西南石油采油工程课件 采油工程_第1章2.ppt

1、第二节 气液两相管流基本概念及基本方程 一、 多相垂直管流物性变化规律 Pt Pb， 单相垂直管流 PwfPbPt ，多相垂直管流 1、气体体积流量qG 从压力等于Pb点起出现小气泡，越往上流，压力越低，气体体积膨胀，新气体析出，qG不断增加。,2、液体的体积流量qL 随流体上升，压力低于Pb以后，气体 析出，qL略有下降，与qG的增加相比基本不变。 3、总混气液的体积流量: qm=qL+qG 4、混气液流速 Vm=qm/A=(qL+qG)/A (1-54) A不变, Vm的变化与qm的变化一致。,5、混气液密度 m= wm/qm ， wm质量流量 质量守恒, wm不变, qm随流体上升而增

2、加，m随流体上升而下降。,6、压力分布 (1). 液柱垂压 Pm=Hmg 压力梯度: Pm/H=m g 由于m随位置而变化,故液柱压力梯度也随位置而变化。,Vm随着位置而变化，越向上越大，m越向上越小，而速度是平方项，故摩阻梯度随速度而显著变化。,(2). 摩阻梯度,Pt,P,(3). 总压降梯度 总的压降梯度, 也随位置变化，不是常数, 压力分布曲线不是直线。,H,1、理论密度 设：液相截面积:AL 气相截面积AG 高度L的流体质量为 L(ALL+AGG) 体积为: LA （A=AL+AG）,二、混气液的密度,则混气液密度:,（1-48）,持液率: 单位管长内液体体积与油管容积的比值,（1-

3、46）,持气率：,（1-47）,2、油气滑脱现象 由于油气密度不同，在垂直管中气体比液体上升快的现象称为滑脱现象。两相的速度差叫气体的滑脱速度。,vS = vG -vL,（1-50）,（1-49）,（1-51）,泡流取: Vs= 0.244 m/s,VSL-液相表观速度 VSL=qL/A （1-53） VSG=qG/A （1-52）,（1-54）,（1-50a）,同理：,（1-51a）,（1-55）,（1-56）,（1-55a）,无滑脱持液率,无滑脱混合物密度:,有滑脱混合物密度:,（1-48）,（1-48）,（1-55a）,无滑脱时：,存在滑脱时：,则:,式中第一项是无滑脱密度ns (VG=

4、VL),密度所引起的压力变化是油气流动时不可避免的压力损耗,叫有效损耗。 式中第二项是滑脱引起 的密度增量,它所引起的压 力变化叫滑脱损失。,1、垂直管气液两相流流型 纯液流: 从井底到井筒压力等于Pb的点之间。无气相,管内流动的是均质液体，叫纯液流，流体密度最大，压力梯度最大，压力分布曲线为直线。,三、气液两相管流的流型,泡 流：管内从压力等于Pb 起，有气体析出，呈现泡状,分散在液相中。随着油流上升，压力下降, 气泡渐渐膨胀，这时液相是连续相，气相是分散相。这时，气体的体积流量仍较小。总流量不大，流速较低，摩阻小，密度比纯液流低，但滑脱损失较大，压降分布曲线呈上凹型。,段塞流： 随混气液上

5、升,压力下降,小气泡膨胀成大气泡。当气泡断面几乎与油管直径相当时，井筒内形成一段气，一段液的流动结构。气段外有液膜,液相仍是连续相,气相是分散相。气体体积流量较泡流大,摩阻较泡流大,密度较小,滑脱较小。气段膨胀时顶着液段上升,举油效果好,总的压力损失最小。,过渡流：气体体积膨胀，气段增长,液段被突破,气段与上部气段相连形成中心是气、外环为液膜的流态。液体靠中心气流的摩擦携带作用向上运移。液相从连续相过渡到分散相，气相从分散相过渡到连续相。这时体积流量较大,密度小。压降以重力为主过渡为以摩阻为主。总压降比段塞流大，压降曲线呈上凸型。,雾流： 气体体积流量越来越大,管壁的油膜越来越少,液相主要以雾

6、状分散到气相中。气为连续相,液为分散相。这时密度很小,但流速很大,压降主要消耗在摩阻上。,2、水平管气液两相流流型,分层流：见图120 层状平滑流：沿管子底部流动的流体和顶部流动的气体之间具有平滑的界面。流量较低。 层状波状流：气、液界面变成波状的，气体流量较高。 环流：在管壁上形成液环，管子中心为夹带液滴的气流。气液流量较高。,间歇流：见图120 段塞流：包括大液体段塞流与几乎充满管子的高速气泡的交替流。 塞流：大气泡沿管子顶部流动，而管子下部为液流。,分散流：见图120 泡流：大气泡集中在管子的上半部。 环雾流：气流量高、液流量低，气流中夹带液滴。 倾斜管的两相流流型不同于垂直管或水平管，

7、它与管斜角有关。,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 沿程压降=位能增量+沿程摩阻+动能增量,压降梯度=重力梯度+摩阻梯度+动能梯度,（1-58）,单相流 ：,多相流 ：,对于水平管流：,（1-61）,（1-62）,（1-63）,2. 压力梯度方程求解步骤 （1）以井口或井底为起点(由已知压力的位置定) （2）选择一个计算区间长度:H一般取50100m （3）假设这一区间的压降值P(由经验定) （4）计算出区间的平均温度和平均压力Pav,Tav （5）确定Pav和Tav下的物性参数 （6）判断流态,计算不同流态下的混合流体密度、摩阻系数,（7）计算dp/dh和P（P d

8、p/dhH） （8） 比较P与P,若相差超过允许值,以P代入。 （9）重复第4步到第8步 也可以选择假设压降值P,来计算区间H, 比较H与H的方法。,一、发展历史 1952年，Poettmann和 Carpenter根据能量方程提出摩擦损失系数法。 （1）忽略了动能项； （2）不划分流态； （3）计算混合物密度时未考虑滑脱； （4）由fDv相关曲线计算f。,第三节 气液两相管流计算方法,1961年,M.R.Tek 引入两相雷诺数和气、液质量比K，考虑了流体粘度和K的影响。 Orkiszewski经对比研究发现： Griffith和Wallis及Duns和Ros方法在低流速范围比较精确，但在高流

9、速下不够准确。他将Griffith计算段塞流的相关式改进，推广到高流速区。采用Ros的方法处理过渡流态。针对不同流态计算存容比和摩擦损失。,压力梯度公式：,(1-66),二、垂直管两相上升流Orkiszewski方法,只考虑气相压缩性：,(1-67),(1-68),注意号,(1-69),(1-71),(1-72),(1-68),(1-66),mt伴随生产1m3地面脱气原油产出的油、气和水的总质量，kg/m3。,(1-70),日产生产数据,三、流态划分 1、影响流态的因素 有13个变量因素影响多相管流的流态， 其中主要有： 液相表观速度 VSL=qL/A （1-53） （假想只有液相在油管中流动

10、时的速度） 气相表观速度 VSG=qG/A （1-52） （假想只有气相在油管中流动时的速度） 液相密度L 气液间的表面张力,2、变量的无因次化 应用定理对上述因素进行处理（参变量的无因次数组化，基本物理量：g、L、）,得出二个无因次变量:,无因次气体速度,无因次液体速度,（1-73）,（1-100）,3、流态划分 ROS 通过实验研究: I 区为泡流区； II 区为段塞流区；III 区为雾状流区； 介于II 区和III 区 之间的是过渡流区。,LS,LM,NGV LS 过渡流（下限） NGV LM 雾状流,段塞流的界限值为:,雾流的界限值为:,回归出界线方程：,(1-75),(1-76),O

11、r进一步实验后，得出泡流与段塞流的划分界线： 纵坐标：qG/qm，气流量和总流量的比值 横坐标: Vm=(qG+qL)/A , 总流速。 曲线族为不同的直径，曲线之上为段塞流,曲线之下是泡流。,当qG/qm0.13时,无论其他参数如何均为泡流,曲线的经验公式为:,LB=1.071- 0.7277,(1-74),a.混合物的密度,（1-48a）,四、不同流态下混合物密度与摩阻梯度的计算,1.泡流,?,空隙率HG与滑脱速度有关。滑脱速度表示为气相速度和液相速度之差。,（1-51b）,实验表明，泡流中的滑脱速度的平均值可取0.244m/s。,（1-77）,?,各相的体积流量,Rp生产油气比,等于产气

12、量比产油量,m3/m3 Rs 溶解油气比， m3/m3 Rw/o水油比， m3/m3 Bo 地层体积系数,(1-72a),av工作状态；sc标态,各相的密度,gsc-标准状态下，天然气的密度。 G-平均温度和压力下，天然气的密度。,至此m可求出。,b.摩阻,(1-78),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。,?,f由工程流体力学按单相液流计算。,（1-79）,fo-含油率,fw=1-fo,fo=,对于紊流流态（NRe2300）,（1-80）,（1-80a）,对于层流（NRe2300）,对于泡流，一般为层流。,c:动能项 （泡流条件下忽略）,2.段塞流,

13、a.混合物密度,CO- 液体分布系数； U1-油膜与油滴的体积； U2-气泡的体积； Wm-混合物质量流量。,（1-81）,?,与泡流的计算相同,（1-70、1-71）,Vs：滑脱速度 方法一,和混合物速度雷诺数:,（1-83）,（1-84）,由滑脱速度雷诺数:,（1-82）,迭代计算,当:Nb3000 时,当3000Nb8000时,（1-85）,（1-85a）,滑脱速度 方法二,当Nb8000时,b.液体分布系数Co的选用公式见表1-10,（1-85b）,c.摩阻梯度的计算,由工程流体力学,d.段塞流动能项:忽略,（1-87）,式中f单相流体摩阻系数。 根据管壁相对粗糙度e/D和雷诺数 (式

14、1-84) 由式1-80计算。,3.雾流,a.混合物密度,雾流时,滑脱速度：,（1-48a）,（1-90）,b.摩阻梯度,Vm用气体表观速度近似代替。,f由气相雷诺数和液膜相对粗糙度计算,（1-92）,（1-91）,c.液膜相对粗糙度 根据无因次韦伯系数选择计算式：,当,（1-94a）,（1-93）,-液膜的相对粗糙度，取0.0010.5,（1-94b）,-液体的表面张力。,（1-80）,d.动能项 视气体流动过程中发生等温膨胀。 根据气体定律，动能变化可表示为：,总压降梯度：,（1-69）,4过渡流 过渡流没有独立的计算方法， 用段塞流和雾流计算后内插。,段塞流的界限值为:,雾流的界限值为:

15、,（1-89）,（1-88）,计算实例参见教材：例1-6,（1-76）,（1-75）,例1-6某不含水自喷井产油量Qo为38m3/d，产气量Qg为2027.4 m3/d，原油和天然气的相对密度分别为0.85和0.65，原油饱和压力8.66MPa，油压2.352MPa（表压）井口温度Twh为25，油管内径62mm。试用Orkiszewski 方法计算井口压力梯度。,补充： 井深H：2500m，井底温度100（或温度剃度T 3/100m），求井底压力,/100m,解： （1）以井口或井底为起点(由已知压力的位置定) 以井口压力P1 =Pwh=2.352MPa, T1=Twh, H1=0为计算起点

16、（2）选择一个计算区间长度: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 （4）计算出区间的平均温度和平均压力Pav,Tav Pav= P1+ P/2 Tav=T1+ T* H/2,（5）确定Pav和Tav下的物性参数 计算Rs、Bo、 、o、o、Zg、 g、Bg、Rp、qG、qL、qm、Wm、VSG、VSL、Vm 等 （6）判断流态 计算 NGV、LB、LS、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 、f、f 等，最终计算dp/dh 则： P= dp/dh*

17、 H,（8） 比较P与P,若相差超过允许值,以P代入。 如果 ，则进行下一段计算: P1 = P1 + P ,H1= H1 +H,T1=T1+ T* H 直至井底； 否则，用P代替P返回到 （4）重新计算到第8步 也可以选择假设压降值P,来计算区间H, 比较H与H的方法。,六、倾斜（水平）管两相流计算方法,Beggs和Brill（1973） Mukherjee和Brill（1985）,（1-97）,(1-69),对比：,（1-98）,管斜角（与水平方向的夹角（0+90o）。对于垂直生产井= +90o； 对于垂直注入（蒸汽）井=-90o）。,无因次液相粘度,无因次液相速度,（1-100）,（1-

18、99）,（1-73）,无因次气相速度,在确定摩阻系数时，只需区分泡流段塞流和雾流,（1-101）,若 则为雾状流，否则为泡流段塞流。,对于泡流段塞流：,（1-55a）,（1-102）,（1-103）,（1-80）,无滑脱雷诺数为：,ns,对于雾流（环流），其两相摩阻系数fm 考虑为相对持液率HR和无滑脱摩阻系数fns 的函数，确定步骤如下： (1) 计算相对持液率 HRL /HL （1-104） (2) 根据HR按表1-12确定摩阻系数比fR ； (3) 根据NRens由摩阻系数公式（1-80）计算f，即为 fns ； (4) fm fR fns 。,七、环形空间流动的处理方法,圆管：Di=0

19、，故R=D0/4，水力相当直径De=4R 环空：水力相当直径为：,(1-105),1. 水力相当直径 水力半径定义为：,ee环空相当粗糙度； ei 、eo 环空内、外管有效粗糙度。 环空壁面的腐蚀和结垢及环空中接箍的局部摩阻的影响。,环空流动可用相当直径e代替涉及管径一次方的关系式。 计算两相流流速时仍用实际过流截面积。,2. 相当粗糙度,(1-106),截面积,第四节 嘴流动态 自喷井一般要装油 嘴，用于调节生产。 套压（Pc）：指示 油管和套管环空的压力。 油压（Pt或P1）：原 油举升到井口时的剩余能量，同时又是通过油咀的动力。 回压（PB或P2）:油嘴后剩余压力，又是地面管线流动的动力。,一、油咀流动的特点 1临界流动 油气流速可达临界速度，油嘴前后宛若两个系统。 临界流速流体的流速达到压力波在流体介质中的传播速度，即声速。 临界流动状态流体达到临界速度时的流动状态。 特征：油嘴下游压力对气体流量无影响,2.流量与油嘴前后压力比的关系 当 Pt=PB时,V =0, 即 PB/Pt=1时，q =0； ab 段：PB/Pt q ； b点：当PB/Pt =C 时，q达到最大： bc段： PB/Pt q =C 达到最大流量时的压力比(PB/Pt)c 称为临界压力比。（PB/Pt)c 这一点叫临界点，