采油工程2.

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Pwf＞PbPt，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+qG4、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ρm=wm/qm，wm—质量流量质量守恒,wm不变,qm随流体上升而增加，ρm随流体上升而下降。qmqLqGρmvmHPb6、压力分布(1).液柱垂压Pm=Hρmg压力梯度:Pm/H=ρmg由于ρm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，ρm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PtPH(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。二、混气液密度1、理论密度设：油相截面积:AL气相截面积:AG高度L的流体质量为L（ALρL+AGρG）体积为:LA（A=AL+AG）气液混合物流动时过流断面简图AALAG持液率:单位管长内液体体积与油管容积的比值持气率：（1-46）（1-47）则混气液密度:（1-48）（1-56）（1-56b）（1-55）（1-55a）()LLGGLAAmLA2、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）VSL-液相表观速度VSL=qL/A（1-53）VSG-气相表观速度VSG=qG/A（1-52）（1-54）（1-54a）（1-51a）（1-50a）（1-49a）LSLLHvv则:式中第一项是无滑脱密度ρns(VG=VL)3、实际密度qG=vGAG，vG，则AGA=AL+AG，AG，AL若无滑脱时液相面积AL滑脱时增加ΔAL气液混合物流动时过流断面简图AALAG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。（1-57）式（1-48）-式（1-55a）得：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，有天然气析出，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，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。环雾流(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。气相、液相均为连续相。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。压降梯度变得更大,压能损失更为严重。HP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ⅢⅡⅣ2、水平管气液两相流流型分层流：见图1—20层状平滑流：沿管子底部流动的液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1—20段塞流：包括大液体段塞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1—20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，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:ΔH一般取50～100m（3）假设这一区间的压降值ΔP(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（7）计算dp/dh和ΔP'（8）比较ΔP'与ΔP,若相差超过允许值,以ΔP代入。（9）重复第4步到第8步也可以选择假设压降值ΔP,来计算区间ΔH',比较ΔH与ΔH'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f—Dv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。Qrkiszewski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。二、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ρL气液间的表面张力σ2、变量的无因次化应用π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。ⅠⅡⅢNLVNGVNGVLS段塞流NGVLS过渡流（下限）NGVLM过渡流（上限）NGVLM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)Or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。vmqG/qm1.00.1323/8段塞流泡流41/2431/227/81.9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)压力梯度公式：(1-66)(1-69)(1-71)(1-72)三、垂直管两相上升流Orkiszewski方法b.混合物的密度（1-48）1.泡流泡流取:Vs=0.244m/sa.空隙率(1-51b)(1-77)c.各相的体积流量Rp—生产油气比,等于产气量比产油量,m3/m3Rs—溶解油气比，m3/m3Rw/o—水油比，m3/m3Bo—地层体积系数d.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。f由工程流体力学计算。e.摩阻(1-78)对于紊流流态（NRe2300）（1-80）（1-80a）对于层流（NRe≤2300）对于泡流，一般为层流。fo-含油率fw=1-fof.动能项（泡流条件下忽略）fw-含水率(1-79)2.段塞流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。Vs可由Griffith和Wallis公式计算：(1-82)(1-83)滑脱速度雷诺数:Vs也可根据Nb值计算：当:Nb≤3000时当3000Nb8000时（1-85）（1-85a）混合物速度雷诺数:（1-84）当Nb≥8000时b.液体分布系数Co的选用公式见表1-10（1-85b）（1-86a）（1-86b）（1-86d）（1-86c）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1-84)由式1-80计算。'ReN3.雾状流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0.001—0.5（1-94b）-液体的表面张力。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：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:（1-89）（1-88）计算实例参见教材：例1-6四、波特曼和卡蓬特方法1.基本方程2.λ的确定(1)液相雷诺数(2)气相雷诺数(3)两相雷诺数α、β—相关系数，如大庆：α＝10，β＝1k:气液质量比(4)λ与NRe2关系根据实测dp/dh,由能量方程求λ计算NRe2；作图。应用时，根据NRe2查图得λ，求dp/dh。五、Gilbter图版法优点：使用简便；缺点：不够精确。1.图版的建立大量自喷井的实测数据表明：dp/dh取决于:D、qL、R、Pt、H、Pwf和流体性质。基本思想：(1)认为流体性质都一样(同一油田)，适用于825946kg/m3的原油；(2)把D、qL、R、Pt分成一组，油井的这四个参数一样，作H~Pwf的关系曲线(3)曲线关系：压力相等点的压降梯度相等，斜率相同，曲线重合。(4)等值深度：与B井井口压力对应的A曲线的深度坐标叫B井井口关于A曲线的等值深度。B井井底等值深度=井口等值深+B井井深例：A、B、C三口井的压力分布曲线a、b、c曲线均为OAB曲线的一部分，OAB曲线就可以表示不同井口压力油井的压力分布。ABPHOCABabcx2.图版设置(1)曲线从坐标原点开始；(2)在同一坐标系中，改变油气比，绘制不同的压力曲线；(3)改变产量，得另一曲线簇；(4)改变油管直径得出又一曲线系列。3.图版应用(1)坐标：横轴：压力，Psi；纵轴：深度，千英尺；(2)参数：R，千英尺3/桶；油管：1in、2.5in、2.875in；产量:50、100、200、400、600等桶/天(3)实际压力的内插法当油气比界于两曲线之间，则由两条曲线查出二个压力值，再由内插法(以X代R，Y代表P),确定实际压力值。六、倾斜(水平)管两相流计算方法M-B(Mukherjee和Brill)的压降梯度方程为:式中—管斜角（0—+90º）垂直生产井=+90º;垂直注入井=-90º（1-97）（1-98）无因次气体速度无因次液体速度（1-73）（1-100）无因次液相粘度（1-99）流向向上和水平流向下流流型所有分层流其它系数值C1-0.380113-1.33082-0.516644C20.1298754.8081390.789805C3-0.1197884.1715840.551627C42.34322756.26226815.519214C50.47756860.0799510.371771C60.2886570.5048870.393952式（1-98）的回归系数（表1-11）若则为雾状流，否则为泡流–段塞流。泡