垂直管流中氣

1、垂直管流中氣一液兩相的研究現(xiàn)狀徐海軍(西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安，710065)摘要：深井氣舉采油由于流程長(zhǎng)、產(chǎn)量變化范圍大而有著一系列的特點(diǎn)。因流程長(zhǎng)，使得氣液兩 相混合物在流動(dòng)過(guò)程中壓力變化很大，不可避免地要產(chǎn)生兩種甚至多種流動(dòng)型態(tài)(Flow Pattern)，而 不同流動(dòng)型態(tài)對(duì)壓降、持液率(空隙率)、混合物密度影響非常大，影響著氣舉井的設(shè)計(jì)和運(yùn)行。有人 認(rèn)為，在深井、超深井氣舉中，有1000m左右的管段可形成段塞流。另外產(chǎn)量變化也極大地影響著壓 力梯度和持液率，而壓力梯度是氣舉井設(shè)計(jì)的最基本依據(jù)(以此確定注氣點(diǎn)位置、氣舉閥分布及數(shù)量、 注氣壓力)，因此，要使氣舉井工作最優(yōu)，必須研究鉛

2、直氣液兩相管流問(wèn)題。關(guān)鍵詞：垂直管流流型兩相1研究現(xiàn)狀對(duì)于氣一液兩相管流的研究，一般多是從能量平衡和物質(zhì)守恒關(guān)系出發(fā)，來(lái)計(jì)算氣液混合物在 管中的平均流速、密度、水頭損失、壓力梯度等有關(guān)參數(shù)問(wèn)題。早在1914年Wisconsin大學(xué)的Davis-Weider便發(fā)表了在直徑為31.75mm短玻璃管內(nèi)以空氣舉升水的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。他們把管內(nèi)摩擦 因數(shù)與滑移關(guān)聯(lián)起來(lái)，試圖得到以DVP為自變量，與單相流摩擦因數(shù)f相一致的曲線，由于當(dāng)時(shí)并 未考慮混合物總的流動(dòng)密度，只是使用了水的密度，而沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的效果，但卻為后來(lái)的兩相流研 究奠定了基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)近一個(gè)世紀(jì)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的大量研究工作，已經(jīng)預(yù)測(cè)流動(dòng)模型形成和發(fā)展

3、了各種各 樣的力學(xué)模型。研究方法上可概括為不考慮流動(dòng)型態(tài)和考慮流動(dòng)型態(tài)兩類(lèi)。1.1不考慮流動(dòng)型態(tài)方法是將流型、滑脫損失及加速度影響計(jì)入兩相阻力系數(shù)中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出壓力梯度相 關(guān)式。在早期Poettmann-Carpenter (1952)和M.R.Tek(1961)的摩擦損失系數(shù)法的基礎(chǔ)之上，Baxendell、 Thomax(1961)、Brown(1963)、Hagedorn(1965)及 Govier、Aziz(1972)和大慶石油學(xué)院陳家瑯(1979)等國(guó) 內(nèi)外學(xué)者先后針對(duì)井內(nèi)氣液比、密度和粘度等參數(shù)隨井深變化、油井總流量、以及油管直徑的影響等， 在計(jì)算方法上作了進(jìn)一步的修正

4、，為推動(dòng)后來(lái)的各種經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)壓降預(yù)測(cè)模型的建立和確保模型的 精確度，起了重要的指導(dǎo)作用。1.2考慮流動(dòng)型態(tài)這種方法的共同特點(diǎn)是以某一標(biāo)準(zhǔn)劃分流動(dòng)型態(tài)，然后根據(jù)不同流動(dòng)型態(tài)確定氣液混合物的密度、 空隙率及壓力梯度。Duns-Ros兩位學(xué)者于1961年至1963年先后通過(guò)數(shù)千次的實(shí)驗(yàn)，從10個(gè)無(wú)因次 群中確定出了4個(gè)有意義的無(wú)因次群，首次得到了真正意義上的流動(dòng)形態(tài)分布圖；后來(lái)，針對(duì)前人提 出的流態(tài)分布圖，不同的學(xué)者通過(guò)總結(jié)前人的不足，形成了各自關(guān)于流態(tài)劃分、流態(tài)判別以及流態(tài)轉(zhuǎn) 換的解釋模型，先后發(fā)展起來(lái)了 Orkiszewaki 方法、Aziz-Gorier-Fogaras 方法、Taite-B

5、ornea-Dukler 方 法、Hasan-Kabir方法、Ansari等的方法， 以及現(xiàn)在的Kaya方法、H.Shi&J.A.Holmes等的井筒三相 穩(wěn)定流漂移流動(dòng)模型和E.A.Osman等提出的基于反向傳播學(xué)習(xí)算法的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)方法(表1)表1氣一液兩相管流研究方法方式模型(方法)計(jì)算條件評(píng)價(jià)及應(yīng)用不考慮流動(dòng)Poettmann-Carpenter摩擦損失系數(shù)法氣液兩相混合物 視為均勻介質(zhì)20世紀(jì)60年代以前最經(jīng)典垂直多 相管流模型，適用于高流量低氣液比 油井Baxende 及 M.R.Tek 和Thomax等摩擦 損失系數(shù)法考慮液體粘度和 氣液質(zhì)量比的氣 液兩相雷諾數(shù)是對(duì)模型

6、在考慮氣液比、密度及粘度 等因素影響之后的修正，在低產(chǎn)量低 密度油井范圍內(nèi)仍存在誤差型態(tài)Hagedorn- Brown 方 法以氣液兩相滑脫 為基礎(chǔ)（滑移 模型）通過(guò)計(jì)算持液率來(lái)修正摩擦因數(shù)，從 而求解由滑移增大的靜壓梯度，在水 平多相管流中得到了廣泛應(yīng)用考慮流動(dòng)型態(tài)Duns-Ros壓降計(jì)算 方法利用因次分析，從 10個(gè)無(wú)因次群中 確定出4個(gè)有意 義的無(wú)因次群提出的無(wú)因次群對(duì)油井多相垂直管流 方法的發(fā)展起了重要作用，在工程上 可以達(dá)到很好的精度，它更適用于較 短的管段，而對(duì)深度或壓差很大的 井，需進(jìn)行一連串的分段計(jì)算Orkiszewaki 方法將壓力梯度按流 動(dòng)型態(tài)劃分，采用 不同的方法進(jìn)行

7、計(jì)算率先對(duì)每個(gè)流型單獨(dú)進(jìn)行計(jì)算并定義 了液體分布系數(shù)，使Griffith-Walks 的段塞流計(jì)算延伸到高流量范圍，是 業(yè)界公認(rèn)的可靠方法之一Aziz-Gorier-Fogaras方法在密度和摩擦損 失項(xiàng)中，通過(guò)氣液 兩相分離作用，引 入當(dāng)?shù)貧庀囿w積 因素這種分布圖流型轉(zhuǎn)變界線明確，有表 達(dá)式，計(jì)算機(jī)處理方便，是業(yè)界普遍 認(rèn)可的方法之一Taite-Bornea-Dukler方法從一種流型到另 一種流型轉(zhuǎn)變發(fā) 生的機(jī)理出發(fā)解釋和預(yù)測(cè)了轉(zhuǎn)變條件，提出了描述 轉(zhuǎn)變的物理模型，發(fā)展了理論基礎(chǔ)的 轉(zhuǎn)變方程，以構(gòu)造流型圖，較全面地 考慮了影響流型轉(zhuǎn)變的各種因素，使 應(yīng)用范圍變寬Hasan-Kabir 方法

8、充分采用等人在 氣液兩相流動(dòng)轉(zhuǎn) 變機(jī)理方面的研 究成果給出了各種流型下的油井壓力梯度的 計(jì)算方法，進(jìn) 步量化和擴(kuò)大了兩相 流的應(yīng)用范圍Kaya方法對(duì)前人的力學(xué)模 型進(jìn)行總結(jié)和修 正利用擴(kuò)大的TUFFP油井?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行評(píng) 價(jià)，將該模型進(jìn)行壓降預(yù)測(cè)的同時(shí)也 和 Ansari 等人、Chokshi、Hasan-Kabir 和Tengesdal力學(xué)模型，以及Aziz等 人、Hagedorn和Brown的相關(guān)式進(jìn)行 了比較，研究結(jié)果表明此模型與數(shù)據(jù) 較吻合E.A.Osman 人工彳申 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）方法基于反向傳播學(xué) 習(xí)算法的人工神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）方 法進(jìn)行對(duì)井底流 動(dòng)壓力以及垂直 井筒壓力降的預(yù) 測(cè)

9、通過(guò)對(duì)中東206份區(qū)塊資料的收集整 理，開(kāi)發(fā)了一整套人工神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè) 模型及系統(tǒng)，經(jīng)模型的分析驗(yàn)證表 明，該方法達(dá)到了現(xiàn)有相關(guān)關(guān)系式和 傳統(tǒng)半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式所不能及的精確 度；同時(shí)，模型的趨勢(shì)分析表明，該 系統(tǒng)為壓降預(yù)測(cè)提供了各種可靠的物 理參數(shù)2、研究現(xiàn)狀分析資料分析表明，井筒氣一液兩相垂直管流的研究大多集中于20世紀(jì)70、80年代，進(jìn)入80年代 后的研究較少；60年代以后的研究多數(shù)都集中在考慮流動(dòng)型態(tài)的氣一液兩相和油、水、氣三相流動(dòng) 的力學(xué)模型研究之上，有些研究是在特定條件下將油、水整體作為液相而與氣相組成的簡(jiǎn)化兩相流動(dòng)。 先期的大多數(shù)研究只是基于實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)或是局部現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的匯總和數(shù)學(xué)處理，

10、因而所得到的每一種模 型在精度及實(shí)用性等方面都有其自身的局限性；而近十余年的相關(guān)研究表明，依靠擴(kuò)充的現(xiàn)場(chǎng)油井?dāng)?shù) 據(jù)庫(kù)，結(jié)合不同流態(tài)轉(zhuǎn)化的經(jīng)典表達(dá)式所進(jìn)行的預(yù)測(cè)，結(jié)果相當(dāng)令人滿意，并且能很好地與實(shí)際數(shù)據(jù) 相吻合。由表1可知，每一種研究方法對(duì)特定流態(tài)的判別有其各自的劃分依據(jù)，都是建立在各自經(jīng)驗(yàn) 公式的基礎(chǔ)之上，沒(méi)有統(tǒng)一的流態(tài)表達(dá)式，也沒(méi)有一種定量的測(cè)試手段，同時(shí)，很少有預(yù)測(cè)模型考慮 到了井筒混合物的實(shí)際流型及流變性。1990年，美國(guó)Tulsa大學(xué)工程博士 Nihal Guler-Quadir在一個(gè)深720m、套管273m、注液管73m和 生產(chǎn)管還9mm的試驗(yàn)井里進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果與8種主

11、要計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了誤 差分析。分析表明，對(duì)大直徑鉛直管中的氣液兩相流壓降預(yù)測(cè)Hagedorn-Brown方法最為準(zhǔn)確，其次是 Duns-Dos方法(按絕對(duì)百分誤差)，而Duns-Dos法預(yù)測(cè)持液率精度最高。但上述結(jié)論是否適合我國(guó)油 田尚未進(jìn)一步深入研究，因此，研究適合于我國(guó)油田的實(shí)用計(jì)算公式也是目前急需解決的一個(gè)問(wèn)題。3結(jié)論井筒氣一液兩相垂直管流是掌握油井生產(chǎn)規(guī)律、合理控制和調(diào)節(jié)油井工作方式及氣舉設(shè)計(jì)的 基礎(chǔ)； 由于井筒內(nèi)混合物流動(dòng)的復(fù)雜性，每種模型對(duì)有關(guān)量的描述總是近似的，不可避免地會(huì)出現(xiàn) 計(jì)算誤差；另外，在數(shù)據(jù)采集時(shí)存在許多不確定因素，如：油管的相對(duì)粗糙度、數(shù)據(jù)的可靠性、油管 直徑

12、等，這些都將產(chǎn)生觀測(cè)誤差。說(shuō)明在評(píng)價(jià)計(jì)算模型時(shí)，油井?dāng)?shù)據(jù)的質(zhì)量比數(shù)量更重要。 面對(duì)各種井筒壓降計(jì)算方法，要找到其中一種最好的方法，不同的作者將得到不同的結(jié)果。 任何相關(guān)式的精度，都和所使用參數(shù)的范圍有關(guān)，因而，還沒(méi)有一種方法在所有流量和氣液比范圍 內(nèi)都是最貼切的。同時(shí)，也不能完全以誤差在數(shù)量上的某種差異來(lái)判斷一個(gè)模型的優(yōu)劣，只能針對(duì)具 體井況作出分析。參考文獻(xiàn)李安，萬(wàn)邦烈,樓浩良.鉛直氣液兩相管流研究現(xiàn)狀綜述J.石油鉆采工藝，2000，22 (4)： 4547.張友波，李長(zhǎng)俊，楊 靜,等.油氣混輸管流中壓降和持液率的影響因素分析J.天然氣勘探與開(kāi)發(fā),2005,28(1)5658.王鴻勛，張 琪

13、.采油工藝原理M.北京:石油工業(yè)出版社,1989.陳家瑯。石油氣液兩相管流M.北京：石油工業(yè)出版社,1989.蔣世全,邱大洪,張振國(guó)，等.油井多相垂直管流壓降計(jì)算法的研究進(jìn)展J.中國(guó)海上油氣(工 程),2000,12(2):16.李安,萬(wàn)邦烈.連續(xù)氣舉條件下舉液管柱內(nèi)流體的壓力梯度預(yù)測(cè)J石油礦場(chǎng)機(jī)械,2005,34(2): 1012.Present situation of research on GasLiquid two phase In the VerticalPipe FlowABSTRACT The deep well gas lift extraction is long, the

14、 output range of variation as a result of the flow greatly has a series of characteristics. Because flow long, causes to be mad fluid two mixtures in mobile process pressure variation very big, inevitably must produce two kinds of even many kinds of flowing condition (FlowPattern), but differently f

15、lowing condition to the pressure drop, holds the fluid rate (percentage of voids), the mixture density influence is extremely big, is affecting the gas lift well design and the movement. Some people believed that, in the deep well, the extra-deep well gas lift, has about 1000m the length of pipe to

16、be possible to form slug flow. Moreover the output change also enormously is affecting the pressure gradient and holds the fluid rate, but the pressure gradient is the gas lift well design most basic basis (by this determination gas injection position, gas lift valve distribution and quantity, gas injection pressure), the