天然气工程_气井管流及节流动态

十五863子课题验收汇报气井管流及节流动态第五章十五863子课题验收汇报气体通过油管和油嘴的流动是气井生产系统中的重要流动过程。热力学第一定律、能量守恒方程，是分析气井系统中单相气体管流和气液两相管流规律的基础。本章重点介绍干气井井底静压、流压、嘴流计算以及存在液相时井底流压的校正。十五863子课题验收汇报第一节气相管流的基本方程第二节气相管流压降的计算方法第三节气液两相管流压力的计算第四节水平管流计算第五节气体节流动态本章内容十五863子课题验收汇报基本概念热力学第一定律能量守恒方程摩阻计算第一节气相管流的基本方程第五章气井管流及节流动态十五863子课题验收汇报一基本概念第一节气相管流的基本方程十五863子课题验收汇报一基本概念我们所研究的流体（气体）通过油管和油嘴的流动，其体系属于敞开体系，体系内既有质量交换，又有能量交换，能量以热和功的形式交换。1、体系图1体系及环境定义宇宙为一个体系。包括宇宙任一有界域，由各组成部分组合在一起。宇宙以外的被认为是环境。十五863子课题验收汇报a体系与环境有物理接触b在体系与环境间的边界上存在温度差异(温度梯度)。热流动的两个条件：2、热能量以热的形式进入一个体系,体系物质内能、势能和动能的总和在增加(如果没有做功).流进体系的热能为正,流出的为负.规定当系统与环境之间因温度的差异而引起的能量交换，这种被传递的能量称为热量，用符号Q表示。一基本概念十五863子课题验收汇报3、功1、没有位移就不能做功；2、力不一定需要产生位移,但力的方向上要有位移；3、体系做功是正的，对体系做功是负的。说明力的方向上移动一段位移就做功。功的表达式:式中：Fl是作用在微分位移dl方向上的分量。ldWFdl（5-1）一基本概念十五863子课题验收汇报一个体系总的能E是体系内能、势能和动能之和：4、能内能U内能是一种与热运动有关的能量，在热力学中是热力学系统的热运动能量，是系统的内能通常是指全部分子的动能以及分子间相互作用势能之和。dUudm（5-5）pkEUEE（5-4）pkdEdUdEdE一基本概念十五863子课题验收汇报势能Ep物体由于具有做功的形势而具有的能叫势能，在管流中主要考虑流体的重力势能。pdEgHdm（5-6、7）动能Ek物体由于运动而具有的能叫动能，它的大小是运动物体的质量和速度平方乘积的二分之一。22kvdEdm（5-8、9）一基本概念十五863子课题验收汇报二热力学第一定律第一节气相管流的基本方程十五863子课题验收汇报热力学第一定律是对能量守恒定律的一种表述方式。热力学第一定律指出，热能可以从一个物体传递给另一个物体，也可以与机械能或其他能量相互转换，在传递和转换过程中，能量的总值不变。表征热力学系统能量的是内能。通过作功和传热，系统与外界交换能量，使内能有所变化。根据普遍的能量守恒定律，系统由初态Ⅰ经过任意过程到达终态Ⅱ后，内能的增量ΔE应等于在此过程中外界对系统传递的热量Q和系统对外界作功W之差，即：EⅡ－EⅠ＝ΔE＝Q－W这就是热力学第一定律的表达式。二热力学第一定律十五863子课题验收汇报敞开体系稳定流动体系的所有性质都不随时间改变.质量传递速率恒定；体系总质量恒定；总的能量也恒定。敞开体系的稳定状态渗流能量平衡方程:=传递出的总能量速率－传递入的总能量速率环境热传入体系的净速率体系对环境做功的净速率－假设：均质流体、稳定流动。二热力学第一定律十五863子课题验收汇报敞开体系的稳定状态渗流能量平衡方程可以表示为：敞开体系的稳定状态渗流能量平衡方程化为：leavingenteringdEdEdQdWdtdtdtdt21dEdEdQdW其中:脚标1表示敞开体系流入情况，2表示流出。22pkvdEdUdEdEudmgHdmdm二热力学第一定律十五863子课题验收汇报功w包括三个部分:（1）在入口边界对体系做的功;（2）在出口边界体系对外做的功;（3）体系做的其他功（叫做轴功）。说明:222122hvvugHugHqw（5-16）2221()()22vvudmgHdmdmudmgHdmdmdQdW/hqwdWdm=dQ/dm、分别表示单位质量流体的热量和做功。二热力学第一定律十五863子课题验收汇报在入口边界对体系做的功在入口边界上对体系单位质量所做的功是在压力P1和比容vs1时敞开体系单位质量流体的力做的功。在体系入口体系施加的力是个常数，为P1A1，方向指出体系。单位质量流体总的位移是常数，为vs1/A1，流入体系流体流动单位质量流体做的功等于P1vs1。体系施加的力的方向和位移相反，功是负的。在出口边界体系对外做的功在出口边界做的每单位质量的功是压力P2和比容vs2时流出体系流体单位质量的力做的功。它的计算和入口时的一样。这时流体施加的力的方向和位移一样，功是正的。2211ssswPvPvw（5-17）lspdWFdlpAdldmpvdm二热力学第一定律十五863子课题验收汇报22212222111122sshsvvugHPvugHPvqw其中：u-比内能J/Kg；vs-比热容m3/Kg;qh-从周围吸收的热量J/Kg；ws-流动中流体所做的功J/Kg.22shsvugHPvqw把（5-17）代入（5-16）得到：（5-18）变形得到：（5-19）二热力学第一定律十五863子课题验收汇报三能量守恒方程第一节气相管流的基本方程十五863子课题验收汇报sssdpvvdppdv（）T—温度，K；vs—比容，m3/kgqh—单位质量流体的热量,J/kgLW—不可逆能量损失（摩阻损失），J/kgvdUudmuCTJ/KkgCv为定容比热，容积为常数时1kg物质温度升高1K所需的热量，22112211ssvPsssssvPPvPvPvPdvvdP（5-22）21ssvhWsvuqLPdv（5-21）三能量守恒方程十五863子课题验收汇报22211122ssssvvPhWssshsvvPvqLPdvgHPdvvdPqw21202PsWsPvgHvdPLw气体稳定流动的积分表达式（5-23）0sWsvdvgdHvdPdLdw气体稳定流动的微分表达式10WsvdvgdHdPdLdw（5-24）（5-25）三能量守恒方程十五863子课题验收汇报对于井筒与水平成θ角的方向井：sindHdL10WsvdvgdHdPdLdw讨论：对于垂直井90sin10WsdPvdvgdLdLdw对于水平井0sin00WsdPvdvdLdwsin0WsdPvdvgdLdLdw气体稳定流动的能量方程式（5-26）三能量守恒方程十五863子课题验收汇报流动的流体既没有做功，也没有被外界做功。即：dws=0sin0WsdPvdvgdLdLdwsin0WdPvdvgdLdL（5-27）两边同乘以dLsin0WdLdPdvvgdLdLdL（5-28）三能量守恒方程十五863子课题验收汇报sin0WdLdPdvvgdLdLdL气体稳定流动的压力梯度形式sinWdLdPdvvgdLdLdLaccclfdPdPdPdPdLdLdLdL（5-29）（5-30）dPdLaccdPdLcldPdLfdPdL—加速度压降梯度，（N/m2）/m；—举升压降梯度，（N/m2）/m；—摩阻梯度，（N/m2）/m。—总梯度，（N/m2）/m；三能量守恒方程十五863子课题验收汇报以上介绍的气体稳定流动能量方程式，无论是哪种形式表示，都是一种通用公式。如何用其解决系统工程中的实际问题，取决于流体是单相还是两相，是水平管、垂直管还是倾斜管等以及气体流量、压差或是管件尺寸或其他参数。解题程序如下：（1）针对求解问题的具体情况将通用公式简化；（2）对有关参数进行状态换算和应用单位换算；（3）将换算后的有关参数代入公式，或在某些假设条件下积分，或用数值方法求解，导出计算所需的公式。三能量守恒方程十五863子课题验收汇报四摩阻计算第一节气相管流的基本方程十五863子课题验收汇报1、达西阻力公式22WfvLLd22WfvdLdLd（5-31）（5-32）四摩阻计算十五863子课题验收汇报2、摩阻系数f对导管里单相气体流动，摩擦因子的影响因素:气体性质气体流动速率流态类型(层流、紊流或过渡流态)管壁粗糙度四摩阻计算十五863子课题验收汇报查图法计算法四摩阻计算十五863子课题验收汇报计算法Nikuradse公式Colebrook公式Jain公式四摩阻计算十五863子课题验收汇报Nikuradse公式121.742lgDf适于完全粗糙管、NRe较大，f主要受相对粗糙度的影响（5-33）四摩阻计算十五863子课题验收汇报Colebrook公式Re1218.71.742lgeDfNf适于紊流的光滑管、过渡区和完全粗糙区三个流态区域（5-34）四摩阻计算十五863子课题验收汇报Jain公式适于所有紊流的计算0.9Re121.251.142lgeDNf2Re1.77610scgggqduNd（5-35）（5-36）四摩阻计算十五863子课题验收汇报第二节气相管流压降的计算方法井底静压的计算井底流压的计算第五章气井管流及节流动态十五863子课题验收汇报1sin0WsvdvgdLdPdLdw气体稳定流动的能量守恒方程微分形式:22WfvdLdLd21sin02sfvvdvgdLdPdLdwd（5-38）（5-37）第二节气相管流压降的计算方法十五863子课题验收汇报1、井底静压的计算对于静态气柱，动能和摩擦影响为0，方程可以简化为：10gdHdP（5-39）dPgdH取H沿井轴向下为正，井口时H=0，可以得到：（5-41）第二节气相管流压降的计算方法十五863子课题验收汇报取H沿井轴向上为正，井底时H=0，可以得到：dPgdH（5-41）第二节气相管流压降的计算方法十五863子课题验收汇报6628.9628.969.8110100.0083140.03417gggPPdPgdHdHZRTZTPdHZT00.03417wstsPHgPZTdPdHP0.03417gZTdPdHP静止气柱能量方程:能量分析：仅存在重力项，摩阻项和动能项为零（5-41）（5-42）第二节气相管流压降的计算方法十五863子课题验收汇报平均温度偏差系数计算方法00.03417wstsPHgPZTdPdHP010.03417wstsPHgPZTdPdHP0.03417lngwstsHPPZT假设：TTconstZZconst具体值取：swstsPPe0.03417gHsZT（5-43）（5-44）()2,()2()()/2tswstswstswsTT+T/PP+P/Z=fp,TZ=Z+Z或第二节气相管流压降的计算方法十五863子课题验收汇报迭代法计算Pws的步骤：①对Pws赋初值：010.00008wstsPHP②计算③赋值④计算⑤计算⑥计算⑦计算新Pws⑧判断｜Pws（0）－pws｜＜ε？成立则结束。否则转至③()2tswsTT+T/0wswsPP()2tswsPP+P/()()/2tswsZ=fp,TZ=Z+Z或0.03417/gsHZT第二节气