相速度数有关。表1-6系数d、e、f、g其中：根据实验结果回归的倾斜校正系数的相关式为:对于垂直管:系数C37对于过渡流型，先分别用分离流和间歇流计算，之后采用内插法确定其持液率。利用持液率计算流动条件下混合物实际密度：对于过渡流型，先分别用分离流和间歇流计算，之后采用内插法确定38四、阻力系数气液两相流阻力系数与无滑脱气液两相流阻力系数的比值与持液率和无滑脱持液率(入口体积含液率)之间的关系：当1<y<1.2时其中：四、阻力系数气液两相流阻力系数与无滑脱气液两相流阻力39两相流动的雷诺数：也可用Moody图上的光滑管曲线来确定:气液两相流阻力系数:Beggs&Brill方法计算流程框图(p49)两相流动的雷诺数：也可用Moody图上的光滑管曲线来确定40小结(1)模拟计算多相管流规律的数学相关式及图版研究很多。纵观这许多数学相关式，其基本通式一般都是从基本能量守恒方程出发建立的：(2)对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相关式等十二种方法进行了对比分析，不同的方法有其适用条件和精度，可根据具体油田实际选用。小结(1)模拟计算多相管流规律的数学相关式及图版研41(3)数学相关式大体分为三种类型：①在计算井筒流体混合密度时不考虑液体滞留量的影响，而液体滞留量与管壁摩阻损失用一个经验摩阻系数来表达，不区分多相流体的流态分布情况。②在计算多相流体混合物密度时考虑液体滞留量的影响，而摩阻系数要依据液体和气体的组成特征来确定③考虑液体滞留量的影响，摩阻系数取决于多相流体中连续相的特征。同时考虑了不同流态的影响，其中包括泡状流、段塞流、环流及雾状流。（完）(3)数学相关式大体分为三种类型：（完）42第一章油井流入动态与井筒多相流动计算井筒气液两相流基本概念Concepts计算气液两相垂直管流方法Methods第二部分井筒多相流动MultiphaseFlowinWellbore第一章油井流入动态与井筒多相流动计算井筒气液两相流基本概43井筒多相流理论：研究各种举升方式油井生产规律基本理论研究特点：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二节井筒气液两相流基本概念井筒多相流理论：研究特点：流动复杂性、无严格数学解研究途径：44一、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Comparisonbetweensinglephaseandtwophaseflow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45流动型态（流动结构、流型）：

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FlowRegime①纯液流Liquidflow

当井筒压力大于饱和压力时，天然气溶解在原油中，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。流动型态（流动结构、流型）：(二)气液混合物在垂直管中的流动46②泡流BubbleFlow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。滑脱现象：Slippage

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。②泡流BubbleFlow滑脱现象：Slippage特47③段塞流SlugFlow当混合物继续向上流动，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。特点：气体呈分散相，液体呈连续相；一段气一段液交替出现；气体膨胀能得到较好的利用；滑脱损失变小；摩擦损失变大。③段塞流SlugFlow特点：气体呈分散相，液体呈连续相48④环流CircularFlow

油管中心是连续的气流而管壁为油环的流动结构。特点：气液两相都是连续相；气体举油作用主要是靠摩擦携带；滑脱损失变小；摩擦损失变大。④环流CircularFlow特点：气液两相都是连续相；49⑤雾流MistFlow

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，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。特点：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、液之间的相对运动速度很小；气相是整个流动的控制因素。⑤雾流MistFlow特点：气体是连续相，液体是分散相；50总结：油井生产中可能出现的流型自下而上依次为：纯油(液)流、泡流、段塞流、环流和雾流。实际上，在同一口井内，一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Ⅰ—纯油流；Ⅱ—泡流；Ⅲ—段塞流；Ⅳ—环流；Ⅴ—雾流总结：图1-17油气沿井筒喷出时的流型变化示意图51实际计算：直接求存在滑脱混合物密度或包括滑脱在内的摩擦阻力系数。(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。Slippagepressuredrop单位管长上滑脱损失为：图1-18气液两相流流动断面简图滑脱损失的实质：液相的流动断面增大引起混合物密度的增加。实际计算：直接求存在滑脱混合物密度或包括滑脱在内的摩擦阻力系52二、井筒气液两相流能量平衡方程及压力分布计算步骤WellborePressureProfileCalculation两个流动断面间的能量平衡关系：(一)能量平衡方程推导图2-19倾斜管流能量平衡关系示意图具有能量：内能、位能、动能、膨胀能二、井筒气液两相流能量平衡方程两个流动断面间的能量平衡关系53图2-19倾斜管流能量平衡关系示意图倾斜多相管流断面1和断面2的流体的能量平衡关系为：图2-19倾斜管流能量平衡关系示意图倾斜多相管流断面1和54适合于各种管流的通用压力梯度方程：则：令：适合于各种管流的通用压力梯度方程：则：令：55井筒多相垂直管流压力分布图1-17油气沿井筒喷出时的流型变化示意图Ⅰ—纯油流；Ⅱ—泡流；Ⅲ—段塞流；Ⅳ—环流；Ⅴ—雾流

压力计算过程复杂

压力计算与流体物性参数有关流体物性参数等是压力的函数工程上采用迭代方法编程计算按深度增量和压力增量迭代学习关键是掌握计算的原理未知数：密度、流速、摩擦阻力系数井筒多相垂直管流压力分布图1-17油气沿井筒喷出时的流型56⑧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。(2)多相垂直管流压力分布计算步骤⑥重复②～⑤的计算，直至。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。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。⑧以计算段下端压力为起点，重复②～⑦步，计算下一段的深(2)572)按压力增量迭代的步骤（略）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。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。2)按压力增量迭代的步骤（略）思考题：根据上述步骤整理出计算58第三节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于1967年提出，适用于垂直管流计算第三节Orkiszewski方法综合了Griffith59图1-24Orkiszewski方法计算流程框图图1-24Orkiszewski方法计算流程框图60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：一、压力降公式及流动型态划分界限由垂直管流能量方程可知，压力降是摩擦能量损失、势能变化和动能变化之和：所以压降计算式为：未知数：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61表1-3Orkiszewski方法流型划分界限不同流动型态下和的计算方法不同。表1-3Orkiszewski方法流型划分界限不同流动型态62二、平均密度及摩擦损失梯度的计算气相存容比(含气率)Hg

：管段中气相体积与管段容积之比值。液相存容比(持液率)HL

：管段中液相体积与管段容积之比值。(1)泡流平均密度:求混合物密度需要先计算含气率或持液率泡流滑脱现象严重，若无滑脱：二、平均密度及摩擦损失梯度的计算气相存容比(含气率)Hg：63滑脱速度：气相流速与液相流速之差。（由实验测定）则：泡流摩擦损失梯度按液相进行计算：真实流速与表观流速的关系：滑脱速度：气相流速与液相流速之差。（由实验测定）则：泡流摩擦64图1-21摩擦阻力系数曲线（教材p37）图1-21图1-21摩擦阻力系数曲线（教材p37）图1-2165(2)段塞流平均密度:段塞流的摩擦梯度：段塞流计算中，关键是滑脱速度vs的计算。目前，vs的计算方法有两种：查图迭代法和经验公式法。(2)段塞流平均密度:段塞流的摩擦梯度：段塞流计算中，关键是66泡流雷诺数：图1-22C1～Nb曲线雷诺数：图1-23C2～NRe曲线滑脱速度的计算——迭代法滑脱速度：泡流雷诺数：图1-22C1～Nb曲线雷诺数：图1-2367滑脱速度的计算——经验公式计算法详见教材p38~93公式（1-54）~（1-58）。(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，然后用内插方法来确定相应的数值。滑脱速度的计算——经验公式计算法详见教材p38~93公式（168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，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。摩擦梯度:(4)雾流所以：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69图1-24Orkiszewski方法计算流程框图图1-24Orkiszewski方法计算流程框图70第四节Beggs&Brill方法水和空气、聚丙烯管实验基础上总结的方法建立流型分布图，将七种流型归为三类，增加了过渡流计算时先按水平管流计算，然后采用倾斜校正系数校正成相应的倾斜管流倾斜度-90°~+90°，分上坡和下坡流动

1973年提出，适用于水平、垂直和任意倾斜管流计算第四节Beggs&Brill方法水和空气、聚丙烯管71Beggs&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Beggs&Brill两相水平管流型分离流分层流波状流72一、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。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73(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）(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74图1-26Beggs-Brill流型分布图（教材p45）二、Beggs&Brill方法的流型分布图及流型判别式图1-26Beggs-Brill流型分布图（教材p4575表2-4Beggs-Brill法流型判别条件表2-4Beggs-Brill法流型判别条