1 兩相垂直管流實(shí)驗(yàn)

1、兩相垂直管流實(shí)驗(yàn)氣舉井及絕大多數(shù)自噴井的油管中流動(dòng)的都是油氣或油氣水三相混合物。對(duì)采油來說，油、氣、水混合物在油管中的流動(dòng)規(guī)律多相垂直管流理論是研究自噴井、氣舉井生產(chǎn)規(guī)律的基本理論。在許多情況下，油井生產(chǎn)系統(tǒng)的總壓降大部分是用來克服混合物在油管中流動(dòng)時(shí)的重力和摩擦損失。它不僅關(guān)系到油井能否自噴，而且決定著用自噴和氣舉方法可能獲得的最大產(chǎn)量。為了掌握油井生產(chǎn)規(guī)律及合理地控制和調(diào)節(jié)油井工作方式，必須熟悉氣液混合物在油管中的流動(dòng)規(guī)律。在油氣田開發(fā)過程中，為了充分利用天然資源和取得好的經(jīng)濟(jì)效果，或者要進(jìn)行油氣田動(dòng)態(tài)分析，擬訂油氣田的增產(chǎn)及提高油氣田采收率，高速度、高水平地開發(fā)油氣就必須深入細(xì)致地研究地

2、層油管油嘴生產(chǎn)銜接與協(xié)調(diào)，研究多相流在井筒中的流態(tài)變化。使生產(chǎn)井的工作制度同地層變化了的情況協(xié)調(diào)起來，只有通過各個(gè)生產(chǎn)井的各種變化并把它們綜合起來進(jìn)行分析，才能為整個(gè)油氣田動(dòng)態(tài)分析提供準(zhǔn)確的資料和依據(jù)，并對(duì)各個(gè)注采井提出有效的工藝措施，不斷完善開發(fā)方案，改善油氣田開發(fā)效果。該實(shí)驗(yàn)就是研究氣、液兩相在垂直井筒中的流態(tài)變化及觀察模擬井筒氣體膨脹能參與舉升液體的現(xiàn)象，抓住觀察到的現(xiàn)象綜合分析，并對(duì)所作的氣量與液量的關(guān)系曲線作出解釋。一、實(shí)驗(yàn)原理在多相垂直管流中，沿井筒自下而上隨著壓力不斷降低，氣體則不斷從液體中分離出來，以及壓力降低氣相體積流量逐漸變大。隨著液氣流沿井筒上升，壓力逐漸降低氣體隨之膨脹

3、，不斷釋放出氣體彈性膨脹能量，該能量要參與舉升液體，膨脹能的大小與氣量多少、壓力變化范圍有關(guān)。該實(shí)驗(yàn)是研究液氣兩相在模擬垂直井筒中的流動(dòng)變化。也是利用氣體膨脹能量來舉升液體的實(shí)驗(yàn)，它依靠?jī)煞N作用：一種是氣體作用于液體上，垂直地頂推液體上升；另一種是靠氣體與液體之間的摩擦作用，氣體攜帶液體上升。其能量來源除壓能外，氣體膨脹能是個(gè)很重要的方面。因在管徑不變的油管中，舉升一定的油量，則單位管長(zhǎng)上所消耗的總壓頭，是隨著氣量的不同而變化的，而只有在某一氣量下，舉升一定氣量的液體所必須消耗的壓頭最小。該實(shí)驗(yàn)是以32的有機(jī)玻璃管來模擬實(shí)際油管，并采用恒位水箱保持井筒靜水壓頭不變，也就是在一定直徑的垂直管中保

4、持靜水壓頭不變，利用氣體的膨脹能來舉升液體。由于壓頭不變，所以管鞋壓力P1=C(常數(shù))，其氣舉垂直管的管口壓力P2=1at。因此，氣舉管壓差為P1-P2=C,既保持位常數(shù)。換言之，氣舉管所具有的舉液能量是一個(gè)常數(shù)。因此，v/q不同，混合物的流態(tài)是變化的。圖II(c)(d)多相垂直管流流態(tài)示li.這里所講的流態(tài)，即氣液兩相在垂直管中的流動(dòng)結(jié)構(gòu)或者說是流動(dòng)形態(tài)，是指氣液兩相流動(dòng)過程中其分布狀態(tài)。在液體延井筒流動(dòng)的過程中，壓力隨之逐漸降低，氣體從液體中分離出來的數(shù)量愈來愈多，其體積愈來愈大，隨著氣體和流速的增加，垂直井筒中可能出現(xiàn)多種流態(tài)。最常見的一種流態(tài)劃分有：純液流、泡流、段塞流、環(huán)流（又稱過渡

5、流）、霧流。（見圖11所示）1、純液流當(dāng)井口壓力Pwh大于飽和壓力Pb時(shí)，液體沿井筒上升到井口是靠井底壓力（即靜水壓頭）的作用，此時(shí)只有純液體在管內(nèi)流動(dòng)。見圖11（a）。但事實(shí)上，一般油井井口壓力Pwh都是小于飽和壓力Pb的。2、泡流一般情況下，當(dāng)井底壓力Pwf稍低于飽和壓力Pb,或者當(dāng)井底壓力Pwf高于飽和壓力Pb，而在井筒內(nèi)壓力低于飽和壓力的斷面上，連續(xù)的液體相中包含分散的氣泡（即自由氣），但由于氣量并不多，而且又是處于高壓下，所以多半是以氣泡狀存在液相中，由于氣體比液體輕得多，氣泡所占垂直管斷面的比值也很小，流速也不大，所以氣泡很容易從液體中滑脫而過。因此，滑脫損失比較大，因流速不大，故

6、摩擦阻力小。見圖11（b）。3、段塞流混合物繼續(xù)上升，壓力逐漸下降，氣體進(jìn)一步膨脹小氣泡合并成大氣泡直到能占據(jù)整個(gè)垂直管斷面時(shí)，垂直管中將形成一段液體一段氣的段柱狀結(jié)構(gòu)，這時(shí)氣體托著液體上升，氣體的膨脹作用能得到很好的發(fā)揮，對(duì)液相有很大的舉升力。這種流態(tài)是自噴井中的主要流動(dòng)結(jié)構(gòu)。但是這種氣柱只能象一個(gè)漏活塞一樣，一邊采油，一邊油還要漏下來，不可能將其上面的液體全部舉出去，這也是滑脫損失，但比泡流小得多。摩擦損失因流速增大面增加，見圖11（c）。4、環(huán)流（又稱過渡流）混合物沿井筒繼續(xù)上升，隨著壓力的降低，氣量再度增加并不斷膨脹，氣體的柱塞不斷加長(zhǎng)，逐漸從井筒中央突破，形成中心為連續(xù)氣流，而四周管

7、壁為環(huán)狀液流。此時(shí)，氣流上升的速度增大，氣體靠它與液體之間的摩擦攜帶著液體上升。在該流態(tài)時(shí)，氣體攜帶液體的能力仍很高，滑脫損失降低，摩擦損失因流速上升而增大。見圖11（d）。5、霧狀流當(dāng)壓力再度下降，氣量繼續(xù)增加。中心氣柱將完全占據(jù)井筒斷面，此時(shí)液流以極細(xì)的液滴分散于氣柱中，即氣相為連續(xù)相，而液相為分散相，氣體的膨脹能表現(xiàn)為以很高的流速將液體攜帶到地面。見圖11（e）。這種流態(tài)時(shí)，摩擦損失很大，滑脫損失因二者相對(duì)速度不大而較小。應(yīng)當(dāng)指出的是，上述五種流態(tài)，不一定在每口自噴井都會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，而且在一口井中，井筒壓力變化、油井工作制度改變都會(huì)使其流態(tài)發(fā)生變化。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、觀察垂直管內(nèi)氣、液兩相流

8、態(tài)。2、測(cè)定在不同氣量下的產(chǎn)液量和觀察每一試驗(yàn)點(diǎn)的流態(tài)。3、按流態(tài)界限數(shù)判別流態(tài)，并與實(shí)際觀察到的流態(tài)比較。4、在進(jìn)行定量實(shí)驗(yàn)研究時(shí)，繪制液體體積流量與氣體體積流量的關(guān)系曲線（QV曲線），并確定始噴點(diǎn)、停噴點(diǎn)，最高效率點(diǎn)和最大產(chǎn)量點(diǎn)。三、實(shí)驗(yàn)裝置及流程實(shí)驗(yàn)裝置如圖12所示，即氣液兩相垂直管流態(tài)演示儀。水箱供水至井筒某一恒定位置，打開氣源開關(guān)，通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)與壓力表計(jì)量。開啟供氣電磁閥給井筒供氣，利用氣體彈性膨脹能將掖體舉升出井口，再通過測(cè)液箱計(jì)量液體體積并從計(jì)時(shí)器上計(jì)錄下定體積的時(shí)間。通過數(shù)據(jù)處理，即可得到一定氣量下的產(chǎn)出液量。四、實(shí)驗(yàn)操作步驟1、開啟空氣壓縮機(jī)以產(chǎn)生工作氣源，調(diào)節(jié)壓力設(shè)定選鈕

9、，使氣源壓力為一定值（MPa）；2、打開儀器面板上的電源開關(guān)，打開水箱供水開關(guān)和供液開關(guān)，此時(shí)將向恒位水箱和模擬井筒供水。恒位水箱供水由裝置自動(dòng)控制，打開水箱供水開關(guān)后便可將水位維持在恒定位置。3、將流量調(diào)節(jié)旋鈕逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到初始位置，然后順時(shí)針旋轉(zhuǎn)12圈，待水位上升到標(biāo)定高度后打開供氣開關(guān)，此時(shí)可通過調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)旋鈕控制氣體流量（逆時(shí)針為減小，順時(shí)針為增大）來觀察模擬井筒內(nèi)的流態(tài)變化。4、當(dāng)對(duì)產(chǎn)液進(jìn)行定量分析時(shí)，打開測(cè)量開關(guān)，此時(shí)計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，測(cè)液水箱進(jìn)水，記錄流量計(jì)讀數(shù)。待計(jì)時(shí)器時(shí)間停止計(jì)時(shí)后，關(guān)閉測(cè)量開關(guān)，記錄計(jì)時(shí)器讀數(shù)。5、調(diào)節(jié)氣量，待氣液相相對(duì)穩(wěn)定后重復(fù)步驟4。結(jié)束實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先關(guān)閉空

10、氣壓縮機(jī)，水箱供水開關(guān)和供液開關(guān)，打開放空開關(guān)。待氣液放完后，關(guān)閉供氣開關(guān)，關(guān)閉電源，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。五、注意事項(xiàng)：1、嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)室規(guī)則，未經(jīng)教師允許不得隨便開啟各開關(guān)、儀器按鈕，不得任意旋轉(zhuǎn)儀器上的旋鈕。2、實(shí)驗(yàn)前一定要弄清楚實(shí)驗(yàn)流程及其儀器、儀表、設(shè)備的功用；檢查儀器設(shè)備的開關(guān)、旋鈕的位置是否符合要求。嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)操作部驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。3、試驗(yàn)過程中，調(diào)節(jié)氣量一定要有小到大逐漸慢開啟控制閥，不得突然增大，以防損壞流量計(jì)和造成事故。4、計(jì)時(shí)器停止計(jì)數(shù)后，必須立即關(guān)閉供氣電磁閥，打開測(cè)液箱排液電磁閥，以防測(cè)液箱液體溢出。5、電磁閥電路皆為220V交流電，控制臺(tái)后禁止站立和來往。6、穩(wěn)壓電源電壓只能最大選用12V檔，不得超過該值，以免燒壞儀器和造成其他事故。7、實(shí)驗(yàn)中，如發(fā)生什么故障，應(yīng)立即關(guān)掉電源和供氣閥等，在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下排除故障。兩相垂直管流實(shí)驗(yàn)報(bào)告1、態(tài)判別數(shù)據(jù)表實(shí)驗(yàn)?zāi)坑^流態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)判別流態(tài)QwQgQTVgD(L)B(L)S(L)m2、QV曲線數(shù)據(jù)表測(cè)次原始數(shù)據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)備注時(shí)間T標(biāo)準(zhǔn)注氣流量V壓力讀數(shù)出水體積W標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣量V水流量Q(S)(m3/h)(KPa)(升)(m3/s)(m3/s)3、流態(tài)定量判別數(shù)據(jù)處理公式流態(tài)型態(tài)界限泡流QsfCt*COm段塞流Qs/Qt>(L)s,<(L)s過渡流（L人霧流卩詔備注氣體的體積流量，后張Q-總的體積流