第二章井筒流动动态 目的要求 通过讲授气液两相流动的基本概念,井筒气液两相流动压力梯度方程和井筒压力分布计 算的实用方法,使学生对井筒流动动态有一全面了解。要求学生掌握气液两相流动型态,压 力梯度方程以及井筒压力分布计算的实用方法。 课时:8学时 研究方法: 经验方法:主要根据实验结果描述流动过程的经验相关式。 半经验法:适当的假设和简化,结合流动的基本方程,用实验的方法定出经验系数。 理论分析:通过理论分析建立流动过程规律的关系式 重点授课内容提要 第一节气液两相流动的基本概念 (一)基本参数 流量 (1)质量流量 质量流量:即单位时间内流过过流断面的流体质量。 体积流量:单位时间内流过过流断面的流体体积。 q=g+ q 2速度 气相实际速度:s9 实际上,它是气相在所占断面上的平均速度,真正的气相实际速度应是气相各点的局 部速度。 气相表观速度(气相折算速度):假设气相占据了全部过流断面,这是一种假象的速
1 第二章 井筒流动动态 目的要求 通过讲授气液两相流动的基本概念，井筒气液两相流动压力梯度方程和井筒压力分布计 算的实用方法，使学生对井筒流动动态有一全面了解。要求学生掌握气液两相流动型态，压 力梯度方程以及井筒压力分布计算的实用方法。 课时：8 学时 研究方法： 经验方法：主要根据实验结果描述流动过程的经验相关式。 半经验法：适当的假设和简化，结合流动的基本方程，用实验的方法定出经验系数。 理论分析：通过理论分析建立流动过程规律的关系式。 重点授课内容提要 第一节 气液两相流动的基本概念 （一）基本参数 1 流量 （1）质量流量 质量流量：即单位时间内流过过流断面的流体质量。 体积流量：单位时间内流过过流断面的流体体积。 2 速度 气相实际速度： 实际上，它是气相在所占断面上的平均速度，真正的气相实际速度应是气相各点的局 部速度。 气相表观速度（气相折算速度）：假设气相占据了全部过流断面，这是一种假象的速 度。 w m w g w l q m q g ql g g g A q v A q v g sg
液相实际速度v=q A 液相表观速度(液相折算速度)Vs1= A 两相混合物速度,_qn_9g+q =Vs+vsl 滑脱速度:气相实际速度与液相实际速度之差称为滑脱速度。 3含气率和含液率 体积含气率(无滑脱含气率):单位时间内流过过流断面的两相流体的总体积中气相所 占的比例。 B 体积含液率(无滑脱含液率):B1=1-阝 真实含气率:真实含气率又称空隙率、气相存容比,两相流动的过流断面上,气相面积 所占的份额,故也称作截面含气率。 H AA +A, 真实含液率(持液率)B1=1-B1=4 A A2 +Ar 4混合物密度:在流动的管道上,取一微小管段,则此微小管段内两相介质的质量与体 积之比称为混合物的真实密度。 H2p+(1-H) 为了便于比较,把单位时间内流过过流断面的两相混合物的质量与体积之比称为无滑脱 密度(流动密度),即认为气液之间不存在相对运动时的混合物密度。 Pgg t P q1 pns B0+(1-B) 当∨g>Ⅵ,即存在滑脱时
2 液相实际速度 液相表观速度（液相折算速度） 两相混合物速度 滑脱速度：气相实际速度与液相实际速度之差称为滑脱速度。 Vs=Vg-Vl 3 含气率和含液率 体积含气率（无滑脱含气率）：单位时间内流过过流断面的两相流体的总体积中气相所 占的比例。 体积含液率（无滑脱含液率）： 真实含气率：真实含气率又称空隙率、气相存容比，两相流动的过流断面上，气相面积 所占的份额，故也称作截面含气率。 真实含液率（持液率） 4 混合物密度：在流动的管道上，取一微小管段，则此微小管段内两相介质的质量与体 积之比称为混合物的真实密度。 为了便于比较，把单位时间内流过过流断面的两相混合物的质量与体积之比称为无滑脱 密度（流动密度），即认为气液之间不存在相对运动时的混合物密度。 当 Vg>Vl，即存在滑脱时 l l l A q v A q v l sl sg sl m g l m v v A q q A q v m sg g l g m g g v v q q q q q m sl m l l g v v q q 1 g sg g l g g g v v A A A A A H l s l g l l l l g v v A A A A A H H 1 m H gg (1 H g )l g g g l m g g l l m m n s q q q q w (1 ) 1 1 g l g l g g l g l g q A g q q A A q H g A A q
M:9业4>④A>B,-=(-B)(2-2)>0 44 lg Pm>pns 存在滑脱时,将增大气液混合物的密度,从而增大混合物的静水压头(即重力消耗) 因滑脱而产生的附加压力损失称为滑脱损失。 (二)气液两相流动型态 流动型态简称流型,指气液两相的结构形势或分布状态 垂直气液两相流动的流型 雾流 环流 段塞流 雾流 环流 流型为渐变,非突变。同一井不 段塞流 会出现全部流态。 纯液流 水平气液两相流动的流型
3 由 Vg>Vl 得： 存在滑脱时，将增大气液混合物的密度，从而增大混合物的静水压头（即重力消耗）。 因滑脱而产生的附加压力损失称为滑脱损失。 （二）气液两相流动型态 流动型态简称流型，指气液两相的结构形势或分布状态。 垂直气液两相流动的流型 水平气液两相流动的流型 g l g l q q A A l l g g A q A q g g H 0 m ns g g l g H m ns 段塞流 环流 雾流 段塞流 环流 雾流 泡流 纯液流 流型为渐变，非突变。同一井不 会出现全部流态
分层光滑流 32 团状流二 分层流 间歇流 分层波状流 ·分散泡流 分散流 环状流 环状流 。。泡状流 流型图 1954年,美国学者 Baker在前人研究结果的基础上提出了流型判别的流型图方法。 般用气相表观速度(或以这两个参数为基础得到的其他折算参数)构成流型图的坐标系。 分散泡流 气泡流 段塞流 泡状流 设塞流 环状流 搅动流 分层光滑流 垂直气液两相流流型图 水平气液两相流流型图 第二节井筒气液两相流动压力梯度方程 (一)压力梯度方程 假设可压缩流体在圆管内为一维稳定流动。从管流系统中取一控制体,建立下图所示坐 标系统。 动量定理:控制体动量的变化率等于其所受的合力。 ∑F (e, Ad=dv P,Av dv 压差 ∑ 管壁摩擦阻力 质量力(重力)沿Z轴的分力
4 流型图 1954 年，美国学者 Baker 在前人研究结果的基础上提出了流型判别的流型图方法。一 般用气相表观速度（或以这两个参数为基础得到的其他折算参数）构成流型图的坐标系。 垂直气液两相流流型图 水平气液两相流流型图 第二节 井筒气液两相流动压力梯度方程 （一）压力梯度方程 假设可压缩流体在圆管内为一维稳定流动。从管流系统中取一控制体，建立下图所示坐 标系统。 动量定理：控制体动量的变化率等于其所受的合力。 dt Adz dv F m m z m Avmdvm F z 压差 管壁摩擦阻力 质量力（重力）沿 Z 轴的分力
∑F=F+F+F 压差:Fp=ApA(p+dp)=Adp A 4 管壁摩擦阻力(与流体流向相反) Fr=+Gr ddr P d z=p, g sin e+p, v2+P,v,dv 2d d 井筒内的压力损失由重力损失、摩擦损失和加速度损失构成。 (二)井筒压力分布计算步骤 只要知道密度、速度、摩擦系数,就可计算出井筒内的压力梯度或压力分布。但这些参 数又是压力和温度的函数,压力却又是计算中需要求取的未知数。所以,通常采用迭代法(也 称试错法)进行计算。可按长度增量或压力增量进行迭代计算。 dz=e g sin 0+P V=+ P va,dvs 中 已知井口(或井底)的压力,计算井底(或井口)的压力。以长度增量为例,具体计算 步骤为 ①选取合适的压力降作为计算的压力间隔。一般取05~MPa ②估计一个对应的深度增量; ③计算该管段的平均温度、平均压力以及流体物性参数(溶解气油比、原油体积系数和粘 度、气体密度和粘度、混合物粘度、表面张力等) 恿计算该段的压力梯度
5 压差：Fp=Ap-A（p+dp）=-Adp 管壁摩擦阻力（与流体流向相反）： 井筒内的压力损失由重力损失、摩擦损失和加速度损失构成。 （二）井筒压力分布计算步骤 只要知道密度、速度、摩擦系数，就可计算出井筒内的压力梯度或压力分布。但这些参 数又是压力和温度的函数，压力却又是计算中需要求取的未知数。所以，通常采用迭代法（也 称试错法）进行计算。可按长度增量或压力增量进行迭代计算。 已知井口（或井底）的压力，计算井底（或井口）的压力。以长度增量为例，具体计算 步骤为： ○1 选取合适的压力降作为计算的压力间隔。一般取 0.5~1MPa； ○2 估计一个对应的深度增量； ○3 计算该管段的平均温度、平均压力以及流体物性参数（溶解气油比、原油体积系数和粘 度、气体密度和粘度、混合物粘度、表面张力等 ）； ○4 计算该段的压力梯度； Fz Fp Ff Fgz 4 2 d A Ff ddz w 8 2 m m m w f v dz v dv d f v g dz dp m m m m m m m 2 sin 2 dz v dv d f v g dz dp m m m m m m m 2 sin 2
⑤计算对应的该段管长(深度差、深度增量) ⑥比较低(5)步与第(2)步的计算结果,两者之差超过允许范围,则以第(5)步的计算 结果作为估算值,重复(2)~(5); ①计算该段下端对应的深度及压力; ⑧重复(2)~(7),直到各段的累加深度等于管长时为止。 第三节井筒压力分布计算的实用方法 尽管在压降预测方法上不断改进,然而大量的统计计算表明,到目前为止,还没有一种 方法能对所有数据范围都得到满意结果。原因是:一方面由于多相流的复杂性,使之难以找 到非常准确的模型,这种模型对有关量的描述总是近似的,即出现模型误差:另一方面,在 数据采集时,还存在许多不确定因素,这时将产生观测误差 对于气液两相流流型的识别硏究,一方面应加强对流型的本质特征研究,以便得到比较 明确、一致和可行的流型定义和划分方法:另一方面应该加强利用目前迅速发展的现代化的 信息获取与处理手段,提取流型的动态特征,并与流体力学的有关理论相结合,在流型的识 别技术上取得突破。 (一) Orkiszewski方法 1967年, Orkiszewski将前人的计算方法分为三类,每类中选出具有代表的五种方法, 用148口井的数据对他们进行了检验和对比。然后在不同的流动型态下择其优者,并加上 他自己的研究成果,综合得出一个新的方法 1、流型即判据 流型 98/qu LB, NR L, 段塞流 Ly>Ne>Ls 过渡流 泡流 段塞流过渡流 N>Ly 雾流 E液体 气体
6 ○5 计算对应的该段管长（深度差、深度增量）； ○6 比较低（5）步与第（2）步的计算结果，两者之差超过允许范围，则以第（5）步的计算 结果作为估算值，重复（2）~（5）； ○7 计算该段下端对应的深度及压力； ○8 重复（2）~（7），直到各段的累加深度等于管长时为止。 第三节 井筒压力分布计算的实用方法 尽管在压降预测方法上不断改进，然而大量的统计计算表明，到目前为止，还没有一种 方法能对所有数据范围都得到满意结果。原因是：一方面由于多相流的复杂性，使之难以找 到非常准确的模型，这种模型对有关量的描述总是近似的，即出现模型误差；另一方面，在 数据采集时，还存在许多不确定因素，这时将产生观测误差。 对于气液两相流流型的识别研究，一方面应加强对流型的本质特征研究，以便得到比较 明确、一致和可行的流型定义和划分方法；另一方面应该加强利用目前迅速发展的现代化的 信息获取与处理手段，提取流型的动态特征，并与流体力学的有关理论相结合，在流型的识 别技术上取得突破。 （一）Orkiszewski 方法 1967 年，Orkiszewski 将前人的计算方法分为三类，每类中选出具有代表的五种方法， 用 148 口井的数据对他们进行了检验和对比。然后在不同的流动型态下择其优者，并加上 他自己的研究成果，综合得出一个新的方法。 1、流型即判据
N=≌|P ,L。=50+36q L=75+84 q gop LB=1071-0.727,若L2<013,则取L=0.13 2、压力梯度方程 fP,V dz passin -dp=pm,gdh+T, dh+P v dv Orkiszewski认为动能变化只有在雾流情况下才有明显意义,此时,气体体积流量远大 于液体体积流量: p.av 若将气相看作是理想气体的等温变化,则根据Boye(玻意耳)定律有:PV=C d(p2)=0,phx+v中 dy P,vd Az 中_Pn8+ 3、混合物密度和摩擦梯度的计算 (1)泡流 1-H)1+H 2d qm -g Vs=gI- H) H 1+ 4q A 摩擦系数:f R= pnd
7 2、压力梯度方程 Orkiszewski 认为动能变化只有在雾流情况下才有明显意义，此时，气体体积流量远大 于液体体积流量： 若将气相看作是理想气体的等温变化，则根据 Boyle（玻意耳）定律有：PV=C 3、混合物密度和摩擦梯度的计算 （1） 泡流 摩擦系数： dz v dv d f v g dz dp m m m m m m m 2 sin 2 m f m mdvm dp gdh dh v m sg dv dv ， s g m m s g m m m m dv A w A v A dv v dv ( ) ( ) 0 g d pq ， 0 sg sg pdv v dp ， dp p v dv sg sg dp A p w q dp Ap w v dv A w v dv m sg m g sg m m m m 2 2 1 pA w q g dh dp m g m f m (1 H g )l H gg d fl lv l f 2 2 g m g g g s g l A H q q AH q v v v 1 v A q v A q v A q H s g s m s m g 4 1 (1 ) 2 1 2 v s 0.2438 m/s d v d f f R l l l l e ,
(2)段塞流 +pnA+。n 液体分布系数需要根据连 续相的类别和混合物的流速来确 Re P, vd 2 d A R P A =川R=PP2d△ (3)过渡流 LB P Pa P Ly N f段 (4)雾流 (1-HPL +he H q q1 t q f g=f pgvs d (二) Beggs-Brill方法 用空气-水作为流体介质,在长度27m、直径25-38mm的透明管中进行的。 通过584组实验得出了持液率和阻力系数的相关规律,是目前用于斜直井、定向井和 水平井中多相流动计算的一种较普遍方法。 1、基本方程 H,+e(1-Hp] sin 6 f w,va dz 1-e, H,+Pa1-Hy 2、流型
8 （2） 段塞流 （3） 过渡流 （4）雾流 （二）Beggs-Brill 方法 用空气-水作为流体介质，在长度 27m、直径 25~38mm 的透明管中进行的。 通过 584 组实验得出了持液率和阻力系数的相关规律，是目前用于斜直井、定向井和 水平井中多相流动计算的一种较普遍方法。 1、基本方程 2、流型 l m s m l s m q v A w v A v s C 1C 2 gd l l s eb v d R l l m eL v d R 液体分布系数需要根据连 续相的类别和混合物的流速来确 定。 ( ) 2 2 q v A q v A d f v m s m l m l s f d v d f f R l l m m eL , 段 m雾 M B vg B m M B M vg m L L N L L L L N 段 f 雾 M B vg B f M B M vg f L L N L L L L N m (1 H g )L H gg d fg gv sg f 2 2 l g g g q q q H d v d f f R g g sg g eg , H H v v p Ad f w v H H g dz dp l l g l m s g m m m l l g l 1 (1 ) / 2 (1 ) sin gd v N m Fr 2
Er q1 q1+qg 测分者 3持液率 计算倾斜管流时首先按水平管计算,然后进行倾斜矫正 H,(0)=H,(O)y 4摩擦系数 fe= fs exp(s) 无滑脱摩擦系数 或fs=0.0056+,2 4.52231 g N-3.8215 e, E,+P -El HE1+2(1-E1) s为修正系数 (三)Kaya方法 201年,Kaya将流动型态划分为气泡流、段塞流、搅动流和环状流四种,研究了各种 流型转变的力学条件,得出了流型的判据,给出了各种流型下压力梯度的计算方法 重点 气液两相流动的基本参数和压力梯度方程 难点 井筒压力分布计算的实用方法。 教学方法
9 3 持液率 计算倾斜管流时首先按水平管计算，然后进行倾斜矫正。 4 摩擦系数 无滑脱摩擦系数： 或 S 为修正系数。 （三）Kaya 方法 2001 年，Kaya 将流动型态划分为气泡流、段塞流、搅动流和环状流四种，研究了各种 流型转变的力学条件，得出了流型的判据，给出了各种流型下压力梯度的计算方法。 重点 气液两相流动的基本参数和压力梯度方程 难点 井筒压力分布计算的实用方法。 教学方法 l g l q q q E 1 H l () H l (0) fm fns exp(s) 2 R e R e 4.5223 lg 3.8215 2 lg n s n s n s N N f 0.32 Re 0.5 0.0056 ns ns N f (1 ) (1 ) 1 1 1 1 Re E E E E v d N l g l g m ns
用多媒体以讲授为主,结合举例启发学生掌握难点 本节小结 1.气液两相流动的基本概念(流量、速度、含气率和含液率、混合物密度)(重要) 2.气液两相流动型态(重要) 3.压力梯度方程(重要) 4.井筒压力分布计算的实用方法 思考题 (一)基本概念 流量速度含气率和含液率混合物密度 (二)气液两相流动型态 垂直气液两相流动的流型、水平气液两相流动的流型 (三)井筒压力分布计算的实用方法 实用方法有哪些?每种方法之间有什么优缺点?
10 用多媒体以讲授为主，结合举例启发学生掌握难点。 本节小结 1. 气液两相流动的基本概念（流量、速度、含气率和含液率、混合物密度）（重要） 2. 气液两相流动型态（重要） 3. 压力梯度方程（重要） 4. 井筒压力分布计算的实用方法 思考题 （一） 基本概念 流量 速度 含气率和含液率 混合物密度 （二） 气液两相流动型态 垂直气液两相流动的流型、水平气液两相流动的流型 （三） 井筒压力分布计算的实用方法 实用方法有哪些？每种方法之间有什么优缺点？