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1、气液两相管流基本概念及基本方程,2022/12/7,2,两相管流： 占油气井系统总 压降35% - 90%核心问题： 沿程压力变化 及其影响因素,2022/12/7,3,一、气液两相管流的滑脱现象及特性参数,滑脱现象 气液两相上升流动时，由于气液两相间的物性差异所产生气相超越液相流动。 相对于气相而言，有一部分液相被滞留于管段中。密度增加，压降损失增加,2022/12/7,4,持液率(Liquid Holdup) 流动状态下单位长度管段内液相容积所占份额,无滑脱持液率(No-slip Liquid Holdup) 管流截面上液相体积流量与气液混合物总体积流量的比值。（条件： ）,关系,2022
2、/12/7,5,流速,相平均流速实际流速,表观流速,关系,混合物流速,滑脱速度,2022/12/7,6,混合物密度,存在滑脱,无滑脱,滑脱损失,2022/12/7,7,二、气液两相管流的流型,纯液流（ppb）,无气相，管内均质液体流体密度最大，压力梯度最大,溶解气开始从油中析出，气体以小气泡分散在液相中,泡 流（ppb）,液相是连续相，气相是分散相液相滑脱损失严重，易水淹摩阻小，重力损失为主,特点,2022/12/7,8,液相是连续相，气相是分散相气体体积变大，摩阻增加滑脱较小，总压力损失最小,特点,混合物继续向上流动，压力降低，小气泡合并形成大气泡，在井筒中形成一段气，一段液流动结构，气托着
3、油向上运动。,段塞流,2022/12/7,9,液相由连续相过渡为分散相，气相相反气体流量大，摩阻增加,特点,压力继续降低，部分大气泡从中间突破液段形成短气柱，把液体挤到环壁。液体靠中心气流的摩擦携带作用向上运移。,过渡流（环流）,2022/12/7,10,气相是连续相，液相是分散相摩阻增加，重力损失最小,特点,压力进一步降低，中心气柱逐渐增大，壁面液膜厚度降低，液体以液滴分散于气相中。,雾状流,2022/12/7,11,油井生产中可能出现的流型自下而上依次为：纯油流（液流），泡流，段塞流，过渡流，雾状流。 实际上，在同一口油井中，一般不会出现完整的流型变化。,总结,L,p1,L,p2,L,p3
4、,2022/12/7,12,2. 水平管流气液两相流流型,分层流,上部气流、下部液流气液界面平滑或波状,中心气流，携带液滴 管壁液环流动,层状光滑流,层状波状流,环状流,2022/12/7,13,大气泡沿管子顶部流动，管子下部为液流,间歇流,塞流,大液体段塞流与几乎充满管子的高速气泡的交替流。,塞流,段塞流,2022/12/7,14,气流量高、液流量低气流中夹带液滴,分散流,大气泡集中在管子的上半部。,泡流,雾状流,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,压降梯度=重力梯度+摩阻梯度+动能梯度,2022/12/7,16,单相流,多相流,水平管流(=0)，且忽略动能,？,202
5、2/12/7,17,分析,泡流段塞流过渡流雾流,井筒L处p，T,L=L1, L2, L3-Ln,p=p1p1+p2 - pn-1,2022/12/7,18,迭代计算步骤,pwf，Twf,p1=pwfp1,？,p1，T2,p1=pwfpx,pwf,Bo,Bg,Bw,Rs,o,g等vm,vsg,vsl,判别流型,计算HL(m),泡流段塞流过渡流雾流,泡流段塞流过渡流雾流,动能摩阻重力,px2,px- px2E,p1=pwfpx2,H,2022/12/7,19,第三节 气液两相管流计算方法,早期均匀流方法（总摩阻系数法）,1952 Poettmann & Carpenter 80s 陈家琅 (NRe
6、)2,经验相关式,1963 Duns & Ros无因次化处理 NvL、Nvg、ND、NL1965 Hagedorm & Brown现场实验1967 Orkiszewski流型组合1973 Beggs & Brill倾斜管实验1985 Mukherjee & Brill改进实验条件,现代机理模型,1985 Hasan & Kaber1990 Ansari,2022/12/7,20,Orkiszewski方法,Orkiszewski（1967）采用148口油井实测数据，对比分析了多个气液两相流模型。然后分不同流型择其优者，综合他的研究成果得出四种流型的压降计算方法。,2022/12/7,21,1.
7、总压降梯度公式,一般动能较小，只在雾流情况下才有意义。只考虑气体的压缩性：,？,2022/12/7,22,伴随生产1m3地面脱气原油产出的油、气和水的总质量，kg/m3。,总压降梯度公式,？,2022/12/7,23,2、流型判别,多相管流流态的影响因素共有13个，主要因素：VSL 、VSG 、 L 、,1）影响流态的因素,2）无因次处理,2022/12/7,24,Ros流型图版,NGV LS NGV LM 雾状流,段塞流与过渡流界限值为:,雾流与过渡流界限值为:,？,泡流与段塞流分界,2022/12/7,26,vm,qG/qm,1.0,0.13,泡流与段塞流分界,Orkiszewski方法流
8、型界限,2022/12/7,28,四、混合物密度与摩阻梯度的计算,a.混合物的密度,1）泡流,与滑脱速度有关,实验表明：泡流时vs=0.244,？,2022/12/7,29,b.摩阻梯度,泡流中气体以小气泡分布于液体中，靠近管壁主要是液体。其摩阻压力梯度按液相计算。,？,紊流（NRe2300）,层流（NRe2300）,2022/12/7,30,2.段塞流,a.混合物密度,？,液体分布系数Co由连续液相的类型及混合物速度分别选用相应的公式,2022/12/7,31,vs计算方法一,2022/12/7,32,vs计算方法二,当Nb3000时,当3000Nb8000时,当Nb8000时,2022/1
9、2/7,33,b.摩阻梯度,3.雾状流,a.混合物密度,雾状流一般发生在高气液比、高流速条件下，液相以小液滴形式分散在气柱中呈雾状，这种高速气流携液能力强，其滑脱速度甚小，一般可忽略不计。,b.摩阻梯度,？,2022/12/7,36,确定e/D 根据无因次韦伯系数选择公式。,当Nw0.005时,当Nw0.005时,液膜的相对粗糙度，取0.0010.5,4过渡流 用段塞流和雾流计算后内插。,2022/12/7,38,qo= 38 m3/d，qg= 2027.4 m3/d，o= 0.85 g= 0.65，pb = 8.66 MPa，pwh = 2.352 MPaTwh = 25，T = 3 /10
10、0m，dti = 62mm。试用Orkiszewski 方法计算井口压力梯度。,例1-6,解：（1）以井口或井底为起点(由已知压力位置定)起始点：井口压力p1 = pwh，T1=Twh，H1=0 （2）选择计算区间长度:H一般取50100m 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,2022/12/7,39,（4）计算出区间的平均温度和平均压力Pav,Tav Pav= P1+ P/2 Tav=T1+ TH/2（5）确定Pav和Tav下的物性参数计算Rs、Bo、o、o、Zg、 g、Bg等（6）判断流态计算 NGV、LB、L
11、S、LM、qG/qm等，利用表1-9判断流态（7） 计算dp/dh和P根据流态计算 m 、f等，计算dp/dh 则： P= dp/dhH,2022/12/7,40,（8） 比较P与P,若相差超过误差限,以P代替P返回到（4）重新计算到第8步。如果 ，则进行下一段计算: P1 = P1 + P，H1= H1 +H，T1=T1+ TH 直至井底。,2022/12/7,41,二、倾斜（水平）管两相流计算方法,Mukherjee 和 Brill（1985）实验装置：内径38mm的倒U形倾斜管，中部可以升降，可与水平方向在090范围内变化实验介质：空气+煤油或润滑油 温度：-7.855.6,根据所测得的
12、1500个实验数据，通过回归分析，提出了倾斜管气液两相流的持液率及摩阻系数经验公式。适于垂直井、斜直井、定向井和水平井的两相管流压力计算。,2022/12/7,42,Mukherjee 和 Brill（1985）,对比：,2022/12/7,43,与水平方向的夹角（ 0+90o ）,a. 持液率,2022/12/7,44,无因次液相粘度,无因次液相速度,无因次气相速度,2022/12/7,45,若 则为环流，否则为泡流段塞流。,条件：向上或水平（水平井段）流动 分泡流段塞流和环流，判别式为,b. 确定摩阻系数,泡流段塞流,2022/12/7,46,fm为相对持液率HR和无滑脱摩阻系数fns 的
13、函数确定步骤： (1) 计算相对持液率 HRL /HL (2) 根据HR按下表确定摩阻系数比fR (3) 根据NRens由摩阻系数公式计算f，即为 fns (4) fm fR fns,环流,2022/12/7,47,三、环形空间流动的处理方法,模型： 采用圆管内气液两相管流压降计算方法修正环形空间流动：管径和管壁粗糙度,相当粗糙度,eo,ei分别为环空内管(油管外径)、外管（套管内径）有效粗糙度。eo应考虑油管或抽油杆接箍的局部摩阻影响。,2022/12/7,48,圆管时，Di=0，故R=D0/4，水力相当直径De=4R。所以环空的水力相当直径为：,水力当量直径,将圆管管径采用环空的水力半径代
14、替。,2022/12/7,49,13-405井压力计算结果对比,13-117井压力计算结果对比,2022/12/7,50,2022/12/7,51,HagedornBrown方法,无滑脱,滑脱压降,2022/12/7,52,第四节 油井井筒传热模型及温度计算,一、油井井筒传热模型,将流体在井筒油管内流动考虑为稳定的一维问题。能量方程,dq/dt,？,2022/12/7,53,焓是工质在某一状态下所具有的总能量（内能U与压力势能之和，为一个复合状态参数。,比焓梯度,焦耳汤姆逊系数,2022/12/7,54,流体-地层稳定传热,忽略油管内壁水膜及金属的热阻,？,2022/12/7,55,热流梯度方
15、程,地层内不稳定传热,2022/12/7,56,热流梯度,比焓梯度,能量方程,井筒温降梯度方程,2022/12/7,57,松弛距离A 任意流通断面的地温（静温）按井筒内流体流动温度梯度gf，折算到流温曲线所产生的相对距离。,2022/12/7,58,井筒温降计算,需要确定油套环空流体和水泥环及周围地层的一系列物性参数。为此，Ramey（1962）、Satter（1965）、Shiu & Beggs（1980）、Hasan & Kabir（1990）等提出了多个井筒温度简化计算方法。,2022/12/7,59,松弛距离A 为产出流体质量流量、管径、产出流体物性和油压的函数。 应用370口油气井（
16、直井、定向井）现场测温资料进行线性回归处理得到了A的系数。,二、Shiu & Beggs温度计算方法,考虑油井在稳定生产情况下，上述物性等参数变化不大，故均视为常数，导出任意z截面的温度,2022/12/7,60,解：,【例1-7】油层中深3000m处温度为82，地温梯度1.9/100m，其它数据同例1-6。用上述方法计算井口温度，并绘制产油量分别为38和200m3/d井内油管流温分布曲线。,由例1-6，Wm = 0.3921 kg/s = 33.88 t/d,井口流动温度,2022/12/7,61,第五节 嘴流动态,一、单相气体嘴流,若ptconst下游压力pb降低，qsc增大。当pb pc
17、时，流量达到最大值即临界流量。pb降低，流量不变。,2022/12/7,62,油嘴临界流动（choke critical flow） 指流体通过油嘴吼道高速流动，速度达到压力波在流体介质中的传播速度即声速时的流动状态。 在临界流状态下，油嘴下游压力变化对气体流量没有影响。 临界流动条件,时，为临界流；否则为亚临界流。,2022/12/7,63,根据气体嘴流的等熵原理，对于亚临界流状态，流量与压力比的关系可表示为,临界流动时，嘴流最大气流量为,2022/12/7,64,2022/12/7,65,二、气液两相嘴流,由于气液两相嘴流的理论描述较单相嘴流复杂得多，一般采用根据测试数据得出的经验公式计算。在临界流动条件下，流量的变化只与油嘴前的压力即油压有关。,嘴流公式具有经验性，与流体性质和油区条件有关。,2022/12/7,66,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。 当油井以临界流通过油嘴生产时，油压与流量的关系受油嘴尺寸的控制，而下游压力的干扰不会引起油井产量的波动。,
