Transcript 第二节井筒气液两相流基本概念

第二节 井筒气液两相流基本概念
 教学目的：
掌握井筒气液两相流动的特点、流态及其特征；井
筒气液两相流动中能量平衡方程的推导以及压力分布
计算的方法（按压力增量迭代和按深度增量迭代方
法）。
 教学重点、难点：
教学重点
1、气液两相流的特性
2、井筒气液两相流动的能量平衡方程
教学难点
1、滑脱及其特征；
2、气液两相流动的能量平衡方程。
教法说明：
课堂讲授并辅助以多媒体课件展示相关流态图形。
教学内容：
1. 井筒气液两相流动的特性.
2. 井筒气液两相流能量平衡方程及压力分布计算步骤
相的概念
相是体系中具有相同化学组成和物理性质的一部
分 ，与体系的其它均匀部分有界面隔开
例如：水--冰系统、泥浆、油--气--水等均是多相体系
油气是深埋于地下的流体矿藏
随压力的降低，溶解气将不断从原油中逸出，因此，井筒中
将不可避免地出现气液两相流动。
采油设备的优化设计和工况分析、油气集输设计等都离不开
气液两相流的理论与计算方法
一、井筒气液两相流动的特性
(一)气液两相流动与单相液流的比较
比较项目
单相液流
能量来源
井底流压
能量损失
重力损失
摩擦损失
流动型态
能量关系
基本不变
简单
气液两相流
井底流压
气体膨胀能
重力损失
摩擦损失
动能损失
流型变化
复杂
(二)气液混合物在垂直管中的流动结构变化
流动型态（流动结构、流型）：
流动过程中油、气的分布状态。
影响流型的因素：
气液体积比、流速、气液界面性质等。
① 纯液流
当井筒压力大于饱和压力时，天然气溶解在原油中，
产液呈单相液流。
②泡流
井筒压力稍低于饱和压力时，溶解气开始从
油中分离出来，气体都以小气泡分散在液相中。
滑脱现象：
混合流体流动过程中，由于流体间的密度
差异，引起的小密度流体流速大于大密度流体
流速的现象。
如：油气滑脱、气液滑脱、油水滑脱等。
特点：气体是分散相，液体是连续相；
气体主要影响混合物密度，对摩擦阻力影响不大；
滑脱现象比较严重。
③段塞流
当混合物继续向上流动，压力逐渐降低，
气体不断膨胀，小气泡将合并成大气泡，直到
能够占据整个油管断面时，井筒内将形成一段
液一段气的结构。
特点：气体呈分散相，液体呈连续相；
一段气一段液交替出现；
气体膨胀能得到较好的利用；
滑脱损失变小；
摩擦损失变大。
④环流
油管中心是连续的气流而管壁
为油环的流动结构。
特点：气液两相都是连续相；
气体举油作用主要是靠摩擦携带；
摩擦损失变大。
⑤雾流
气体的体积流量增加到足够大时，
油管中内流动的气流芯子将变得很粗，
沿管壁流动的油环变得很薄，绝大部分
油以小油滴分散在气流中。
特点：气体是连续相，液体是分散相；
气体以很高的速度携带液滴喷出井口；
气、液之间的相对运动速度很小；
气相是整个流动的控制因素。
总结：
油井生产中可能出现的流型
自下而上依次为：纯油(液)流、
泡流、段塞流、环流和雾流。
实际上，在同一口井内，一
般不会出现完整的流型变化。
图1-17 油气沿井筒喷出时的流型变化示意图
Ⅰ—纯油流；Ⅱ—泡流；Ⅲ—段塞流；
Ⅳ—环流；Ⅴ—雾流
(三)滑脱损失概念
因滑脱而产生的附加压力损失称为滑脱损失。
f  fl  f g
Qg  vg f g
Ql  vl f l
图1-18 气液两相流流动断面简图
无滑脱
vg  vl  vm
 m 

Qg  vg f g
Ql  vl f l
Ql  l  Qg  g
Ql  Qg
f l l  f g  g
实际
vg  vl
由于滑脱存在：
fl  f g
fl
 l
f
由于有滑脱时，气体流速大，液体流
速小，为了保持体积流量不变，气体
过流断面将减小，而液体的过流断面
将增加 。
m  m
单位管长上滑脱损失为：
m  m  m
 m 
f
l
f
图1-18 气液两相流流动断面简图
滑脱损失的实质：
液相的流动断面增大引起混合物密度的增加。
二、井筒气液两相流能量平衡方程
及压力分布计算步骤
(一)能量平衡方程推导
两个流动断面间的能量平衡关系：
进入断面１的流体能量＋在断面１和２之间对流体额外所做的功
－在断面１和２之间耗失的能量＝从断面２流出的流体能量
倾斜多相管流断面1和断面2
的流体的能量平衡关系为：
m v12
U1  m gZ1 sin  
 p1V1  q
2
m v22
 U 2  m gZ2 sin  
 p2V2
2
dU  m vdv m gsin dZ
 d ( pV )  dq  0
图2-19 倾斜管流能量平衡关系示意图
dU  dq  pdV  dIw
Vdp  mvdv mgsindZ  dIw  0
1

dp  vdv  g sin dZ  dIw  0
dp
dv
dI w
 v
 g sin  
0
dZ
dZ
dZ
令：( dp )举高  g sin 
dZ
则：

dp
dIw
 v2
( )摩擦 
 f
dZ
dZ
d 2
(
dp
dv
)加速度  v
dZ
dZ
dp
dp
dp
dp

 ( )举高  ( )摩擦  ( )加速度
dZ
dZ
dZ
dZ
适合于各种管流的通用压力梯度方程：
dp
dvm
m vm2
 m g sin   mvm
 fm
dZ
dZ
d 2
(二) 油气体积流量的校正
O
G
W
p  pb
随压力的增加，一部分气体
溶于油，剩余气体被压缩；
油相溶解了气体，体积增加；
水也可被压缩，但可视为不
可压流体。
O
W
p  pb
随压力的增加，油相被压缩，
体积减小，水可视为不可压
流体。
某不饱和油藏单井生产时，地面油产量Qo，生产气油
比Rp，不含水，井口温度和压力分别为T0 和p0，需要
确定井筒中某点(压力和温度为T和p)油相和气相的实
际体积流量和物性参数，为压力梯度计算做准备。
(Vo )地下
油相： Bo 
(Vo )地面
气相： 地面条件
原油的体积流量为Qo×Bo
Qo  Rp
Qo  Rs
地下条件，油要溶解一部分气
Qo  ( Rp  Rs )
？
同时，温度和压力的变化使气体体积变化较大
（气体状态方程）
pV  nRT
p0V0 p1V1

T0
T1
pV  nZRT
p0V0
p1V1
Z
T0
T1
Zp0T
 Qo  ( R p  Rs )
pT0
气相： Z
g
g
油相：
Bo、Rs、pb、o、o、 o g、 wg
(三)多相垂直管流压力分布计算步骤
由于多相管流中每相流体影响流动的物理参数(密
度、粘度等)及混合物密度和流速都随压力和温度
而变，沿程压力梯度并不是常数，因此，多相管流
需要分段计算；同时，要先求得相应段的流体性质
参数，然而，这些参数又是压力和温度的函数，压
力却又是计算中需要求得的未知数。所以，多相管
流通常采用迭代法进行计算。
有两种不同的迭代途径：按深度增量迭代和按压
力增量迭代。
1)按深度增量迭代的步骤
①已知任一点(井口或井底)的压力作为起点，任选一个合适
的压力降作为计算的压力间隔p(0.5 ～1.0MPa)。
②估计一个对应的深度增量h估计，计算与之对应的温度 。
③计算该管段的平均温度及平均压力，并确定流体性质参数。
④计算该段的压力梯度dp/dh。
⑤计算对应于的该段管长(深度差)h计算。
⑥重复②～⑤的计算，直至 h计算  h估计   。
⑦计算该段下端对应的深度及压力。
⑧以计算段下端压力为起点，重复②～⑦步，计算下一段的深
度和压力，直到各段的累加深度等于管长为止。
2)按压力增量迭代的步骤（略）
思考题：根据上述步骤整理出计算压力分
布的程序流程框图。
说明：
a. 计算压力分布过程中，温度和压力是相关的；
b. 流体物性参数计算至关重要，但目前方法精度差；
c. 不同的多相流计算方法差别较大，因此在实际应用中
有必要根据油井的实际情况筛选精度相对高的方法。
复习思考题
1、何谓滑脱现象？产生滑脱的原因是什么？
2、持液率（液相存容比）指的是什么？有哪些
主要因素影响持液率？
3、多相垂直管流中会出现哪些流态？各种流态
有何特点？