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1、气液两相管流基本概念及基本方程2023/2/12两相管流：两相管流：占油气井系统总占油气井系统总 压降压降35%-90%35%-90%核心问题：核心问题：沿程压力变化沿程压力变化 及其影响因素及其影响因素2023/2/13一、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，气液两相上升流动时，由于气液两相间的物性差异由于气液两相间的物性差异所产生气相超越液相流动。所产生气相超越液相流动。相对于气相而言，有一相对于气相而言，有一部分液相被滞留于管段中。部分液相被滞留于管段中。密度增加，压降损失增加密度增加，压降损失增加2023/2/14持液率(LiquidHoldup)流动状态下单
2、位长度管段内液相容积所占份额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-slipLiquidHoldup)管流截面上液相体积流量与气液混合物总体积流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：量的比值。（条件：）关系2023/2/15 流速相平均流速相平均流速实际流速实际流速表观流速表观流速关系关系混合物流速混合物流速滑脱速度滑脱速度 2023/2/16 混合物密度存在滑脱存在滑脱无滑脱无滑脱 滑脱损失 2023/2/17二、气液两相管流的流型 纯液流（ppb）无气相，管内均质液体无气相，管内均质液体流体密度最大，压力梯度最大流体密度最大，压力梯度最大溶解气开始
3、从油中析出，气体以小气溶解气开始从油中析出，气体以小气泡分散在液相中泡分散在液相中 泡 流（ppb）液相是连续相，气相是分散相液相是连续相，气相是分散相液相滑脱损失严重，易水淹液相滑脱损失严重，易水淹摩阻小，重力损失为主摩阻小，重力损失为主 特点2023/2/18液相是连续相，气相是分散相液相是连续相，气相是分散相气体体积变大，摩阻增加气体体积变大，摩阻增加滑脱较小，总压力损失最小滑脱较小，总压力损失最小 特点 混合物继续向上流动，压力降低，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，气托着成一段气，一段液流动结构，气
4、托着油向上运动。油向上运动。段塞流2023/2/19液相由连续相过渡为分散相，气相相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环壁。液体靠中心气流的摩擦携带作用向上运移。用向上运移。过渡流（环流）2023/2/110气相是连续相，液相是分散相气相是连续相，液相是分散相摩阻增加，重力损失最小摩阻增加，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，液体以液增
5、大，壁面液膜厚度降低，液体以液滴分散于气相中。滴分散于气相中。雾状流2023/2/111纯液流纯液流泡流泡流段塞流段塞流过渡流过渡流雾状流雾状流 油井生产中可能出油井生产中可能出现的流型自下而上依次现的流型自下而上依次为：纯油流（液流），为：纯油流（液流），泡流，段塞流，过渡流，泡流，段塞流，过渡流，雾状流。雾状流。实际上，在同实际上，在同一口油井中，一般不会一口油井中，一般不会出现完整的流型变化。出现完整的流型变化。总结Hp L L p1p1 L L p2p2 L L p3p32023/2/1122.水平管流气液两相流流型 分层流上部气流、下部液流上部气流、下部液流气液界面平滑或波状气液界面
6、平滑或波状中心气流，携带液滴中心气流，携带液滴 管壁液环流动管壁液环流动层状光滑流层状波状流环状流2023/2/113大气泡沿管子顶部流动，大气泡沿管子顶部流动，管子下部为液流管子下部为液流间歇流塞流塞流大液体段塞流与几乎充大液体段塞流与几乎充满管子的高速气泡的交满管子的高速气泡的交替流。替流。塞流段塞流2023/2/114气流量高、液流量低气流量高、液流量低气流中夹带液滴气流中夹带液滴分散流大气泡集中在管子大气泡集中在管子的上半部。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2023/2/1
7、16单相流多相流 水平管流(=0)，且忽略动能2023/2/117分析泡流段塞流过渡流雾流井筒井筒L L处处p p，T TL=LL=L1 1,L,L2 2,L,L3 3-L-Ln np=pp=p1 1p p1 1+p p2 2-p pn-1n-12023/2/118迭代计算步骤p pwfwf，T Twfwfp p1 1=p=pwfwfp p1 1p p1 1，T T2 2p p1 1=p=pwfwfp px xp pwfwfB Bo o,B,Bg g,B,Bw w,R,Rs s,o o,g g等等v vm m,v,vsgsg,v,vslsl判别流型判别流型计算计算H HL L(m m)泡泡流流
8、段段塞塞流流过过渡渡流流雾雾流流泡泡流流段段塞塞流流过过渡渡流流雾雾流流动动能能摩摩阻阻重重力力 p px2x2p px x-p px2x2EEp p1 1=p=pwfwfp px2x2 H H2023/2/119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）早期均匀流方法（总摩阻系数法）1952Poettmann&Carpenter1952Poettmann&Carpenter80s80s陈家琅陈家琅(NRe)(NRe)2 2 经验相关式经验相关式1963Duns&Ros1963Duns&Ros无因次化处理无因次化处理 N NvLvL、N Nvgvg、N NDD、N NL L1
9、965Hagedorm&Brown1965Hagedorm&Brown现场实验现场实验1967Orkiszewski1967Orkiszewski流型组合流型组合1973Beggs&Brill1973Beggs&Brill倾斜管实验倾斜管实验1985Mukherjee&Brill1985Mukherjee&Brill改进实验条件改进实验条件 现代机理模型现代机理模型1985Hasan&Kaber1985Hasan&Kaber1990Ansari1990Ansari2023/2/120Orkiszewski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
10、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。流型流型流型流型选用方法选用方法选用方法选用方法泡流泡流泡流泡流段塞流段塞流段塞流段塞流过渡流过渡流过渡流过渡流雾状流雾状流雾状流雾状流 GriffithGriffith和和和和WallisWallis密度项对密度项对密度项对密度项对GriffithGriffith和和和和WallisWallis公式作了修正，摩阻公式作了修正，摩阻公式作了修正，摩阻公式作了修正，摩阻项用项用项用项用OrkiszewskiOrkiszewski方法方法方法方法RosRos和和和和DunsDunsRosRos和和和和Duns Duns 202
11、3/2/121 1.总压降梯度公式一般动能较小，只在雾流情况下才有意义。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：只考虑气体的压缩性：2023/2/122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2023/2/1232、流型判别多相管流流态的影响因素共有多相管流流态的影响因素共有1313个，主要因个，主要因素：素：V VSLSL、V VSGSG、L L、1 1）影响流态的因素）影响流态的因素2 2）无因次处理）无因次处理2023/2/124Ros流型图版N NGVGVLLLS SNNGVGVLLLMM雾状流雾状流段塞流与过渡流界限值为:雾流与
12、过渡流界限值为:泡泡流流与与段段塞塞流流分界分界2023/2/126v vmmq qGG/q/qmm1.01.00.130.132 23 3/8 8段塞流泡流4 41 1/2 24 43 31 1/2 22 27 7/8 81.91.9 泡流与段塞流分界Orkiszewski方法流型界限流型流型流型流型界限界限界限界限泡流泡流泡流泡流q qGG/q/qmm0.13 0.13 或或或或 0.13q0.13qGG/q/qmmLLLB B，N NGVGVLN NGVGVLLS S雾流雾流雾流雾流N NGVGVLLMM2023/2/128四、混合物密度与摩阻梯度的计算a.a.混合物的密度混合物的密度1
13、）泡流与滑脱速度有关与滑脱速度有关实验表明：泡流时实验表明：泡流时v vs s=0.244=0.2442023/2/129b.摩阻梯度 泡流中气体以小气泡分布于液体中，靠近管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。壁主要是液体。其摩阻压力梯度按液相计算。紊流（紊流（N NReRe23002300）层流（层流（N NReRe23002300）2023/2/1302.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连续液相连续液相连续液相连续液相v vmm，m/sm/sC Co o计算公式计算公式计算公式计算公式水水水水 3
14、.048 3.048 3.0481 186b86b油油油油 3.048 3.048 3.0481 186d86d2023/2/131vs计算方法一2023/2/132vs计算方法二当当N Nb b30003000时时当当3000N3000Nb b80000.005时液膜的相对粗糙度，取0.0010.54过渡流 用段塞流和雾流计算后内插。2023/2/138qo=38m3/d，qg=2027.4m3/d，o=0.85g=0.65，pb=8.66MPa，pwh=2.352MPaTwh=25，T=3/100m，dti=62mm。试用Orkiszewski方法计算井口压力梯度。例例1-6 1-6 解：
15、解：（1 1）以井口或井底为起点）以井口或井底为起点(由已知压力位置定由已知压力位置定)起始点：井口压力起始点：井口压力p p1 1=p=pwhwh，T T1 1=T=Twhwh，H H1 1=0=0 （2 2）选择计算区间长度）选择计算区间长度:H:H一般取一般取5050100m100m 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=0.6MPa2023/2/139（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
16、压力P Pavav,T,Tavav P Pavav=P P1 1+P/2+P/2TTavav=T=T1 1+TH/2TH/2（5 5）确定）确定PavPav和和TavTav下的物性参数下的物性参数计算计算R Rs s、B Bo o、o o、o o、Z Zg g、g g、B Bg g等等（6 6）判断流态）判断流态计算计算 N NGVGV、L LB B、L LS S、L LMM、q qGG/q/qmm等，利用表等，利用表1-1-9 9判断流态判断流态（7 7）计算计算dp/dhdp/dh和和PP根据流态计算根据流态计算 mm、f f等，计算等，计算dp/dhdp/dh则：则：P=dp/dhHP=
17、dp/dhH2023/2/140（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+T H 直至井底。2023/2/141二、倾斜（水平）管两相流计算方法MukherjeeMukherjee和和 BrillBrill（19851985）实验装置：内径实验装置：内径38mm38mm的倒的倒U U形倾斜管，中部可以升降，可形倾斜管，中部可以升降，可与水平方向在与水平方向在0 09090范围内变化范围内变化实验介质：空气实验介质：空气+煤油或润滑油煤油或润滑油温度：温度：-7.855.6-7.855.6，m
18、N/mmN/m，kg/mkg/m3 3，mPasmPas煤油煤油煤油煤油26268178172 2润滑油润滑油润滑油润滑油35358498492929根据所测得的根据所测得的15001500个实验数据，通过回归分析，提出了个实验数据，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、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。斜直井、定向井和水平井的两相管流压力计算。2023/2/142MukherjeeMukherjee和和 BrillBrill（19851985）对比：对比：2023/2/143与与水平方向水平
19、方向的夹角（的夹角（0 0+9090oo）a.持液率流向流向流向流向向上和水平流向上和水平流向上和水平流向上和水平流向向向向 下下下下 流流流流流型流型流型流型所有所有所有所有分层流分层流分层流分层流其它其它其它其它系系系系数数数数值值值值c c1 1-0.380113-0.380113-1.33082-1.33082-0.516644-0.516644c c2 20.1298750.1298754.8081394.8081390.7898050.789805c c3 3-0.119788-0.1197884.1715844.1715840.5516270.551627c c4 42.3432
20、272.34322756.26226856.26226815.51921415.519214c c5 50.47756860.47756860.0799510.0799510.3717710.371771c c6 60.2886570.2886570.5048870.5048870.3939520.3939522023/2/144无因次液相粘度无因次液相粘度 无因次液相速度无因次液相速度 无因次气相速度无因次气相速度 2023/2/145若若 则为环流，否则为泡流则为环流，否则为泡流 段塞流。段塞流。条件条件：向上或水平（水平井段）流动：向上或水平（水平井段）流动 分泡流分泡流 段塞流和环流，
21、判别式为段塞流和环流，判别式为 b.b.确定摩阻系数确定摩阻系数泡流泡流 段塞流段塞流2023/2/146f fmm为相对持液率为相对持液率H HR R和无滑脱摩阻系数和无滑脱摩阻系数f fnsns 的函数的函数确定步骤：确定步骤：(1)(1)计算相对持液率计算相对持液率H HR R L L/H/HL L(2)(2)根据根据H HR R按下表确定摩阻系数比按下表确定摩阻系数比f fR R(3)(3)根据根据N NRensRens由摩阻系数公式计算由摩阻系数公式计算f f，即为即为 f fnsns(4)(4)f fmm f fR R f fnsns 环流HR 0.10 0.20 0.30 0.4
22、0 0.50 0.70 1.00fR 1.00 0.98 1.20 1.25 1.30 1.25 1.002023/2/147三、环形空间流动的处理方法模型：模型：采用圆管内气液两相管流压降计算方法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：修正环形空间流动：管径和管壁粗糙度管径和管壁粗糙度相当粗糙度相当粗糙度e eo o,e,ei i分别为环空内管分别为环空内管分别为环空内管分别为环空内管(油管外径油管外径油管外径油管外径)、外管（套管内径）、外管（套管内径）、外管（套管内径）、外管（套管内径）有效粗糙度。有效粗糙度。有效粗糙度。有效粗糙度。e eo o应考虑油管或抽油杆接箍的局部摩
23、阻影响。应考虑油管或抽油杆接箍的局部摩阻影响。应考虑油管或抽油杆接箍的局部摩阻影响。应考虑油管或抽油杆接箍的局部摩阻影响。2023/2/148 圆管时，圆管时，D Di i=0=0，故，故R=DR=D0 0/4/4，水力相当直径，水力相当直径D De e=4R=4R。所以环空的水力相当直径为：。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替。将圆管管径采用环空的水力半径代替。2023/2/14913-405井压力计算结果对比 13-117井压力计算结果对比 2023/2/1502023/2/151HagedornHagedornBrownBrown方法方法无滑脱无滑脱滑
24、脱压降滑脱压降2023/2/152第四节 油井井筒传热模型及温度计算 一、油井井筒传热模型一、油井井筒传热模型 将流体在井筒油管内将流体在井筒油管内流动考虑为稳定的一维问流动考虑为稳定的一维问题。题。能量方程能量方程dq/dtdq/dt2023/2/153焓是工质在某一状态下所具有的总能量（内能焓是工质在某一状态下所具有的总能量（内能U U与压力势能之和，为一个复合状态参数。与压力势能之和，为一个复合状态参数。比焓梯度比焓梯度焦耳汤姆逊系数焦耳汤姆逊系数2023/2/154流体流体-地层稳定传热地层稳定传热油油管管隔热层隔热层套套管管地地层层流流体体环环空空水水泥泥环环r rti tir rh
25、 hr rcocor rci cir rtotor rinsinsT Tf fT Tti tiT TtotoT TinsinsT Tci ciT TcocoT Th h 忽略油管内壁水膜及金属的热忽略油管内壁水膜及金属的热阻阻 2023/2/155热流梯度方程 地层内不稳定传热地层内不稳定传热2023/2/156热流梯度热流梯度比焓梯度比焓梯度能量方程能量方程井筒温降梯度方程井筒温降梯度方程 2023/2/157松弛距离A 任任意意流流通通断断面面的的地地温温（静静温温）按按井井筒筒内内流流体体流流动动温温度度梯梯度度g gf f，折折算算到到流流温温曲曲线线所所产产生生的的相对距离。相对距离
26、。Te(z)Tf(z)gf A2023/2/158井筒温降计算井筒温降计算 需需要要确确定定油油套套环环空空流流体体和和水水泥泥环环及及周周围围地地层层的的一一 系系 列列 物物 性性 参参 数数。为为 此此，RameyRamey（19621962）、SatterSatter（19651965）、ShiuShiu&BeggsBeggs（19801980）、HasanHasan&KabirKabir（19901990）等等提提出出了了多多个个井井筒筒温温度度简简化化计计算算方方法。法。2023/2/159松弛距离松弛距离A A 为产出流体质量流量、管径、产出流体物性和油压为产出流体质量流量、管径
27、、产出流体物性和油压的函数。的函数。应用应用370370口油气井（直井、定向井）现场测温资口油气井（直井、定向井）现场测温资料进行线性回归处理得到了料进行线性回归处理得到了A A的系数。的系数。二、二、Shiu&BeggsShiu&Beggs温度计算方法温度计算方法 考考虑虑油油井井在在稳稳定定生生产产情情况况下下，上上述述物物性性等等参参数数变化不大，故均视为常数，导出任意变化不大，故均视为常数，导出任意z z截面的温度截面的温度 2023/2/160解：解：【例例1-71-7】油油层层中中深深3000m3000m处处温温度度为为8282，地地温温梯梯度度1.9/100m1.9/100m，其
28、其它它数数据据同同例例1-61-6。用用上上述述方方法法计计算算井井口口温温度度，并并绘绘制制产产油油量量分分别别为为3838和和200m200m3 3/d/d井井内内油油管管流温分布曲线。流温分布曲线。由例由例1-61-6，WWmm=0.3921kg/s=33.88t/d=0.3921kg/s=33.88t/d井口流动温度井口流动温度 2023/2/161第五节 嘴流动态 一、单相气体嘴流一、单相气体嘴流若若p pt tconstconst下游压力下游压力p pb b降低，降低，q qscsc增大。增大。当当p pb bppc c时，流量达到最大值即临界流量。时，流量达到最大值即临界流量。p
29、 pb b降低，流量不变。降低，流量不变。2023/2/162 油嘴临界流动（chokecriticalflow）指流体通过油嘴吼道高速流动，速度达到压力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。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在临界流状态下，油嘴下游压力变化对气体流量没有影响。量没有影响。临界流动条件 时，为临界流；否则为亚临界流。时，为临界流；否则为亚临界流。2023/2/163 根据气体嘴流的等熵原理，对于亚临界流状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态，流量与压
30、力比的关系可表示为 临界流动时，嘴流最大气流量为临界流动时，嘴流最大气流量为2023/2/1642023/2/165二、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。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嘴流公式具有经验性，与流体性质和油区条件有关。件有关。2023/2/166当气液比、油嘴直径一定，油嘴流量取决于油压，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。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。油井产量的波动。