《多相管流-全中文》PPT課件.ppt

1、采 油 工 程,Production Engineering 主講: 蔣建勛 西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院,第一節(jié) 油井流入動(dòng)態(tài) 一、單相原油流入動(dòng)態(tài) 二、油氣兩相滲流的流入動(dòng)態(tài) 三、含水及多層油藏油井流入動(dòng)態(tài) 四、完井方式對油井流入動(dòng)態(tài)的影響 五、預(yù)測未來油井流入動(dòng)態(tài) 第二節(jié) 氣液兩相管流基本概念及基本方程 第三節(jié) 氣液兩相管流計(jì)算方法 第四節(jié) 嘴流動(dòng)態(tài),Pwf Pe,第一章 油井基本流動(dòng)規(guī)律,第二節(jié) 井筒氣液兩相管流基本概念及計(jì)算模型,氣液兩相流與單相流的比較 氣液混合物的流態(tài)特征 滑脫現(xiàn)象及流動(dòng)的特性參數(shù) 氣液兩相管流壓力梯度方程的推導(dǎo) 氣液兩相管流的計(jì)算方法,原油從油層流至地面計(jì)量站，經(jīng)歷

2、的過程為 Pr Pwf Pwh PB PSE 油層 井底 井口 (油嘴) 計(jì)量站 地層滲流 多相管流 嘴流 地面管流 能量消耗 10-50% 20-80% 5-30% 5-10% 井底壓力Pwf：原油流入井底的剩余能量，是舉升原油的動(dòng)力 井口油壓Pwh：多相管流的剩余能量，地面管流的動(dòng)力。（Pt）,Pb,第二節(jié) 井筒氣液兩相管流基本概念及計(jì)算模型,兩相管流研究的必要性 要求井口 Pwh,油井產(chǎn)量qo多大合適？ 根據(jù)流入動(dòng)態(tài) qo1 對應(yīng) Pwf1 試采后Pwh1 ，如果Pwh1Pwh，則調(diào)整增加產(chǎn)量。 通過這樣的調(diào)整最終能得到一個(gè)合理的定產(chǎn)，但如果每一種工作制度都這樣調(diào)整顯得十分盲目 如果對兩

3、相管流規(guī)律認(rèn)識清楚，可通過計(jì)算機(jī)直接進(jìn)行優(yōu)化。,第二節(jié) 井筒氣液兩相管流基本概念及計(jì)算模型,一、氣液兩相流與單相流的比較,1、發(fā)生條件：Pwh Pb Pwh Pb時(shí)，井中流體為單相油流，成為單相流動(dòng) Pwf Pb，PwhPb時(shí)，則從井中某一高度處出現(xiàn)多相流，此處以下為單相流 2、流態(tài)（假設(shè)流體為牛頓流體）Flow Regime （Flow Patten） 單相流流態(tài)：層流（Laminar）、紊流（Turbulent ） 判別方法：與水力學(xué)相同 （根據(jù)雷諾數(shù) Reynolds Number） 3、壓力分布計(jì)算 根據(jù)水力學(xué)原理 Pwf=Pwh+Ph+Pfr Ph為井內(nèi)液柱壓力 Pfr為摩擦阻力 f

4、r為摩阻系數(shù) u為液體速度 為液體密度 D為油管內(nèi)徑 為井斜角,二、氣液混合物的流態(tài)特征,PB,原油從井底向井口的流動(dòng)，是一個(gè)壓力降落過程，隨壓力降低，從原油中分離出來的氣體越來越多，qG逐漸增大，隨著氣量和流速的增加，流動(dòng)形態(tài)也隨之發(fā)生一系列變化。 概念 流態(tài)是指油氣混合物流動(dòng)過程中油、氣的分布形態(tài)。不同流動(dòng)形態(tài)的混合物有各自不同的流動(dòng)規(guī)律，與油氣體積比、流速及油氣界面性質(zhì)有關(guān)。 在氣液、氣固、液固、液液兩相流中，氣液兩相由于存在可變形界面，氣相的高可壓縮性，其流態(tài)最為復(fù)雜?？刹捎猛该鞴苡^察、高速攝影、X光攝影等手段判別流態(tài)。 流動(dòng)管路傾斜度不同，流態(tài)也會(huì)不同。,（一）垂直管氣液兩相流流態(tài)特

5、征 1、純液流 從井底到井筒壓力等于Pb的點(diǎn)之間。無氣相,管內(nèi)流動(dòng)的是均質(zhì)液體，叫純液流，流體密度最大，壓力梯度最大，壓力分布曲線為直線。 特征：PPB，無氣體分離出來,二、氣液混合物的流態(tài)特征,純液流,2、泡流（bubble flow） 管內(nèi)從壓力等于Pb 起，有天然氣析出，呈現(xiàn)氣泡狀,分散在液相中。隨著油流上升，壓力下降, 氣泡漸漸膨脹。這時(shí)氣體的體積流量仍較小，總流量不大，流速較低，摩阻小，密度比純液流低。 特點(diǎn)：液相是連續(xù)相，氣相是分散相。但滑脫損失較大。,（一）垂直管氣液兩相流流態(tài)特征,3、段塞流（slug flow） 隨混氣液上升，壓力下降，小氣泡膨脹成大氣泡。當(dāng)氣泡斷面幾乎與油管

6、直徑相當(dāng)時(shí)，井筒內(nèi)形成一段氣，一段液的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。氣段外有液膜，液相仍是連續(xù)相，氣相是分散相。氣體體積流量較泡流大，摩阻較泡流大，密度較小，滑脫較小。 特點(diǎn)：液相仍是連續(xù)相，氣相是分散相。破漏活塞式舉油，舉油效果最好。,（一）垂直管氣液兩相流流態(tài)特征,4、過渡流（transition flow） 液相從連續(xù)相過渡到分散相，氣相從分散相過渡到連續(xù)相，氣體連續(xù)向上流動(dòng)并舉升液體，有部分液體下落、聚集，而后又被氣體舉升。這種混雜的、振蕩式的液體運(yùn)動(dòng)是過渡流的特征，故也稱之為攪動(dòng)流。 特點(diǎn)：液相從連續(xù)相向分散相過渡，氣相近似為連續(xù)相,（一）垂直管氣液兩相流流態(tài)特征,5、霧狀流（annularmist f

7、low） 氣體體積流量越來越大,管壁的油膜越來越少,液相主要以霧狀分散到氣相中。氣為連續(xù)相，液為分散相。這時(shí)密度很小,但流速很大,壓降主要消耗在摩阻上。壓降梯度變得更大,壓能損失更為嚴(yán)重。 特點(diǎn)：液相是分散相，氣相為連續(xù)相，油氣相對速度很小。,（一）垂直管氣液兩相流流態(tài)特征,PB,典型流型：分層流、間歇流和分散流,（二）水平管氣液兩相流流型態(tài)特征,分層流,間歇流,分散流,1、分層流 層狀平滑流：沿管子底部流動(dòng)的液體和頂部流動(dòng)的氣體之間具有平滑的界面。流量較低。 層狀波狀流：氣、液界面變成波狀的，氣體 流量較高。 環(huán)流：在管壁上形成液環(huán)，管子中心為夾帶液滴的氣流。氣液流量較高。,（二）水平管氣液

8、兩相流流型態(tài)特征,2、間歇流 塞流：大氣泡沿管子頂部流動(dòng)，而管子下部為液流。 段塞流：包括大液體段塞與幾乎充滿管子的高速氣泡的交替流。,（二）水平管氣液兩相流流型態(tài)特征,3、分散流 泡流：大氣泡集中在管子的上半部。 環(huán)霧流：氣流量高、液流量低，氣流中夾帶液滴。,（二）水平管氣液兩相流流型態(tài)特征,傾斜管的兩相流流型不同于垂直管或水平管，它與管斜角有關(guān),1、滑脫現(xiàn)象（Slip Phenomenon） 定義：氣液混合物上升的垂直或傾斜管流中，由于氣液密度差異造成氣液速度差異而出現(xiàn)的氣體超越液體上升的現(xiàn)象。主要出現(xiàn)在泡流。,（三）滑脫現(xiàn)象及流動(dòng)的特性參數(shù),2、持液率（Liquid Holdup） 定義

9、：單位管長內(nèi)液體體積與單位管長容積的比值，持液率實(shí)質(zhì)是指在兩相流動(dòng)的過流段面上，液相面積AL占總過流斷面面積A的份額,3、持氣率（Void Fraction）,4、無滑脫持液率 假定UG=UL,則單位管長內(nèi)液體體積與單位管長總體積的比值稱為無滑脫持液率，用L表示。,因此，有,5、表觀速度（Superficial Velocity） 定義：某一相的表觀速度表示為該相單獨(dú)充滿并流過管子截面的速度，表示為USL、USG。 液相表觀速度和氣相表觀速度分別為,6、真實(shí)速度（Actual Velocity）,真實(shí)速度表觀速度,7、混合物速度或兩相速度（Mixture or Two-phase Veloci

10、ty）,根椐上面的定義，則滑脫速度Us可表示為,如果無滑脫 則Us=0, UL= UGUm,8、混氣液密度 (1)、理論密度(無滑脫) 設(shè)：油相截面積:AL 氣相截面積:AG 高度L的流體質(zhì)量為 L（ALL+AGG） 體積為: LA （A=AL+AG）,無滑脫時(shí),密度所引起的壓力變化是油氣流動(dòng)時(shí)不可避免的壓力損耗,叫有效損耗。 式中第二項(xiàng)是滑脫引起的密度增量,它所引起的壓力變化 叫滑脫損失。,（1-57）,根據(jù)定義,1、氣體體積流量qG 從壓力等于Pb點(diǎn)起出現(xiàn)小氣泡，越往上流，壓力越低，氣體體積膨脹，新氣體析出，qG不斷增加。,（四）多相垂直管流物性變化規(guī)律,2、液體的體積流量qL 隨流體上升

11、，壓力低于Pb以后，氣體 析出，qL略有增加，與qG的增加相比基本不變。 3、總混氣液的體積流量: qm=qL+qG 4、混氣液流速 Um=qm/A=(qL+qG)/A (1-54) A不變, Um的變化與qm的變化一致。,5、混氣液密度 m= wm/qm ， wm質(zhì)量流量 質(zhì)量守恒, wm不變, qm隨流體上升而增 加，m隨流體上升而下降。,6、壓力分布 (1)液柱垂壓 Pm=Hmg 壓力梯度: Pm/H=m g 由于m隨位置而變化,故液柱壓力梯度也隨位置而變化。,Um隨著位置而變化，越向上越大，m越向上越小，而速度是平方項(xiàng)，故摩阻梯度隨速度而顯著變化。,(2)摩阻梯度,(3). 總壓降梯度

12、 總的壓降梯度, 也隨位置變化，不是常數(shù), 壓力分布曲線不是直線。,Pt,P,H,氣液比,總壓力梯度,重力梯度,摩阻梯度,三、氣液兩相管流壓力梯度方程及求解步驟,壓降梯度=重力梯度+摩阻梯度+動(dòng)能梯度,1. 單相壓力梯度方程 沿程壓降=位能增量+沿程摩阻+動(dòng)能增量,原理：能量平衡方程、動(dòng)量方程、質(zhì)量守恒,作用于微元控制體dz的外力包括（正向與流體流動(dòng)方向相同 ） 質(zhì)量力沿z方向的分力 ：gAdzsin 微元兩端的壓力：(p+dp)ApAAdp 管壁摩擦力：wDdz,動(dòng)量定律：作用于控制體內(nèi)流體的外力等于控制體內(nèi)流體的動(dòng)量變化,引入Moody摩擦阻力系數(shù)f，即有,符號,單相流 ：,多相流 ：,對

13、于水平管流：,m、Um、fm都是溫度T、壓力P的函數(shù)，不同流態(tài)下的變化規(guī)律不同，必須探求不同流態(tài)下的確定方法。,壓力梯度方程求解步驟 特點(diǎn) 多相流體流態(tài)隨上行發(fā)生一系列變化，混合物的特性參數(shù)m、Um、fm、m 是f(P.T)的函數(shù)，dp/dz不是常數(shù)。確定壓力必須分段計(jì)算。 要獲得P，必須知道m(xù)、Um、fm、m。而要知道m(xù)、Um、fm、m又必須獲得P、T P是未知量，必須迭代求解,方法：深度增量迭代、壓力增量迭代、龍格庫塔法,2. 壓力梯度方程求解步驟（壓力增量迭代） （1）以井口或井底為起點(diǎn)(由已知壓力的位置定) （2）選擇一個(gè)計(jì)算區(qū)間長度:H一般取50100m （3）估計(jì)這一區(qū)間的壓降值P

14、估計(jì)(由經(jīng)驗(yàn)定) （4）計(jì)算出區(qū)間的平均溫度和平均壓力Pav,Tav （5）確定Pav和Tav下的物性參數(shù)m、Um、fm、m （6）判斷流態(tài),（7） 計(jì)算dp/dz和P =H (dp/dz) （8） 比較P與P估計(jì),若相差超過允許值,則賦值 P估計(jì)=P，重復(fù)第4步到第8步，直到滿足精度。 （9） 計(jì)算該區(qū)間末端點(diǎn)Hi和壓力Pi （10） 以該區(qū)間末端點(diǎn)Hi、Ti、Pi為起點(diǎn)，重復(fù)第2到第 10步，計(jì)算下一點(diǎn)的Hi、Ti、Pi，直到HnH為止。,注意：一般采用深度增量法，最后一段采用壓力增量法 避免線性內(nèi)插。,（一）發(fā)展歷史 1952年，Poettmann和Carpenter根據(jù)能量方程提出摩擦

15、損失系數(shù)法。 （1）數(shù)學(xué)模型中忽略了動(dòng)能項(xiàng)； （2）不劃分流態(tài)； （3）計(jì)算混合物密度時(shí)未考慮滑脫；（理論密度） （4）采用綜合摩阻系數(shù)（包含摩擦、滑脫、動(dòng)能）,四、 氣液兩相管流計(jì)算方法,優(yōu)點(diǎn)：計(jì)算比較準(zhǔn)確 缺點(diǎn)：需要油田作大量的壓力測試工作 改進(jìn)：M.R.Tek(1961)、陳家瑯,1954 Gierbert圖板法：與P 垂直注入井=-90,（1-97）,（1-98）,無因次氣體速度,無因次液體速度,（1-73）,（1-100）,無因次液相粘度,（1-99）,式（1-98）的回歸系數(shù)（表1-11）,式中EL入口體積含液率， NFr為弗魯?shù)聰?shù)，引入,流態(tài)判別,（1）m的計(jì)算,若 則為霧狀流，

16、否則為泡流段塞流。,泡流段塞流：兩相摩阻系數(shù)fm用無滑脫摩阻系數(shù)fns 。查Moody摩阻系數(shù)圖或由式（1-80）計(jì)算。,流態(tài)判別：,（2）fm的計(jì)算,霧流：兩相摩阻系數(shù)fm考慮為相對持液率和無滑 脫摩阻系數(shù)的函數(shù)。 (1) 計(jì)算相對持液率: HRL/HL (2) 根據(jù)HR按表1-12確定摩阻系數(shù)比fR (3) 根據(jù)NRens由公式（1-80）計(jì)算fns (4) fm fR fns,（五）環(huán)形空間流動(dòng)的處理方法,圓管：Di=0，故R=D0/4，水力相當(dāng)直徑De=4R 環(huán)空：水力相當(dāng)直徑為：,1. 水力相當(dāng)直徑 水力半徑定義為：,環(huán)空：,ee環(huán)空相當(dāng)粗糙度； ei、eo 環(huán)空內(nèi)、外管有效粗糙度。

17、 環(huán)空壁面的腐蝕和結(jié)垢的影響。 環(huán)空中接箍的局部摩阻的影響。,注意：環(huán)空流動(dòng)涉及管徑一次方關(guān)系的公式（如雷諾數(shù)、摩阻）可用相當(dāng)直徑e代替管徑。但計(jì)算兩相流流速時(shí)仍用實(shí)際過流截面積。,2. 環(huán)空流動(dòng)相當(dāng)粗糙度,套壓(Pc):指示油管和套管環(huán)空的壓力 油壓(Pwh):原油舉升到井口時(shí)的剩余能 量，又是通過油咀的動(dòng)力。 回壓(PB):油嘴后剩余壓力,又是地面管 線流動(dòng)的動(dòng)力。,第四節(jié) 嘴流動(dòng)態(tài)（Flow through chokes）,一、油咀流動(dòng)的特點(diǎn),PB,油嘴:一般長為50-150mm,直徑3-50mm(英制以1/64in),由抗沖蝕硬質(zhì)合金制成。（針形閥） 固定油嘴(Positive of

18、Fixed choke) 咀徑不可調(diào)，改變只能更換 可調(diào)油嘴（Adjustable choke ） 容許緩慢調(diào)節(jié)打開度,第四節(jié) 嘴流動(dòng)態(tài)（Flow through chokes）,一、油咀流動(dòng)的特點(diǎn),PB,油嘴的作用：調(diào)節(jié)和控制油井產(chǎn)量 保持油井穩(wěn)定生產(chǎn),PB V PB/Pwh PB V (PB/Pwh)c PB VCONST (PB/Pwh)(PB/Pwh)c,1、臨界流動(dòng) 油氣混合物到達(dá)井口后，氣體迅速膨脹，體積流量大大增加，通過節(jié)流閥時(shí)油氣流速可達(dá)臨界速度，油嘴前后宛若兩個(gè)系統(tǒng)。 臨界流速流體的流速達(dá)到壓力波在流體介質(zhì)中的傳播速度，即聲速。 臨界流動(dòng)狀態(tài)流體達(dá)到臨界速度時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)。,2.流量與油嘴前后壓力比的關(guān)系,ab 段：隨PB/Pwh q。說 明Pwh一定時(shí)，q隨PB而變化， 這是非臨界流動(dòng)的特點(diǎn)。到b點(diǎn) q達(dá)最大,當(dāng) Pwh=PB時(shí),PB/Pwh=1時(shí) q =0,b為臨界點(diǎn)，b的壓力比(PB/Pwh)c 稱為臨界壓力比,臨界壓力比：開始出現(xiàn)臨界流動(dòng)時(shí)壓力比,K氣體的絕熱指數(shù)， K=CP/CV