油气井流体力学教学课件PPT油气井变质量流动.ppt

1、1,第六章油气井变质量流动,第一节流体变质量流动的基本概念,2,第六章油气井变质量流动,第一节流体变质量流动的基本概念,随着水平井技术的发展，对于水平井产能预测、井身剖面设计、完井设计等的研究工作逐渐开展起来。所有这些研究工作都要求对水平井筒内的流体流动规律有清楚的认识，这就需要对水平井中流体流动规律进行深入研究。,3,第六章油气井流体变质量流动,第一节流体变质量流动的基本概念,变质量流动：在流体流动过程中，沿流体流动方向流体质量流量不断发生变化的流动现象称之为变质量流动。 变质量流研究内容和目的：通过实验或数值计算并结合理论分析，研究不同条件下（壁面入流、管壁粗糙度、入流与主流比、流体的性质

2、等）沿水平井筒的压降，进而确定相关系数，为以后工程应用中变质量流压降计算提供依据。,主流 壁面入流 注入比,4,第六章油气井变质量流动,第一节流体变质量流动的基本概念,水平井筒无限导流假设,第六章油气井变质量流动,第二节 水平井筒单相流体变质量流动,1989年，Dikken首先提出水平井筒内的压降不能忽略,5,6,第六章油气井流体变质量流动,第二节水平井筒单相流体变质量流动,如图为一个控制体示意图,为简化现对流动系统进行如下几点假设： 流体流动为一维单相流动； 流体为不可压缩的牛顿流体； 微元段流动为等温稳态流动； 流体与环境之间不存在热传递。,7,第六章油气井流体变质量流动,第二节水平井筒单

3、相流体变质量流动,1）连续性方程,流体流入控制体的质量速率 流体流出控制体的质量速率 控制体内质量的增加速率,如果有流体从壁面流入（生产井）取正值，如果有流体从壁面流出（注入井）取负值。,第六章油气井变质量流动,第二节 水平井筒单相流体变质量流动,质量守恒方程,8,9,第六章油气井流体变质量流动,第二节水平井筒单相流体变质量流动,控制体内动量的流出速率 控制体内动量的流入速率 + 控制体内动量的增加速率 作用在控制体上的合力,沿水平井筒轴线方向建立动量守恒方程，则有:,2）动量方程,第六章油气井变质量流动,第二节 水平井筒单相流体变质量流动,动量守恒方程,与连续性方程联立：,其中,10,第六章

4、油气井变质量流动,第二节 水平井筒单相流体变质量流动,对于稳态单相流动,则,11,第六章油气井变质量流动,第二节 水平井筒单相流体变质量流动,变质量管流流动与普通管流流动的本质区别就是由于存在壁面入流，一方面改变了管流的壁面摩擦系数，从而改变了摩擦压降，另一方面由于流体混合热量损失产生混合压降和加速度压降。,12,第六章油气井变质量流动,第二节 水平井筒单相流体变质量流动,壁面摩擦系数确定,普通管流壁面摩擦系数确定方法,勃拉休斯(Blasius)公式,13,第六章油气井变质量流动,第二节 水平井筒单相流体变质量流动,壁面摩擦系数确定,普通管流壁面摩擦系数确定方法,尼古拉兹光滑管公式,阔尔布鲁克

5、公式,14,第六章油气井变质量流动,第二节 水平井筒单相流体变质量流动,壁面摩擦系数确定,普通管流壁面摩擦系数确定方法,尼古拉兹粗糙管公式,希大林松公式,15,第六章油气井变质量流动,第二节 水平井筒单相流体变质量流动,壁面摩擦系数确定,16,变质量管流壁面摩擦系数确定方法,裸眼完井井筒流动,层流流动,第六章油气井变质量流动,第二节 水平井筒单相流体变质量流动,壁面摩擦系数确定,17,变质量管流壁面摩擦系数确定方法,裸眼完井井筒流动,湍流流动,第六章油气井变质量流动,第二节 水平井筒单相流体变质量流动,壁面摩擦系数确定,18,变质量管流壁面摩擦系数确定方法,射孔完井井筒流动,湍流流动,19,单

6、孔眼：,多孔眼：,H.Yuan：,第六章油气井变质量流动,第二节 水平井筒单相流体变质量流动,第六章油气井变质量流动,第二节 水平井筒单相流体变质量流动,20,21,混合压降（1994年 Ze Su）,第六章油气井流体变质量流动,第二节 水平井筒单相流体变质量流动,第六章油气井变质量流动,第二节 水平井筒单相流体变质量流动,混合压降确定方法,22,23,第六章油气井变质量流动,数值计算方法：,数值模型:,不可压缩湍流控制方程 ：,湍动能方程：,湍流耗散率方程 ：,第二节 水平井筒单相流体变质量流动,24,第六章油气井变质量流动,动量方程中变量u的计算式 ：,湍动能计算式 ：,耗散率计算式：,数

7、值模型:,第二节 水平井筒单相流体变质量流动,25,第六章油气井变质量流动,网格划分,第二节 水平井筒单相流体变质量流动,计算数据参数,第六章油气井变质量流动,26,第二节 水平井筒单相流体变质量流动,计算结果及分析（水平井计算段压力分布）,在每个射孔位置压力都会急剧下降，经过射孔孔眼区域后压力恢复正常，这是由于孔眼入流干扰主流流动的结果； 随着壁面入流速度的增加，压力下降幅度也相应增大； 壁面入流对主流的干扰频率以90相位角螺旋射孔最高，120相位角平面均匀射孔次之，90相位角平面均匀射孔最低。,第六章油气井变质量流动,27,90。平面射孔,主流速度1.27324m/s计算段压力分布,120

8、。平面射孔,90。螺旋射孔,第六章油气井变质量流动,28,计算结果及分析（水平井计算段压降分布）,受入流影响，每个射孔位置轴线压降曲线出现剧烈脉动，先是急剧升高，而后急剧下降，经过射孔孔眼区域后恢复正常，结果导致轴线压力在孔眼对应处下降。 在高注入速度条件下，入流对主流干扰增大，表现为孔眼入流射入主流深度增加，在孔眼下游区出现分离流动现象。,第六章油气井变质量流动,29,计算结果及分析（水平井计算段压降分布）,主流速度1.27324m/s计算段压力分布,90。平面射孔,120。平面射孔,90。螺旋射孔,第六章油气井变质量流动,30,计算结果及分析（水平井计算段壁面入流对主流干扰的迹线图）,主流

9、速度0.84883m/s， 壁面入流速度0.0494m/s,主流速度0.84883m/s， 壁面入流速度0.1474m/s,第六章油气井变质量流动,31,计算结果及分析（水平井计算段轴向速度剖面）,当孔眼入流速度较小时，轴向速度剖面类似圆管湍流速度剖面，孔眼入流对轴向速度剖面影响较小。随着孔眼入流速度增大，入流影响区域向轴线扩展，由于入流对主流的挤压作用轴线附近中心流动区域速度明显增大。当孔眼入流卷吸作用逐渐增强时，轴线附近中心流动区域速度越趋均匀。,第六章油气井变质量流动,32,计算结果及分析（水平井计算段轴向速度剖面）,第六章油气井变质量流动,33,计算结果及分析（水平井计算段轴向速度剖面

10、）,90。平面射孔,120。平面射孔,主流速度0.84883m/s，入流速度0.0494m/s,主流速度0.84883m/s，入流速度0.0494m/s,90。螺旋射孔,90螺旋射孔条件下，由于孔眼入流干扰密度大，即使孔眼入流速度较低，相对于平面射孔，其入流挤压作用也较大，因此轴线附近中心流动区域速度明显增大。,主流速度0.84883m/s，入流速度0.0494m/s,第六章油气井变质量流动,34,35,第六章油气井变质量流动,计算结果及分析（主流压降对比）,主流速度1.27324m/s不同入流条件主流压降对比图,注入比对压降的影响存在一个临界值（约为1%2%）。当低于临界值时，孔眼入流引起的

11、混合压降很小，主流压降主要决定于摩擦压降，三种射孔格式主流压降相等且随注入比增加而缓慢增大。当大于临界值时，孔眼入流混合压降作用增强，90螺旋射孔格式总压降最大，比另外两种射孔格式总压降平均高出6%8%；90平面射孔和120平面射孔总压降相近。,36,第六章油气井流体变质量流动,实验装置流程图,室内模拟实验：,第二节 水平井筒单相流体变质量流动,37,第六章油气井流体变质量流动,室内模拟实验：,实验装置总示意图,模拟实验水平实验段及观察段示意图,第二节 水平井筒单相流体变质量流动,38,第六章油气井流体变质量流动,室内模拟实验,第二节 水平井筒单相流体变质量流动,第六章油气井流体变质量流动,第

12、二节 水平井筒单相流体变质量流动,39,40,第六章油气井流体变质量流动,实验结果分析（主流压降的对比）,主流流量为10m3/h（雷诺数为70735） 不同射孔格式压降随注入比的变化,当主流流量为一定时，实验段压降随着注入比的升高而增加。在注入比在02%的范围内时，压降增加缓慢，并且不同的射孔格式对压降的影响很小；当注入比超过2%后压降急剧增加，并且不同的射孔格式所引起的压降也有相当的差别，其它条件相同时90螺旋射孔所引起的压降最大，90平面射孔次之，120平面射孔所引起的压降最小。,室内模拟实验：,第二节 水平井筒单相流体变质量流动,41,第六章油气井变质量流动,主流流量为6m3/h（雷诺数

13、为42441） 不同入流条件主流压降实验与计算结果对比,90。相位角螺旋射孔格式,室内实验结果与数值计算结果的对比,第二节 水平井筒单相流体变质量流动,42,第六章油气井变质量流动,第三节 水平井筒油水两相流体变质量流动,油水两相分层流动,43,第六章油气井变质量流动,第三节 水平井筒油水两相流体变质量流动,质量守恒方程,动量守恒方程,44,第六章油气井变质量流动,第三节 水平井筒油水两相流体变质量流动,45,第六章油气井变质量流动,第三节 水平井筒油水两相流体变质量流动,46,第六章油气井变质量流动,第三节 水平井筒油水两相流体变质量流动,47,第六章油气井变质量流动,第三节 水平井筒油水两

14、相流体变质量流动,油水两相分散流动,48,第六章油气井变质量流动,第三节 水平井筒油水两相流体变质量流动,油水两相分散流动,49,第六章油气井变质量流动,第三节 水平井筒油水两相流体变质量流动,油水两相分散流动,50,第六章油气井流体变质量流动,第三节 水平井筒油水两相流体变质量流动,实验装置及实验流体参数表,第六章油气井流体变质量流动,51,实验结果分析 （不同含水率对水平井筒中油水两相流动规律的影响 ）,含水0%时不同主流流量压降随注入比的变化,当主流含水率不变的情况下，相同主流流量实验段压降随注入比的增加而加大；当注入比相同时，实验段压降随主流流量的增加而加大。这种现象同上一章中水平井筒

15、的单相流体模拟实验的结果相似。,含水20%时不同主流流量压降随注入比的变化,含水40%时不同主流流量压降随注入比的变化,含水60%时不同主流流量压降随注入比的变化,含水80%时不同主流流量压降随注入比的变化,第六章油气井流体变质量流动,52,实验结果分析（不同主流流量对水平井筒中油水两相流动规律的影响 ）,主流流量为1m3/h时不同含水率压降随注入比的变化,对于相同的主流流量，在相同的含水率条件下，随着壁面入流与主流流量比的升高实验段压降随之增加；,主流流量为4m3/h时不同含水率压降随注入比的变化,主流流量为7m3/h时不同含水率压降随注入比的变化,主流流量为8m3/h时不同含水率压降随注入

16、比的变化,主流流量为10m3/h时不同含水率压降随注入比的变化,第六章油气井流体变质量流动,53,实验结果分析 （不同注入比对水平井筒两相流动规律的影响 ）,对于相同的注入比，在相同的含水率条件下，随着主流流量的增加实验段压降随之增加；而对于相同的实验段主流流量，随着含水率的变化实验段压降却表现出不同的变化规律。 主流流量较低（13m3/h）时，实验段内的油水两相流动为分层流动。 随着主流流量的增加，分层流向分散流过渡，主流含水率对压降的影响开始加大 随着主流流量的不断增加，油水两相完全掺混形成分散流，含水率对压降的影响非常显著。当主流流量超过8m3/h时，含水为40%时的总压降最高 。,注入

17、比0.1%不同主流流量压降随含水率的变化,注入比0.2%不同主流流量压降随含水率的变化,第六章油气井流体变质量流动,54,含水60%主流流量1m3/h注入比为20%流型,55,含水20%主流流量4m3/h注入比为5%流型,含水60%主流流量5m3/h注入比为10%流型,56,含水40%主流流量9m3/h注入比为10%流型,含水40%主流流量10m3/h注入比为5%流型,57,58,第六章油气井变质量流动,第三节 水平井筒油水两相流体变质量流动,59,第六章油气井变质量流动,第三节 水平井筒油水两相流体变质量流动,油水两相分散流动,60,第六章油气井变质量流动,第三节 水平井筒气液两相流体变质量

18、流动,气液两相变质量流动流型： 1、气液两相分层流动 2、气液两相分散泡状流动 3、气液两相环空雾状流动,61,第六章油气井变质量流动,第三节 水平井筒气液两相流体变质量流动,气液两相分层流动,62,第六章油气井变质量流动,第三节 水平井筒气液两相流体变质量流动,质量守恒方程,动量守恒方程,63,第六章油气井变质量流动,第三节 水平井筒气液两相流体变质量流动,64,第六章油气井变质量流动,第三节 水平井筒气液两相流体变质量流动,65,第六章油气井变质量流动,第三节 水平井筒气液两相流体变质量流动,气液两相分散泡状流型,66,第六章油气井变质量流动,第三节 水平井筒气液两相流体变质量流动,气液两

19、相分散泡状流型,67,第六章油气井变质量流动,第三节 水平井筒气液两相流体变质量流动,气液两相分散泡状流型,（6.2.20）,68,第六章油气井变质量流动,第三节 水平井筒气液两相流体变质量流动,气液两相环空雾状流型,（6.2.20）,69,第六章油气井变质量流动,第三节 水平井筒气液两相流体变质量流动,气液两相环空雾状流型,（6.2.20）,70,第六章油气井变质量流动,第三节 水平井筒气液两相流体变质量流动,气液两相环空雾状流型,（6.2.20）,第四节 水平井筒与油藏耦合的变质量流动,水平井计算单元物理模型,油藏水平井生产物理模型,第六章油气井流体变质量流动,71,水平井筒变质量流动 压

20、降模型,摩擦压降：,加速度压降：,混合压降：,基本类型油藏水平井稳定渗流模型,基本类型油藏水平井不稳定渗流模型,第六章油气井流体变质量流动,72,水平井筒与油藏的压降耦合模型的求解实例,第六章油气井流体变质量流动,73,1). 按照不同射孔单元的长度把水平井筒分为N段，每段 包含 一个射孔单元。 2). 给定一个水平井产量的初值Q，则每个射孔单元的产 量即为qQ/L 3). 根据水平井筒压降模型计算水平井筒每个射孔单元的 压降，从而得到各段的压力值。 4). 根据水平井筒与油藏的耦合条件，令油藏中压力值在 水平井井壁上与井筒压力值相等。 5). 根据油藏模型计算出水平井各段射孔单元的产量。 6

21、). 重复步骤3)到步骤5)直到前后两步产量值小于给定 值，计算结束。,第六章油气井流体变质量流动,74,计算结果分析,第六章油气井流体变质量流动,75,第六章油气井流体变质量流动,76,表皮系数（1953年Everdingen）：,第六章油气井流体变质量流动,77,均质油藏水平井表皮系数：,第六章油气井流体变质量流动,78,非均质油藏水平井表皮系数（裸眼完井）：,第六章油气井流体变质量流动,79,非均质油藏水平井表皮系数（射孔完井）：,第六章油气井流体变质量流动,80,二维平面汇聚表皮系数,Mp=2,Mp=3,第六章油气井流体变质量流动,81,Mp=1,Mp=2,Mp=3,井眼堵塞表皮系数,

22、第六章油气井流体变质量流动,82,三维轴向汇聚表皮系数,第六章油气井流体变质量流动,83,三维轴向汇聚表皮系数,mp=2,Mp=3,第六章油气井流体变质量流动,84,第六章油气井流体变质量流动,85,污染带表皮系数,第六章油气井流体变质量流动,86,射孔压实表皮系数,第六章油气井流体变质量流动,87,水平井割缝衬管表皮系数：,第六章油气井流体变质量流动,水平井割缝衬管表皮系数：,88,第六章油气井流体变质量流动,89,第六章油气井流体变质量流动,90,第六章油气井流体变质量流动,91,第六章油气井流体变质量流动,92,第六章油气井流体变质量流动,93,第六章油气井流体变质量流动,94,第六章油气井流体变质量流动,95,第六章油气井流体变质量流动,96,第六章油气井流体变质量流动,97,第六章油气井流体变质量流动,98,第六章油气井流体变质量流动,99,第六章油气井流体变质量流动,100,2020/9/11,10