西南石油采油工程 采油工程.pptx

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1、2 2、液体的体积流量、液体的体积流量q qL L 随随流流体体上上升升，压压力力低低于于P Pb b以以后后，气气体体 析析出出，q qL L略略有有下下降降，与与q qG G的的增增加加相相比比基基本本不变。不变。3 3、总混气液的体积流量、总混气液的体积流量:q:qm m=q=qL L+q+qG G4 4、混气液流速、混气液流速 V Vm m=q=qm m/A=(q/A=(qL L+q+qG G)/A )/A (1-54)(1-54)A A不变不变,V,Vm m的变化与的变化与q qm m的变化一致。的变化一致。第1页/共84页5 5、混气液密度、混气液密度 m m=w=wm m/q/q

2、m m ，w wm m质量流量质量流量 质量守恒质量守恒,w,wm m不变不变,q,qm m随流体上升而增随流体上升而增加，加，m m随流体上升而下降。随流体上升而下降。qmqL LqGmvm：与 一致HP Pb bqm第2页/共84页6 6、压力分布、压力分布(1).(1).液柱垂压液柱垂压 P Pm m=H=Hm mg g 压力梯度压力梯度:P:Pm m/H=/H=m m g g 由由于于m m随随位位置置而而变变化化,故故液液柱柱压压力梯度也随位置而变化。力梯度也随位置而变化。第3页/共84页 V Vm m随随着着位位置置而而变变化化，越越向向上上越越大大，m m越越向向上上越越小小，而

3、而速速度度是是平平方方项项，故故摩摩阻阻梯梯度度随速度而显著变化随速度而显著变化。(2).(2).摩阻梯度摩阻梯度第4页/共84页PtP(3).(3).总压降梯度总压降梯度 总的压降梯度总的压降梯度,也随位置变化，不是常也随位置变化，不是常数数,压力分布曲线不是直线。压力分布曲线不是直线。H第5页/共84页1 1 1 1、理论密度、理论密度、理论密度、理论密度设：液相截面积设：液相截面积设：液相截面积设：液相截面积:A:A:A:AL L L L 气相截面积气相截面积气相截面积气相截面积A A A AG G G G高度高度高度高度L L L L的流体质量为的流体质量为的流体质量为的流体质量为 L

4、(AL(AL(AL(AL L L LL L L L+A+A+A+AG G G GG G G G)体积为体积为体积为体积为:LALALALA （A=AA=AA=AA=AL L L L+A+A+A+AG G G G）AAL LAG二、混气液的密度二、混气液的密度第6页/共84页则混气液密度则混气液密度:（1-48）持液率持液率:单位管长内液体体积与油管容积的比值单位管长内液体体积与油管容积的比值（1-46）第7页/共84页持气率：持气率：（1-47）2 2、油气滑脱现象、油气滑脱现象 由由于于油油气气密密度度不不同同，在在垂垂直直管管中中气气体体比比液液体体上上升升快快的的现现象象称称为为滑滑脱脱

5、现现象象。两两相相的速度差叫气体的的速度差叫气体的滑脱速度滑脱速度。第8页/共84页vS=vG-vL（1-50）（1-49）（1-51）泡流取泡流取:V Vs s=0.244 m/s0.244 m/sV VSLSL-液相表观速度液相表观速度 V VSLSL=q=qL L/A /A （1-53）V VSGSG=q=qG G/A /A （1-52）（1-54）第9页/共84页（1-50）（1-52）（1-50a）同理：（1-51a）第10页/共84页（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）第11页/共84页（1-48）（1-55

6、a）无滑脱时：存在滑脱时：第12页/共84页则则:式中第一项是无滑脱密度nsns(VG=VL)AALAG3 3、实际密度、实际密度q qG G=v=vG GA AG G，v vG G ，则则 A AG GA=AA=AL L+A+AG G ，A AG G ，A AL L若无滑脱时液相面积若无滑脱时液相面积A AL L 滑脱时增加滑脱时增加AAL L第13页/共84页 密密度度所所引引起起的的压压力力变变化化是是油油气气流流动动时时不可避免的压力损耗不可避免的压力损耗,叫叫有效损耗有效损耗。式中第二项是滑脱引起式中第二项是滑脱引起的密度增量的密度增量,它所引起的压它所引起的压力变化叫力变化叫滑脱损

7、失滑脱损失。第14页/共84页1 1、垂直管气液两相流流型垂直管气液两相流流型纯液流:从从井井底底到到井井筒筒压压力力等等于于P Pb b的的点点之之间间。无无气气相相,管管内内流流动动的的是是均均质质液液体体，叫叫纯纯液液流流，流流体体密密度度最最大大，压压力力梯梯度度最最大大，压力分布曲线为直线压力分布曲线为直线。三、三、气液两相管流的流型 第15页/共84页泡 流：管内从压力等于：管内从压力等于P Pb b 起，有气体析起，有气体析出，呈现泡状出，呈现泡状,分散在液相中。随着油流上分散在液相中。随着油流上升，压力下降升，压力下降,气泡渐渐膨胀，这时气泡渐渐膨胀，这时液相液相是连续相，气相

8、是分散相是连续相，气相是分散相。这时，气体的。这时，气体的体积流量仍较小。总流量不大，流速较低，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，但摩阻小，密度比纯液流低，但滑脱损失较滑脱损失较大大，压降分布曲线呈上凹型，压降分布曲线呈上凹型。第16页/共84页段塞流：随随混混气气液液上上升升,压压力力下下降降,小小气气泡泡膨膨胀胀成成大大气气泡泡。当当气气泡泡断断面面几几乎乎与与油油管管直直径径相相当当时时，井井筒筒内内形形成成一一段段气气，一一段段液液的的流流动动结结构构。气气段段外外有有液液膜膜,液液相相仍仍是是连连续续相相,气气相相是是分分散散相相。气气体体体体积积流流量量

9、较较泡泡流流大大,摩摩阻阻较较泡泡流流大大,密密度度较较小小,滑滑脱脱较较小小。气气段段膨膨胀胀时时顶顶着着液液段段上上升升,举油效果好举油效果好,总的压力损失最小总的压力损失最小。第17页/共84页过渡流：气气体体体体积积膨膨胀胀，气气段段增增长长,液液段段被被突突破破,气气段段与与上上部部气气段段相相连连形形成成中中心心是是气气、外外环环为为液液膜膜的的流流态态。液液体体靠靠中中心心气气流流的的摩摩擦擦携携带带作作用用向向上上运运移移。液液相相从从连连续续相相过过渡渡到到分分散散相相，气气相相从从分分散散相相过过渡渡到到连连续续相相。这这时时体体积积流流量量较较大大,密密度度小小。压压降降

10、以以重重力力为为主主过过渡渡为为以以摩摩阻阻为为主主。总总压压降降比比段段塞塞流流大大，压压降降曲曲线线呈呈上凸型上凸型。第18页/共84页雾流：雾流：气气体体体体积积流流量量越越来来越越大大,管管壁壁的的油油膜膜越越来来越越少少,液液相相主主要要以以雾雾状状分分散散到到气气相相中中。气气为为连连续续相相,液液为为分分散散相相。这这时时密密度度很很小小,但但流流速速很很大大,压压降降主主要要消消耗耗在在摩摩阻上阻上。第19页/共84页HP第20页/共84页2、水平管气液两相流流型、水平管气液两相流流型分层流：见图120层状平滑流层状平滑流：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

11、。流量较低。层状波状流：层状波状流：气、液界面变成波状的，气体流量较高。环流：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。第21页/共84页间歇流：见图120段段塞塞流流：包包括括大大液液体体段段塞塞流流与与几几乎乎充满管子的高速气泡的交替流。充满管子的高速气泡的交替流。塞塞流流：大大气气泡泡沿沿管管子子顶顶部部流流动动，而而管子下部为液流。管子下部为液流。第22页/共84页分散流：见图120 泡流：泡流：大气泡集中在管子的上半部。大气泡集中在管子的上半部。环雾流：环雾流：气流量高、液流量低，气流气流量高、液流量低，气流中夹带液滴。中夹带液滴。倾斜管倾斜管的两相流流型不同于

12、垂直管或水的两相流流型不同于垂直管或水平管，它与管斜角有关。平管，它与管斜角有关。第23页/共84页四、四、气液两相管流压力梯度方程及求解步骤 1.1.压力梯度方程压力梯度方程沿程压降沿程压降=位能增量位能增量+沿程摩阻沿程摩阻+动能增量动能增量压降梯度压降梯度=重力梯度重力梯度+摩阻梯度摩阻梯度+动能梯度动能梯度（1-58）第24页/共84页单相流：多相流：对于水平管流：（1-61）（1-62）（1-63）第25页/共84页2.压力梯度方程求解步骤压力梯度方程求解步骤（1 1）以井口或井底为起点）以井口或井底为起点(由已知压力的位置定由已知压力的位置定)（2 2）选择一个计算区间长度）选择一

13、个计算区间长度:H:H一般取一般取5050100m 100m（3 3）假设这一区间的压降值）假设这一区间的压降值P(P(由经验定由经验定)（4 4）计算出区间的平均温度和平均压力）计算出区间的平均温度和平均压力P Pavav,T,Tavav（5 5）确定）确定P Pavav和和T Tavav下的物性参数下的物性参数（6 6）判判断断流流态态,计计算算不不同同流流态态下下的的混混合合流流体体密密度度、摩阻系数摩阻系数第26页/共84页（7 7）计算）计算dp/dhdp/dh和和PP（PP dp/dhdp/dhHH）（8 8）比比较较P与与P,P,若若相相差差超超过过允允许许值值,以以PP代入。代

14、入。（9 9）重复第）重复第4 4步到第步到第8 8步步 也也可可以以选选择择假假设设压压降降值值P,P,来来计计算算区区间间H,H,比较比较HH与与HH的方法。的方法。第27页/共84页第28页/共84页一、发展历史一、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fDv相关曲线计算f。第三节第三节 气液两相管流计算方法气液两相管流计算方法第29页/共84页 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

15、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。第30页/共84页压力梯度公式：(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)注意号第31页/共84页(1-69)(1-71)(1-72)(1-68)(1-66)mt伴随生产1m3地面脱气原油产出的油、气和水的总质量，kg/m3。(1-70)日产生产数据第32页/共84页三、流态划分三、流态划分1 1、影响流

16、态的因素、影响流态的因素 有有1313个变量因素影响多相管流的流态，个变量因素影响多相管流的流态，其中主要有：其中主要有：液相表观速度液相表观速度 V VSLSL=q=qL L/A /A （1-53）（假想只有液相在油管中流动时的速度）（假想只有液相在油管中流动时的速度）气相表观速度气相表观速度 V VSGSG=q=qG G/A/A （1-52）（假想只有气相在油管中流动时的速度）（假想只有气相在油管中流动时的速度）液相密度液相密度L L 气液间的表面张力气液间的表面张力第33页/共84页2 2、变量的无因次化、变量的无因次化应应用用定定理理对对上上述述因因素素进进行行处处理理（参参变变量量的

17、的无无因因次次数数组组化化，基基本本物物理理量量：g g、L L、）,得得出二个无因次变量出二个无因次变量:无因次气体速度无因次气体速度无因次液体速度无因次液体速度（1-73）（1-100）第34页/共84页3 3、流态划分、流态划分ROS ROS 通过实验研究通过实验研究:I I 区为泡流区；区为泡流区；II II 区为段塞流区；区为段塞流区；III III 区为雾状流区；区为雾状流区；介于介于II II 区和区和III III 区区之间的是过渡流区。之间的是过渡流区。NLVNGVLSLM第35页/共84页N NGVGVL L LS S 过渡流（下限）N NGVGV L L LM M 雾状流

18、段塞流的界限值为段塞流的界限值为:雾流的界限值为雾流的界限值为:回归出界线方程：回归出界线方程：(1-75)(1-76)第36页/共84页 OrOr进进一一步步实实验验后后，得得出出泡泡流流与与段段塞塞流流的的划分界线：划分界线：纵坐标：纵坐标：q qG G/q/qm m，气流量和总流量的比值，气流量和总流量的比值横坐标横坐标:V:Vm m=(q=(qG G+q+qL L)/A)/A ,总流速。总流速。曲曲线线族族为为不不同同的的直直径径，曲曲线线之之上上为为段塞流段塞流,曲线之下是泡流。曲线之下是泡流。第37页/共84页vmqG/qm1.00.1323/8段塞流泡流41/2431/227/8

19、1.9当当q qG G/q qm m0.1323002300）（1-80）（1-80a）对于层流（对于层流（N NReRe23002300）对于泡流，一般为层流。对于泡流，一般为层流。第46页/共84页c:c:动能项动能项 （泡流条件下忽略）泡流条件下忽略）第47页/共84页2.2.段塞流段塞流a.a.混合物密度混合物密度C CO O-液体分布系数；液体分布系数；U U1 1-油膜与油滴的体积；油膜与油滴的体积；U U2 2-气泡的体积；气泡的体积；W Wm m-混合物质量流量。混合物质量流量。（1-81）?第48页/共84页与泡流的计算相同（1-70、1-71）第49页/共84页Vs：滑脱速

20、度：滑脱速度 方法一方法一和混合物速度雷诺数和混合物速度雷诺数:（1-83）（1-84）由滑脱速度雷诺数由滑脱速度雷诺数:（1-82）迭代计算第50页/共84页当当:N:Nb b3000 3000 时时当当3000N3000Nb b80008000时时（1-85）（1-85a）滑脱速度滑脱速度 方法二方法二第51页/共84页当当N Nb b80008000时时b.b.液体分布系数液体分布系数C Co o的选用公式见表的选用公式见表1-10 1-10（1-85b）第52页/共84页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单相流体单相流体摩阻系数。根据管壁相对粗糙度

21、e/D和雷诺数 (式1-84)由式1-80计算。第53页/共84页3.3.雾流雾流a.a.混合物密度混合物密度雾流时雾流时,滑脱速度：滑脱速度：（1-48a）（1-90）第54页/共84页b.b.摩阻梯度摩阻梯度V Vm用气体表观速度近似代替。用气体表观速度近似代替。f f由气相雷诺数和液膜相对粗糙度计算由气相雷诺数和液膜相对粗糙度计算（1-92）（1-91）第55页/共84页c.c.液膜相对粗糙度液膜相对粗糙度根据无因次韦伯系数选择计算式：根据无因次韦伯系数选择计算式：当（1-94a）（1-93）第56页/共84页 -液膜的相对粗糙度，取液膜的相对粗糙度，取0.0010.0010.50.5（

22、1-94b）-液体的表面张力。液体的表面张力。（1-80）第57页/共84页d.d.动能项动能项视气体流动过程中发生等温膨胀。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：根据气体定律，动能变化可表示为：总压降梯度：总压降梯度：（1-69）第58页/共84页4 4过渡流过渡流 过渡流没有独立的计算方法，过渡流没有独立的计算方法，用段塞流和雾流计算后内插。用段塞流和雾流计算后内插。段塞流的界限值为段塞流的界限值为:雾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：例计算实例参见教材：例1-61-6（1-76）（1-75）第59页/共84页第60页/共84页第

23、61页/共84页 例例1-1-6某不含水自喷井产油量Qo为38m3/d，产气量Qg为2027.4 m3/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Twh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TT 3/100m），求井底压力/100m第62页/共84页解：解：（1 1）以井口或井底为起点）以井口或井底为起点(由已知压力的位置定由已知压力的位置定)以井口压力以井口压力P P1 1=P=Pwhwh=2.352MPa,T=2.352MPa,

24、T1 1=Twh,=Twh,H H1 1=0=0为计算起点为计算起点（2 2）选择一个计算区间长度）选择一个计算区间长度:H:H一般取一般取5050100m 100m 选取计算区间长度：选取计算区间长度：H=100mH=100m（3 3）假设这一区间的压降值）假设这一区间的压降值P(P(由经验定由经验定)假设深度假设深度HH对应的压力增量对应的压力增量P=0.6MPaP=0.6MPa（4 4）计算出区间的平均温度和平均压力）计算出区间的平均温度和平均压力P Pavav,T,Tavav P Pavav=P P1 1+P/2+P/2 T Tavav=T=T1 1+T*H/2T*H/2第63页/共8

25、4页（5 5）确定）确定P Pavav和和T Tavav下的物性参数下的物性参数计算RsRs、BoBo、o o、o o、Z Zg g、g g、B Bg g、R Rp p、q qG G、q qL L、q qm m、W Wm m、V VSGSG、V VSLSL、V Vm m 等（6 6）判断流态）判断流态计算 N NGVGV、L LB B、L LS S、L LM M、q qG G/q/qm m等，利用表1-91-9判断流态（7 7）计算计算dp/dhdp/dh和和PP根据流态计算 、f f、f f 等，最终计算dp/dhdp/dh则则：P=dp/dh*HP=dp/dh*H第64页/共84页（8 8

26、）比较比较PP与与P,P,若相差超过允许值若相差超过允许值,以以PP代入。代入。如果如果 ，则进行下一段计算，则进行下一段计算:P P1 1=P=P1 1+P,H+P,H1 1=H=H1 1+H,T+H,T1 1=T=T1 1+T*H+T*H 直直至井底；至井底；否则，用否则，用PP代替PP返回到返回到 （4 4）重新计算）重新计算到第到第8 8步步 也可以选择假设压降值也可以选择假设压降值P,P,来计算区间来计算区间H,H,比较比较HH与与HH的方法。的方法。第65页/共84页六、六、倾斜（水平）管两相流计算方法倾斜（水平）管两相流计算方法Beggs和Brill（1973）Mukherjee

27、和Brill（1985）（1-97）(1-69)对比：第66页/共84页（1-98）管斜角（与水平方向的夹角（0+90o）。对于垂直生产井=+90o；对于垂直注入（蒸汽）井=-90o）。无因次液相粘度无因次液相速度（1-100）（1-99）第67页/共84页（1-73）无因次气相速度第68页/共84页在确定摩阻系数时，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第69页/共84页 对于雾流（环流），其两相摩阻系数fm 考虑为相对持液率HR和无滑脱摩阻系数fns 的函数，确定步骤

28、如下：(1)计算相对持液率 HRL/HL （1-104）(2)根据HR按表1-12确定摩阻系数比fR；(3)根据NRens由摩阻系数公式（1-80）计算f，即为 fns；(4)fm fR fns。第70页/共84页 七、环形空间流动的处理方法圆管：Di=0，故R=D0/4，水力相当直径De=4R环空：水力相当直径为：(1-105)1.水力相当直径水力相当直径水力半径定义为：第71页/共84页e ee e环空相当粗糙度；环空相当粗糙度；e ei i、e eo o 环空内、外管有效粗糙度。环空内、外管有效粗糙度。环环空空壁壁面面的的腐腐蚀蚀和和结结垢垢及及环环空空中中接接箍箍的的局局部摩阻的影响。

29、部摩阻的影响。环空流动可用相当直径环空流动可用相当直径e e代替涉及管径代替涉及管径一次方的关系式。一次方的关系式。计算两相流流速时仍用实际过流截面积。计算两相流流速时仍用实际过流截面积。2.相当粗糙度相当粗糙度(1-106)截面积第72页/共84页 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（Pt或P1）：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（PB或P2）:油嘴后剩余压力，又是地面管线流动的动力。PtPBPc第73页/共84页第74页/共84页一、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。

30、油气流速可达临界速度，油嘴前后宛若两个系统。临界流速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。流体的流速达到压力波在流体介质中的传播速度，即声速。临界流动状态临界流动状态流体达到临界速度时的流动状态。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第75页/共84页 2.流量与油嘴前后压力比的关系当当 P Pt t=P=PB B时时,V=0,V=0,即即 P PB B/P/Pt t=1=1时，时，q=0q=0；ab ab 段：段：P PB B/P/Pt t q q ；b b点：当点：当P PB B/P/Pt t=C=C 时，时，q q达到最大：达到最大：bcb

31、c段：段：P PB B/P/Pt t q=C q=C 达到最大流量时的压力比达到最大流量时的压力比(P(PB B/P/Pt t)c)c 称为临界压称为临界压力比。（力比。（P PB B/P/Pt t)c)c 这一点叫临界点，这点的流动叫这一点叫临界点，这点的流动叫临界流动。这时的流动速度为声速。临界流动。这时的流动速度为声速。1PB/Ptabcq第76页/共84页 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，（PB/Pt）c=0.528对天然气 K=1.3，（PB/Pt）c=0.546当 PB/Pt0.546 时，为临界流；否则为亚临界流

32、动（1-107）第77页/共84页 所以：当PB/Pt 0.5，即Pt 2PB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Pt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。第78页/共84页三、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）第79页/共84页第80页/共84页四、气液两相嘴流 在临界流动条件下（通常当 PB/Pt0.528 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

33、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d1d2d2 d1qPt第81页/共84页作业：作业：1.1.已知：管内某处液体流量已知：管内某处液体流量q ql l=3.7x10=3.7x10-3-3 m m3 3/s/s，气体的流量，气体的流量q qg g=5x10=5x10-3-3 m m3 3/s/s，管内，管内过流面积过流面积A=4.53 x10A=4.53 x10-3-3 m m2 2，l l=0.903x10=0.903x103 3 kg/mkg/m3 3，=0.0165 N/m=0.0165 N/m。试求：。试求：1 1）表观液体、气体速度）表观液体、气体速度V Vslsl、V Vsgsg和和V Vm m；2 2）原地气液比）原地气液比R R和和N Nlvlv；3 3）判断流态。）判断流态。第82页/共84页作业（选作）：作业（选作）：1.1.用用OrkiszewskiOrkiszewski方法计算压降方法计算压降梯梯 度时，度时，比较比较各种流态下计算的各种流态下计算的 异同点。异同点。第83页/共84页感谢您的观看！第84页/共84页