西南石油采油工程课件 采油工程_第1章2.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第二节 气液两相管流基本概念及基本方程,一、,多相垂直管流物性变化规律,P,t,P,b,，,单相垂直管流,P,wf,P,b,P,t,，,多相垂直管流,1,、气体体积流量,q,G,从压力等于,P,b,点起出现小气泡，越往上流，压力越低，气体体积膨胀，新气体析出，,q,G,不断增加。,2,、液体的体积流量,q,L,随,流体上升，压力低于,P,b,以后，气体 析出，,q,L,略,有下降，与,q,G,的,增加相比基本不变。,3,、总混气液的体积流量,:,q,m,=,q,L,+q,G,4,、,混气液流速,V,m,=,q,m,/A=(,q,L,+q,G,)/A,(1-54),A,不变,V,m,的,变化与,q,m,的变化一致。,5,、混气液密度,m,=w,m,/,q,m,，,w,m,质量流量,质量守恒,w,m,不变,q,m,随流体上升而增,加，,m,随流体上升而下降。,q,m,q,L,q,G,m,v,m,：与,一致,H,P,b,q,m,6,、压力分布,(1).,液柱垂压,P,m,=H,m,g,压力梯度,:P,m,/H=,m,g,由于,m,随位置而变化,故液柱压力梯度也随位置而变化。,V,m,随着位置而变化，越向上越大，,m,越向上越小，而速度是平方项，故,摩阻梯度随速度而显著变化,。,(2).,摩阻梯度,P,t,P,(3).,总压降梯度,总的压降梯度,也随位置变化，不是常数,压力分布曲线不是直线。,H,1,、理论密度,设：液相截面积,:A,L,气相截面积,A,G,高度,L,的流体质量为,L(A,L,L,+A,G,G,),体积为,:,LA,（,A=A,L,+A,G,）,A,A,L,A,G,二、混气液的密度,则混气液密度,:,（,1-48,）,持液率,:,单位管长内液体体积与油管容积的比值,（,1-46,）,持气率：,（,1-47,）,2,、油气滑脱现象,由于油气密度不同，在垂直管中气体比液体上升快的现象称为,滑脱现象,。两相的速度差叫气体的,滑脱速度,。,v,S,=,v,G,-,v,L,（,1-50,）,（,1-49,）,（,1-51,）,泡流取,:,V,s,=,0.244 m/s,V,SL,-,液相表观速度,V,SL,=,q,L,/A,（,1-53,）,V,SG,=,q,G,/A,（,1-52,）,（,1-54,）,（,1-50,）,（,1-52,）,（,1-50a,）,同理：,（,1-51a,）,（,1-55,）,（,1-56,）,/A,()/A,（,1-55a,）,无滑脱持液率,无滑脱混合物密度,:,有滑脱混合物密度,:,（,1-48,）,（,1-48,）,（,1-55a,）,无滑脱时：,存在滑脱时：,则,:,式中第一项是无滑脱密度,ns,(V,G,=V,L,),A,A,LA,G,3,、实际密度,q,G,=,v,G,A,G,，,v,G,，,则,A,G,A=A,L,+A,G,，,A,G,，,A,L,若无滑脱时液相面积,A,L,滑脱时增加,A,L,密度所引起的压力变化是油气流动时不可避免的压力损耗,叫,有效损耗,。,式中第二项是滑脱引起,的密度增量,它所引起的压,力变化叫,滑脱损失,。,1,、,垂直管气液两相流流型,纯液流,:,从井底到井筒压力等于,P,b,的点之间。无气相,管内流动的是均质液体，叫纯液流，,流体密度最大,，压力梯度最大，,压力分布曲线为直线,。,三、,气液两相管流的流型,泡 流,：管内从压力等于,P,b,起，有气体析出，呈现泡状,分散在液相中。随着油流上升，压力下降,气泡渐渐膨胀，这时,液相是连续相，气相是分散相,。这时，气体的体积流量仍较小。总流量不大，流速较低，摩阻小，密度比纯液流低，但,滑脱损失较大,，压降分布曲线呈上凹型,。,段塞流,：,随混气液上升,压力下降,小气泡膨胀成大气泡。当气泡断面几乎与油管直径相当时，井筒内形成一段气，一段液的流动结构。气段外有液膜,液相仍是连续相,气相是分散相,。气体体积流量较泡流大,摩阻较泡流大,密度较小,滑脱较小。气段膨胀时顶着液段上升,举油效果好,总的压力损失最小,。,过渡流：,气体体积膨胀，气段增长,液段被突破,气段与上部气段相连形成中心是气、外环为液膜的流态。液体靠中心气流的摩擦携带作用向上运移。,液相从连续相过渡到分散相，气相从分散相过渡到连续相,。,这时体积流量较大,密度小。,压降以重力为主过渡为以摩阻为主,。总压降比段塞流大，压降曲线呈上凸型,。,雾流：,气体体积流量越来越大,管壁的油膜越来越少,液相主要以雾状分散到气相中。,气为连续相,液为分散相,。这时密度很小,但流速很大,压降主要消耗在摩阻上,。,H,P,2,、水平管气液两相流流型,分层流：,见图,1,20,层状平滑流,：,沿管子底部流动的流体和顶部流动的气体之间具有平滑的界面。流量较低。,层状波状流：,气、液界面变成波状的，气体流量较高。,环流：,在管壁上形成液环，管子中心为夹带液滴的气流。气液流量较高。,间歇流见图,1,20,段塞流：,包括大液体段塞流与几乎充满管子的高速气泡的交替流。,塞流：,大气泡沿管子顶部流动，而管子下部为液流。,分散流：,见图,1,20,泡流：,大气泡集中在管子的上半部。,环雾流：,气流量高、液流量低，气流中夹带液滴。,倾斜管,的两相流流型不同于垂直管或水平管，它与管斜角有关。,四、,气液两相管流压力梯,度方程及求解步骤,1.,压力梯度方程,沿程压降,=,位能增量,+,沿程摩阻,+,动能增量,压降梯度,=,重力梯度,+,摩阻梯度,+,动能梯度,（,1-58,）,单相流,：,多相流,：,对于水平管流：,（,1-61,）,（,1-62,）,（,1-63,）,2.,压力梯度方程求解步骤,（,1,）以井口或井底为起点,(,由已知压力的位置定,),（,2,）选择一个计算区间长度,:H,一般取,50,100m,（,3,）,假设这一区间的压降值,P(,由经验定,),（,4,）计算出区间的平均温度和平均压力,P,av,T,av,（,5,）,确定,P,av,和,T,av,下的物性参数,（,6,）判断流态,计算不同流态下的混合流体密度、摩阻系数,（,7,）计算,dp,/dh,和,P,（,P,dp/dh,H,）,（,8,）,比较,P,与,P,若相差超过允许值,以,P,代入。,（,9,）重复第,4,步到第,8,步,也可以选择假设压降值,P,来计算区间,H,比较,H,与,H,的方法。,一、发展历史,1952,年，,Poettmann,和,Carpenter,根据能量方程提出摩擦损失系数法。,（,1,）忽略了动能项；,（,2,）不划分流态；,（,3,）计算混合物密度时未考虑滑脱；,（,4,）由,f,Dv,相关曲线计算,f,。,第三节 气液两相管流计算方法,1961,年,M.R.Tek,引入两相雷诺数和气、液质量比,K,，,考虑了流体粘度和,K,的影响。,Orkiszewski,经对比研究发现：,Griffith,和,Wallis,及,Duns,和,Ros,方法在低流速范围比较精确，但在高流速下不够准确。他将,Griffith,计算段塞流的相关式改进，推广到高流速区。采用,Ros,的方法处理过渡流态。针对不同流态计算存容比和摩擦损失,。,压力梯度公式：,(1-66),二、垂直管两相上升流,Orkiszewski,方法,只考虑气相压缩性：,(1-67),(1-68),注意号,(1-69),(1-71),(1-72),(1-68),(1-66),m,t,伴随生产,1m,3,地面脱气原油产出的油、气和水的总质量，,kg/m,3,。,(1-70),日产生产数据,三、流态划分,1,、影响流态的因素,有,13,个变量因素影响多相管流的流态，,其中主要有：,液相表观速度,V,SL,=,q,L,/A,（,1-53,）,（,假想只有液相在油管中流动时的速度）,气相表观速度,V,SG,q,G,/A,（,1-52,）,（,假想只有气相在油管中流动时的速度）,液相密度,L,气液间的表面张力,2,、变量的无因次化,应用,定理对上述因素进行处理（参变量的无因次数组化，基本物理量：,g,、,L,、,）,得出二个无因次变量,:,无因次气体速度,无因次液体速度,（,1-73,）,（,1-100,）,3,、流态划分,ROS,通过实验研究,:,I,区为泡流区；,II,区为段塞流区；,III,区为雾状流区；,介于,II,区和,III,区,之间的是过渡流区。,N,LV,N,GV,L,S,L,M,N,GV,L,S,过渡流（下限）,N,GV,L,M,雾状流,段塞流的界限值为,:,雾流的界限值为,回归出界线方程：,(1-75),(1-76),Or,进一步实验后，得出泡流与段塞流的,划分界线：,纵坐标：,q,G,/q,m,，,气流量和总流量的比值,横坐标,:,V,m,=(,q,G,+q,L,)/A,总流速。,曲线族为不同的直径，曲线之上为段塞流,曲线之下是泡流。,v,m,q,G,/q,m,1.0,0.13,2,3/8,段塞流,泡流,4,1/2,4,3,1/2,2,7/8,1.9,当,q,G,/,q,m,2300,）,（,1-80,）,（,1-80a,）,对于层流（,N,Re,2300,）,对于泡流，一般为层流。,c:,动能项,（,泡流条件下忽略）,2.,段塞流,a.,混合物密度,C,O,-,液体分布系数；,U,1,-,油膜与油滴的体积；,U,2,-,气泡的体积；,W,m,-,混合物质量流量。,（,1-81,）,?,与泡流的计算相同,（,1-70,、,1-71,）,V,s,：滑脱速度,方法一,和混合物速度雷诺数,:,（,1-83,）,（,1-84,）,由滑脱速度雷诺数,:,（,1-82,）,迭代计算,当,:N,b,3000,时,当,3000,N,b,8000,时,（,1-85,）,（,1-85a,）,滑脱速度,方法二,当N,b,8000时,b.,液体分布系数,C,o,的选用公式见表,1-10,（,1-85b,）,c.,摩阻梯度的计算,由工程流体力学,d.,段塞流动能项,:,忽略,（,1-87,）,式中,f,单相流体,摩阻系数。,根据管壁相对粗糙度,e/D,和雷诺数,(,式,1-84),由式,1-80,计算。,3.,雾流,a.,混合物密度,雾流时,滑脱速度：,（,1-48a,）,（,1-90,）,b.,摩阻梯度,V,m,用,气体表观速度近似代替。,f,由气相雷诺数和液膜相对粗糙度计算,（,1-92,）,（,1-91,）,c.,液膜相对粗糙度,根据无因次韦伯系数选择计算式：,当,（,1-94a,）,（,1-93,）,-,液膜的相对粗糙度，取,0.0010.5,（,1-94b,）,-,液体的表面张力。,（,1-80,）,d.,动能项,视气体流动过程中发生等温膨胀。,根据气体定律，动能变化可表示为：,总压降梯度：,（,1-69,）,4,过渡流,过渡流没有独立的计算方法，,用段塞流和雾流计算后内插。,段塞流的界限值为,:,雾流的界限值为,:,（,1-89,）,（,1-88,）,计算实例参见教材：例,1-6,（,1-76,）,（,1-75,）,例,1-,6,某不含水自喷井产油量,Q,o,为,38m,3,/d,，,产气量,Q,g,为,2027.4 m,3,/d,，,原油和天然气的相对密度分别为,0.85,和,0.65,，原油饱和压力,8.66MPa,，,油压,2.352MPa,（,表压）井口温度,T,wh,为,25,，油管内径,62mm,。,试用,Orkiszewski,方法计算井口压力梯度。,补充：,井深,H,：,2500m,，,井底温度,100,（,或温度剃度,T,3/100m,），,求井底压力,/100m,解：,（,1,）以井口或井底为起点,(,由已知压力的位置定,),以井口压力,P,1,=,P,wh,=2.352MPa,T,1,=,Twh,H,1,=0,为计算起点,（,2,）选择一个计算区间长度,:H,一般取,50,100m,选取计算区间长度：,H=100m,（,3,）,假设这一区间的压降值,P(,由经验定,),假设深度,H,对应的压力增量,P=0.6MPa,（,4,）,计算出区间的平均温度和平均压力,P,av,T,av,P,av,=,P,1,P/2,T,av,=T,1,+,T*H/2,（,5,）,确定,P,av,和,T,av,下的物性参数,计算,Rs,、,Bo,、,o,、,o,、,Z,g,、,g,、,B,g,、,R,p,、,q,G,、,q,L,、,q,m,、,W,m,、,V,SG,、,V,SL,、,V,m,等,（,6,）判断流态,计算,N,GV,、,L,B,、,L,S,、,L,M,、,q,G,/q,m,等，,利用表,1-9,判断流态,（,7,）计算,dp,/dh,和,P,根据流态计算 、,f,、,f,等，最终计算,dp,/dh,则,：,P=,dp,/dh*H,（,8,）,比较,P,与,P,若相差超过允许值,以,P,代入。,如果 则进行下一段计算,:,P,1,=P,1,+P,H,1,=H,1,+H,T,1,=T,1,+T*H,直至井底；,否则，用,P,代替,P,返回到（,4,）重新计算到第,8,步,也可以选择假设压降值,P,来计算区间,H,比较,H,与,H,的方法。,六、,倾斜（水平）管两相流计算方法,Beggs,和,Brill,（,1973,）,Mukherjee,和,Brill,（,1985,）,（,1-97,）,(1-69),对比：,（,1-98,）,管斜角（与,水平方向,的夹角（,0,+,90,o,）。,对于垂直生产井,=+90,o,；,对于垂直注入（蒸汽）井,=-90,o,）。,无因次液相粘度,无因次液相速度,（,1-100,）,（,1-99,）,（,1-73,）,无因次气相速度,在确定摩阻系数时，只需区分泡流,段塞流和雾流,（,1-101,）,若 则为雾状流，否则为泡流,段塞流。,对于泡流,段塞流：,（,1-55a,）,（,1-102,）,（,1-103,）,（,1-80,）,无滑脱雷诺数为,：,ns,对于雾流,（环流），,其两相摩阻系数,f,m,考虑为相对持液率,H,R,和无滑脱摩阻系数,f,ns,的函数，确定步骤如下：,(1),计算相对持液率,H,R,L,/H,L,（,1-104,）,(2),根据,H,R,按表,1-12,确定摩阻系数比,f,R,；,(3),根据,N,Rens,由摩阻系数公式（,1-80,）计算,f,，,即为,f,ns,；,(4),f,m,f,R,f,ns,。,七、环形空间流动的处理方法,圆管：,D,i,=0,，故,R=D,0,/4,，,水力相当直径,D,e,=4R,环空：水力相当直径为：,(1-105),1.,水力相当直径,水力半径定义为：,e,e,环空相当粗糙度；,e,i,、,e,o,环空内、外管有效粗糙度。,环空壁面的腐蚀和结垢及环空中接箍的局部摩阻的影响。,环空流动可用相当直径,e,代替涉及管径一次方的关系式。,计算两相流流速时仍用实际过流截面积。,2.,相当粗糙度,(1-106),截面积,第四节 嘴流动态,自喷井一般要装油,嘴，用于调节生产。,套压（,Pc,）：,指示,油管和套管环空的压力。,油压（,P,t,或,P,1,）,：,原,油举升到井口时的剩余能量，同时又是通过油咀的动力。,回压（,P,B,或,P,2,）,:,油嘴后剩余压力，又是地面管线流动的动力。,P,t,P,B,Pc,一、油咀流动的特点,1,临界流动,油气流速可达临界速度，油嘴前后宛若两个系统。,临界流速,流体的流速达到压力波在流体介质中的传播速度，即声速。,临界流动状态,流体达到临界速度时的流动状态。,特征,：,油嘴下游压力对气体流量无影响,2.,流量与油嘴前后压力比的关系,当,P,t,=P,B,时,V=0,即,P,B,/P,t,=1,时，,q=0,；,ab,段：,P,B,/P,t,q,；,b,点：当,P,B,/P,t,=C,时，,q,达到最大：,bc,段：,P,B,/P,t,q=C,达到最大流量时的压力比,(P,B,/P,t,)c,称为临界压力比。（,P,B,/P,t,)c,这一点叫临界点，这点的流动叫临界流动。这时的流动速度为声速。,1,P,B,/P,t,a,b,c,q,3.,临界流动条件,根据热力学计算：任何一种气体的临界压力比：,K,气体的绝热指数，,对于空气：,k=1.4,，（,P,B,/P,t,）,c,=0.528,对天然气,K=1.3,，（,P,B,/P,t,）,c,=0.546,当,P,B,/P,t,0.546,时，为临界流；否则为亚临界流动,（,1-107,）,所以：,当,P,B,/P,t,0.5,，即,P,t,2,P,B,时，,油气混合物在油嘴中的流动可达到临 界流动状态，这时，油气流量变化与回压无关，仅由,P,t,决定。,二、油咀的作用,1,改变油井的工作制度，控制油井产量。,2,分隔咀前咀后的流动，保持油井生产稳定。,三、单相气体嘴流流量计算,1.,亚临界流动公式,:,（,1-108,）,临界流动时，,嘴流最大气流量为,（,1-109,）,四、气液两相嘴流,在临界流动条件下（通常,当,P,B,/P,t,0.528,时,），,流量的变化只与油嘴前的压力即油压有关,（,1-110,）,嘴流公式具有经验性，与流体性质和油区条件有关。,当气液比、油嘴直径一定,，油嘴流量取决于油压，即,油压与油嘴流量为线 性关系,d,1,d,2,d,2,d,1,q,Pt,作业：,1.,已知：管内某处液体流量,q,l,=3.7x10,-3,m,3,/s,，,气体的流量,q,g,=5x10,-3,m,3,/s,，,管内过流面积,A=4.53 x10,-3,m,2,，,l,=0.903x10,3,kg/m,3,，,=0.0165 N/m,。,试求：,1,）表观液体、气体速度,V,sl,、,V,sg,和,V,m,；,2,）,原地气液比,R,和,N,lv,；,3,）,判断流态。,作业（选作）：,1.,用,Orkiszewski,方法计算压降梯 度时，,比较,各种流态下计算的 异同点。,