采气工程多媒体(下)

第五章气井井筒和地面管流动动态预测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。基础知识1、基本方程v+dvz+dzdzzp+dpτwpvzρgAdzθ稳定一维气相流动将气相管流考虑为稳定的一维问题。在管流中取一控制体（如图示），以管子轴线为坐标轴z，规定坐标轴正向与流向一致。定义管斜角θ为坐标轴z与水平方向的夹角。基础知识连续性方程假设无流体通过管壁流出和流入，由质量守恒得连续性方程0dzvAd即G=vA=常数上式表示任意管子截面z上气体质量流量均保持不变。式中——气体密度，kg/m3；v——气体流速，m/s；A——管子流通截面积，m2；D——管子内径，m；G——气体质量流量，kg/s；v——流过单位截面积的气体质量流量，kg/(m2·s)。对于等径油管，ρv为常数。基础知识动量方程方程dtdvAdzFz作用于控制体的外力应等于流体的动量变化：作用于控制体的外力∑Fz包括：质量力（重力）沿z轴的分力－gAdzsinθ压力pA－(p+dp)A管壁摩擦阻力（与气体流向相反）－τwπDdzτw——流体与管壁的摩擦应力(单位面积上的摩擦力)，Pa；πD——控制体的周界长，m；p——压力，Pa；g——重力加速度=9.81m/s2；θ——管斜角，度。基础知识动量方程即为压力梯度方程dzdvvDvfgdzdp2sin2上式总压降梯度可用下式表示为三个分量之和，即重力、摩阻、动能压降梯度(分别用下标g、f和a表示）。其中动能项较前两项甚小，在工程计算中往往可忽略不计。afgdzdpdzdpdzdpdzdp基础知识dzdvvDvfgdzdp2sin2应该强调，坐标轴z的正向与流体流动方向一致。管子的倾角θ规定为与水平方向的夹角，对于垂直气井θ=90°,sinθ=1。在气井管流计算时往往是已知地面参数，计算井底静压和流压，习惯上是以井口作为计算起点（z=0），沿井身向下为z的正向，即与气井流动方向相反。此时，压力梯度取“+”号。第一节、干气井井底压力计算第二节、气液井拟单相流井底压力计算第三节、气水同产井井底压力计算第四节、气井井筒温度计算第五节、节流装置处的压力、温度变化预测第六节、集输气管流计算第五章气井井筒和地面管流动动态预测第一节、干气井井底压力计算1、静止气柱的井底压力计算对于静态气柱，动能和摩擦影响为0，方程可以简化为：10gdHdPdPgdH取H沿井轴向下为正，井口时H=0，可以得到取H沿井轴向上为正，井底时H=0，可以得到：dPgdHdzdvvDvfgdzdp2sin2第一节、干气井井底压力计算2、流动气柱的井底压力计算对气体流动，动能损失相对总的能量损失可以忽略不计vdv=022WfvdLdLd202dPfvdHgdHd讨论垂直管流，90sin1dzdvvDvfgdzdp2sin2dz=dH第一节、干气井井底压力计算3、气体在环形空间流动时的压力计算方法有效管径（EffectiveDiameter）润湿周长流通断面4effd对于环形空间流动：1212212244dddddddeff110324.1252182212sscsedZTqfeppd2-套管内径，md1-油管外径，m第一节、干气井井底压力计算（1）环形空间的流速及摩阻2212224ddqvsc环形空间断面流量环形空间摩阻项dlddqddfpTZLdscw221221221810324.1显然52123122212212effddddddddd如果选用平均温度和平均压缩系数流动气柱公式，计算环形空间流动时的井底流动压力212312221822110324.1ddddeqZTfeppsscstfwf第一节、干气井井底压力计算（2）雷诺数的计算因牛顿粘滞力与润湿周长有关，故不能直接用deff代入式中计算Re，正确的做法是用下式计算12210766.1Reddqggsc（3）摩阻计算在计算摩阻系数f时，Colebrook公式、Jain公式和Chen公式都可以用。诸式中d用代替deff，但Re必须按上式确定。9.012Re25.21lg214.11ddef在气田开采过程中，凝析气、湿气中的重烃和水汽，在油管内会部分冷凝成液相，油管内的流动实为气液两相流。但是，与油井相比较，气液比远远高于油井，流态属雾流，即气相是连续相，液相是分散相。对这类气井，为简化计算，将它视为均匀的单相流，称之为拟单相流。第一节、干气井井底压力计算第二节、气液井拟单相流井底压力计算第三节、气水同产井井底压力计算第四节、气井井筒温度计算第五节、节流装置处的压力、温度变化预测第六节、集输气管流计算第五章气井井筒和地面管流动动态预测第二节、气液井拟单相流井底压力计算拟单相流在计算油管内的压力分布时，直接借鉴单相气流的解题思路和步骤，对气液比大于1780m3/m3的井，用此法处理的结果是令人满意的。•凝析气井拟单相流井底压力计算•高气水比气井拟单相流井底压力计算•油水气同采井拟单相流第二节、气液井拟单相流井底压力计算1、凝析气井拟单相流井底压力计算TZHSg/03417.0110324.12521822sscswhwfedZTqfepp一般修正方法000/24040830MRRgggwTGscTGTGscscgqqqq00003.129.44M（1）气体密度的修正γw-复合气体相对密度；Rg-地面总的生产气油比，m3/m3;M0-凝析油的平均相对分子质量；γ0-凝析油相对密度；γg-凝析气相对密度；qTG-凝析油罐日逸出气量，m3/d；γTG-凝析油罐气相对密度第二节、气液井拟单相流井底压力计算一般修正方法（2）气体压缩系数的修正27.393.1839.103ggpcT2077.0356.0868.4ggpcppcprppp/pcprTTT/再按常规方法确定压缩系数（3）气体流量的修正主要是将凝析油折算成标准状态下的气体体积，称为凝析油的相当气相体积，用符号qEG表示，单位是Sm3/m3。04.22100000MqEGTGEGSGTqqqqq0第二节、气液井拟单相流井底压力计算液相L气相V加热器/冷却器F进料FP,T第二节、气液井拟单相流井底压力计算相态平衡修正方法两个以上的相共存，如果长时间宏观上没有任何物质在相际之间传递，就可以认为这些相之间已达到平衡，称这种平衡为相平衡。LVF第二节、气液井拟单相流井底压力计算相态平衡修正方法①在给定凝析气系统总组成的情况下，根据闪蒸计算方法，可求出井筒中在不同压力和温度下的气、液摩尔分数V、L，各组分在气、液相中所占的百分数(yi，xi)以及气、液相的压缩系数(Zv，ZL)。②求出气、液相的相对分子量Mv,ML，再利用气体状态方程即可得到气、凝析油的密度ρg、ρo，混合物密度仍采用前面介绍的方法计算。③气体流量的修正凝析油、气总质量流量为：scscootQqG205.11000凝析油、气的质量流量分数为:VMVMVMmVLLo)1()1(VMVMVMmVLvg)1(则井筒条件下凝析油、气的质量流量为：tooGmGtggGmG井筒条件下凝析油、气的体积流量为：oooGQgggGQwwoLBqQQ第二节、气液井拟单相流井底压力计算2、高气水比气井拟单相流井底压力计算1988年Oden针对高气水比气井计算井底压力的需要，对Cullender和Smith计算方法进行补充，提出了一个更为完善的计算公式，用于含水汽较多的气井计算井底流动压力。从思路上讲，Oden的想法与推导复合气体相对密度的想法相同。其主要特点是提出了井内流体比容(SpecificVolumeoftheMixture)的概念。•气水比很高，水成分散液滴悬浮于气流中；•气、水两相体积可以叠加。第二节、气液井拟单相流井底压力计算气标每产气和水的总质量气标每产条件下的体积气和水在井内气体比容33Im/1/,mTpwgwgwmmVVVg—1m3(标)气体折算到p、T条件下的体积，m3(气)/m3(标)；Vw—每生产1m3(标)气体，伴生水的体积，m3(水)/m3(标)；因水的压缩性很小，因p、T的变化引起的体积变化可以忽略；mg—1m3(标)气体的质量，kg/m3(标)；mw—每生产1m3(标)气体，伴生水的质量。因质量守恒，认为等于水在p、T条件下的质量，kg/m3(标)。第一节、干气井井底压力计算第二节、气液井拟单相流井底压力计算第三节、气水同产井井底压力计算第四节、气井井筒温度计算第五节、节流装置处的压力、温度变化预测第六节、集输气管流计算第五章气井井筒和地面管流动动态预测第三节、气水同产井井底的计算能量供给和消耗差异流动型态差异流动参数变化压力梯度分布差异Pwh≥Pb单相流Pwh＜Pb，Pwf＞Pb某一点开始出现两相流Pwf＜Pb两相流单相流与多相流的比较发生条件：第三节、气水同产井井底的计算主要内容气液两相流特性参数和基本概念气液两相管流的流型气液两相管流压力梯度方程及求解步骤气液两相管流计算方法第三节、气水同产井井底的计算1、气液两相管流特性参数和基本概念滑脱现象气液混合物上升的垂直或倾斜管中，由于气液密度差异造成气液速度差异，而出现的气体超越液体上升的现象两相的速度差叫滑脱速度ALAG第三节、气水同产井井底的计算持液率（真实含液率）单位管长内液体体积与单位管长容积的比值，持液率实质是指在两相流动的过流段面上，液相面积AL占总过流断面面积A的份额AAHLTPL单位管段总容积（单位管段内液相容积，)持气率（空隙率）AA)(HGTPG单位管长总容积单位管长内气相容积，HG+HL=1第三节、气水同产井井底的计算表观速度真实速度定义：假设某相单独充满并流过管子截面的速度。GSGqvALSLqvALLLLLqqvAAH1GGGGLqqvAAH气、液相在各自所占流通面积上的就地局部速度的平均值1SGGLvvHSLLLvvH第三节、气水同产井井底的计算混合物速度或两相速度滑脱速度若不存在滑脱现象时，vs=0，则：SLLLLSLSGLGvqHvvqqmLGmSLSGqqqvvvAA两相混合物总体积流量与流通截面的总面积之比气液相真实速度之差1SGSLSGLLLvvvvvHH第三节、气水同产井井底的计算气液混合物密度液相密度1mLLgLHH微小流段中两相质量与其体积之比GGLLmALALAL若气井有凝析油和水，则液相密度计算式为：Loowwff11ooowqfqqWOR1wwowqWORfqqWOR其中：第三节、气水同产井井底的计算2、气液两相管流流型定义：油气两相混合物中油气的分布状态。流态不一样，压力计算模型就不一样泡状流动段塞状流动过渡流动雾状流动垂直管气液两相管流流型第三节、气水同产井井底的计算特征：纯液流：无气相，管内流动的是均质液体从井底到井筒压力等于Pb的点之间流体密度最大压力梯度最大压力分布曲线为直线第三节、气水同产井井底的计算泡状流动泡流特征：气体是分散相，液体是连续相；总流量不大，流速较低，摩阻小，密度比纯液流低；气体主要影响混合物密度,对摩阻影响不大；滑脱现象严重，滑脱