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油藏类知识-气液两相流讲稿,流体力学,气体、液体在静止状态下能承受切力容易的物体称为流体。 流体力学是以水为代表的液体静止和运动规律以及在工程上的应用。 单一水的流动、单一气的流动 在油田生产中经常碰到的问题是： 钻井：泥浆水气在钻杆及其环境中流动； 采油：井筒中气体和液体的流动。 从而气液两相管流理论与计算。,一、研究对象,气液两相流动条件下的流动规律及其应用。 规律：即：“质量、能量、动量守侯”三大方程式在气液两相管流中的表达式。 应用：如何计算气液两相管流的压降。,二、气液两相流与单相流的区别,相同点： 同层流体易流动 能受压力作用 与固体壁之间存在作用,不同点： 1、存在相的分界面 2、两相界面之间存在相互作用力 力平衡：气液处于平衡，整个两相区流体只与外界物体和进出的界面发生力的作用。 能量平衡：整体界面上存在能量交换，两相界之间也存在能量交换，必然也伴随有机械能的损失。两相流机械能的损失大于单相流机械能的损失。,3、气液两相的分布状况（即各项呈分散或密集及程度）多种多样，气液两相的分布状况称为流动形态或流型。 单一气或液（层流、紊流）流层之间的关系， 气液两相： 在水平管或倾斜管中的流型有七种， 在垂直管中的流动形态有四种。,4、滑脱现象：在气液两相流动中，各相的速度可能是不同的，这种气体超越液体而流动的现象 称为滑脱（或滑脱现象）。,三、气液两相混合物的分类 （按化学成分）,单工质：是指气液两相都具有相同的化学成分（如水和水蒸气的混合物），是单相流。 双工质 ：是指气液两相各具有不同的化学成分（如空气和水的混合物），是气液两相流。,四、气液两相流动的处理方法,1经验方法 从两相流动的物理概念出发，或者使用因次分析法，或者根据流动的基本微分方程式，得到反映某一特定的两相流动过程的一些无因次参数，然后根据实验数据得出描述这一流动过程的经验关系式。,2半经验方法 根据所研究的两相流动过程的特点，采用适当的假设和简化，再从两相流动的基本方程式出发，求得描述这一流动过程的函数式，然后用实验方法定出式中的经验系数。 3理论分析法 针对各种流动型态的特点，使用流体力学方法对其流动特性进行理论分析，进而建立起描述这一流动过程的关系式。,石油气液两相流动,第一章 概论,11概述一、气液两相研究对象,气液两相流动条件下的流动规律及其应用。,二、气液两相流与单相流的区别,相同点： 1、同层流体易流动 2、与固体壁之间存在作用 不同点： 1、气液两相之间存在相的分界面 2、气液两相界面之间存在相互作用力,力平衡：气液处于平衡，整个两相区流体只与外界物体和进出的界面发生力的作用。 能量平衡：整体界面上存在能量交换，两相界之间也存在能量交换，必然也伴随有机械能的损失。两相流机械能的损失大于单相流机械能的损失。 3、气液两相的流动型态不同； 4、存在滑脱现象使气液两相流动复杂 单一气或液层流在垂直管流相同、紊流在水平管流相同。,三、气液两相的流动型态,在垂直管中有泡壮流、弹壮流、段塞流、环壮流、雾壮流,在水平管中气 液两相的流动形态 有泡状流、冲击流、 团壮流、环壮流、 层壮流、雾壮流、 波壮流。,四、气液两相混合物的分类,单工质：是指气液两相都具有相同的化学成分（如水和水蒸气的混合物）。 双工质 ：是指气液两相各具有不同的化学成分（如空气和水的混合物）。,12两相流动的处理方法,1经验方法 从两相流动的物理概念出发，或者使用因次分析法，或者管流单相流方法。 2半经验方法 根据所研究的两相流动过程的特点，采用适当的假设和简化，再从两相流动的基本方程式出发，求得系数。,3理论分析法 针对各种流动型态的特点，使用流体力学方法对其流动特性进行理论分析，进而建立起描述这一流动过程的关系式，流动过程的函数式，在用实验方法定出式中的经验函数。,12气液两相流动参数 一、流量,两相混合物的质量流量，kg/s； 气相的质量流量，kg/s； 液相的质量流量，kg/s； 两相混合物的体积流量，m3/s； 气相的体积流量m3/s; 液相的体积流量m3/s.,二、速度,1、实际速度 气相： 液相：,-分别为气相、液相在过流断面上 所占的面积, m2,2、折算速度 气相： 液相： 显然，气、液相折算速度也必然小于气、液相实际速度 。,3、两相混合物速度 质量速度 两相流总质量,三、滑脱速度和滑动比 1滑脱速度,1滑脱速度 滑脱现象：在气液两相流动中，各相的速度 可能是不同的，这种气体超越液体而流动的现象称为滑脱 。 滑脱速度：一般情况下，在两相流动中气相实际速度和液相实际速度是不相等的，二者的差值称为滑脱速度或滑差，即:,2滑动比,2.滑动比 气相实际速度与液相实际速度的比值称为滑动比，即:,四、含气率和含液率,单位时间内流过过流断面的流体中气相流体介质所占的份额叫含气率； 单位时间内流过过流断面的流体中液相流体介质所占的份额叫含液率。 1质量含气率和质量含液率 含气率： 含液率：,2体积含气率和体积含液率 体积含气率指单位时间内流过过流断面的两相流体总体积Q中气相介质体积所占的份额，即 体积含液率是指单位时间内流过过流断面的两相流体总Q中液相体积所占的份额，即,质量含气与体积含气的关系：,3、真实含气率和真实含液率 真实含气率，又称截面含气率或空隙率，是指在两相流动的过流断面中，气相面积占过流断面总面积的份额，即 真实含液率，又称截面含液率或持液率，它是指在两相流动的过流断面中，液相面积占过流断面总面积的份额，即,比较 、 ： 一定的两相流动来说，如果气相流得快，液相流得慢，那么气相所占面积就小，空隙率就小。气相比液相流得越快，就越小。 真实含液率与体积含液率的差值，就反映了气液两相之间滑动的程度。,五、两相混合物的密度,1流动密度 它表示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，即 两相混合物的流动密度与各相的密度以及体积含气率之间有以下的关系：,2真实密度 在管道某过流断面上取长度为的微小面积，则此微小流道过流断面上两相混合物的真实密度应为此微小流道中两相介质的质量与体积之比，即： 当 时，,证明： 故 当 时， 因而,第二章、气液两相流动模型,气液两相流动模型是质量守恒的连续方程式和运动守恒的动量方程式与能量方程式的守恒的体现。 两相流动类型有：流动型态模型、均相流动模型、分相流动模型和漂流移动模型等。,最精确的处理气液两相流动的的方法是将两相流动划分为几种典型的流动型态，然后按照不同的流动型态来研究两相流动的规律。这种处理方法叫做流动型态模型处理法。,21 流动型态模型,气流两相流动的流动型态有多种多样，界限也不十分清晰，严格说来是很难明确区分的。 1、流动型态模型： 在一定的精确度的要求下，可以人为的区分为几种流动型态。并且认为，在每一种流动型态范围内，其流体力学的特性是基本相同的。,2、流动型态的划分方法有 ： 一：根据两相介质分布的外形划分； 二：按照流动的数学模型划分便于进行数学处理。 第一类划分方法 第二类划分方法 泡状流 分散流 弹状流或团状流 间歇流 （层状流） 分离流 （波状流） 分离流 段塞流或冲击流 间歇流 环状流 分离流 雾状流 分散流 括号中为倾斜或水平管流中的型态。,22 均相流动模型,均相流动模型简称均流模型,它是把气液两相混合物看成均质介质,其流动的物理参数取两相介质相应参数的平均值.因此可以按照单相介质来处理均流模型的流体动力学问题。 假设 (1),(2)两相介质已达到热力学平衡状态压力、密度等互为单值函数。此条件在等温流动中是成立的，在受热的不等温稳定流动中是基本成立的，在变工况的不稳定流动中则是近似的。,均流模型的适用条件是： 对于泡状流和雾状流，具有较高的精确性；对于弹状流和段塞流，需要进行时间平均修正；对于层状流，波状流和环状流，则误差较大。但是大量的两相流动计算图表目前都是用均流模型作出的。,一、均流模型的基本方程式,1、连续方程式 2动量方程式 质量力为重力沿Z方向的分力 表面力有压力 和切力- 根据动量定律，得动量方程式,3能量方程式 根据能量守恒定律,有 是单位质量的两种混合物的机械能损失 。 比容 则上式为： 是单位质量的两相混合物对外作出的功,二、均流模型的压力梯度微分方程式,动量方程 式中 流体内摩擦引起的机械能损失 流体与管子内壁之间的 切应力。 （2）,用比重表示 、 、 分别表示气、液及两相混合物的比重， 单值函数,(3) 将（2）、（3）代入（1）整理得：,两端除 并移项： 而 （4） 则,将 代入得： （5） 上式即为均流模型的压力梯度微分方程式。 由于其中 和 都是沿流程变化的， 所以上式很难用解析法进行积分。因此，应用 该式时必须沿流程用差分析法逐段计算。,三、均流模型的简化压差计算式,假设：（1）气相介质是不可压缩的，或者在所计算的管道压差下气相介质的比容变化甚小，则 （2） 和 沿流程是不变的。 （3）管道进口处 、 ，出口处 、,xmL,则（5）式为：,1摩阻压差,当管道中没有气相时 或,当有气体时 二式与范宁公式和达西公式完全相同。 存在气相时 增大， 与 x 和 成正比。,2重位压差,管道中没有气相时 ， x0，则根据幂级数展开式，有,所以 当 ，水平管 ，垂直管,3加速压差,随着沿流程的压降增大、体积增大，因之造成加速运动而引起的压差增大。 当管道中没有气相时，x0，所以对于一般的气液两相混合输送管道来说，加速压差常常远小于摩阻压差和重位压差，可以忽略不计。,四、两相介质的平均粘度,1麦克亚当（Mcadams）计算式 2西克奇蒂（Cicchiti）计算式 3杜克勒（Dukler）计算式 4戴维森（Davidson）计算式,五、摩擦阻力的折算系数,为把两相流动摩擦阻力的计算与单相流动摩擦阻力的计算关联起来。因入折算系数的概念。 1、全液相折算系数,两相流动： 全液相流动 ： 全液相折算系数 ，则 故 两种情况下的摩擦力的比值,2分液相折算系数 管道的 、 和 仍与两相流管道的相同， 但通过管道的流体为单一的液体，而且其质量 流量等于 两相流动中气相的质量流量,23 分相流动模型,分相流动模型简称分流模型 : 是把两相流动看成为气、液相各自分开的流动，每相介质有其平均流速和独立的物性参数。而建立的流动模型。该模型的特点是：建立每一相的流体动力特性方程，这就要求预先确定每一相占有过流断面的份额，即：,（1）真实含气率 （2）介质与管壁的摩擦阻力和两相介质之间的摩擦阻力。 方法：实验研究得到相关式以及数字求解,分相流动模型的建立的条件：,（1）两相介质分别有各自的按所占断面面积计算的断面平均流速； （2）尽管两相之间可能有质量交换，但两相之间是处于热力学平衡状态，压力和密度互为单值函数。 分流模型适用于层状流、波状流和环状流。,一、分流模型的基本方程式1 连续性方程式,对于稳定的一维分相流动，其基本方程如下 : 取一维流段 来研究，其直径为 ，过流断面的面积为 ，如图所示。根据质量守恒定律，有：,常数,2动量方程式,设液相沿流程为蒸发过程，则气相的动量方程式为： 忽略高次微量，可得： （1）,同样，液相的动量方程式为： 忽略高次微量，可得： （2） 将（2-44）与（2-45）相加，,用 除上式的各项 ，得： （3）,3能量方程式,当介质不对外作功时， （4）,气相： 液相： 气相加液相得： 整理得： （5）,表示两相介质与管壁摩擦以及两相介质 相对运动时在界面上所引起的机械能损失 。 比较（3）式与（5）式，得： （5）式较（3）式复杂，故常用（3）式来计 算压降，但（3）式对塞状流和环状流中有时 会在管壁上出现的液相倒流时不适用。,二、分流模型的压差计算式,（3）式第一项 摩擦产生的压浆 全液相折算系数 （6）,第二项：复合函数求导，整理得： （7）,将（6）式、（7）式带入（3）式得：,整理得： （8）,式中： 上式即为分流模型的压差公式。它很难用解析法进行积分，因此，应用该式时必须沿流程用差分法逐段计算。,三、分流模型的简化计算式,（1）设气相介质是不可压缩的， （2）设气相和液相的比容和密度以及全液相摩擦阻力系数，沿流程是不变的。 （3）当管道进口处的质量含气率 ，出口处 ，并且沿管道长度呈线性增加时， 常数，（8）式可以改写为：,分离变量，积分，,除去 和 以外，均用相拟原理作实验测定。,第二章小结,第三章 气液两相管流压降计算方法,由于气液两相流中每相流体影响流动的物理参数（密度、粘度等）及混合物密度和流速都随压力和温度而变，沿程压力梯度并不是常数。因此，多相管流压降需要分段计算，并要预先求得相应段的流体性质参数。,一、井筒压力分布计算方法,一、四阶龙格一库塔法 二、迭代法,31垂直气液两相管流压力梯度计算模型及方法,垂直气液两相管流 压力梯度计算方法 及评价,评价内容：生产气液比，生产油水比，液相折算速度。 评价井数：726#管径，滑脆速度。 结果如表：从平均误差看最好的三个方华： HagedornBrown ，FancherBrown ，Aziz等 从标准误差，最好的三种方法： HagedornBrown，BeggsBill ， Aziz等 原因： HagedornBrown在得出其经验数据时使用3276口井中的346口井的数据,式中： 分别表示混合物的有效密度 Kg/m3， 和平均流速 m/s； 阻力系数。 Q0 产油量 m3/s； Gt伴随1 m3地面脱气原油产出的油，气，水的总质量 Kg/ m3； D管子的直径 m,下面介绍HagedornBrown和Orkiszewisk两种方法一、 HagedornBrown方法,1有效密度,就地混合物的有效持液率，m3m3；1- = 由图3-22、23、24可求出,2阻力系数,的计算方法与单相流动的相同。 当 时，,三、Orkiszewski方法,1967年Orkiszewski将前人的压力梯度计算方法分为三类，每类中选出具有代表性的方法共五个，以148口井的数据对它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。,Orkiszewski基本方法的组成及流动型态,1压力梯度,式中 管段的总压差，Pa； 管段的位置高差,m； 该管段内，气液混合物的密度，kgm3； g 重力加速度，m/s2；,管段的摩阻压力梯度，Pam即kg/(m2.s2)； G 气液混合物的质量流量，kgs； A 管子的断面积，m2； Qg 在该管段的平均压力和平均温度下，气相的体积流量，m3s； 管段的平均压力，Pa； 伴随1m3 地面脱气原油产出的油、气、水的总质量，kgm3；,生产气油比，m3/m3 ； 水的体积系数， m3/m3 ； 分离器压力、MPa；温度、K； 溶解气油比， m3/m3； Z 气体压缩系数，,2流动型态,流动形态及判别,式中,3.无因次数,气相速度数： 液相速度数： 管道直径数： 液相黏度数：,4.,例1利用H-B方法，计算气水同产井，油管压力在6.8958.274MPa之间所相当的油管长度，所需资料如下：d2，w52mN/m，Qw318m3/d，GWR17.85m3/m3，e/d0.0009， Ppc4.6265MPa，Tpc205.6k， 。 解：计算步骤如下： （1）计算H管段上的,（2）计算偏差因子 （3）计算 （4）计算液、气的密度 液体的密度 ：,气体的密度 ： （5）计算气液混合物速度,（4）计算四个无因次参数 气体速度数： 液体速度数： 管道直径数： 液体粘度数：,（7）由 查图3-13得： （8）计算中间参数 ： 由 查图3-15得 ： （9）计算中间参数 ： 由 查图3-15得 ：,（10） （11）计算混合物密度 ： （12）计算 ：,（13）计算 ，采用Jain公式： （14）计算p所对应的油管长度H：,压降计算方法1.四阶龙格一库塔法,对h取步长，在节点 处的函数值为： 式中:,如果h2末达到预计的终点位置，再将算出的这对值（h2，p2）作为下步计算的初值继续上述各步，直到计算到预计的终点位置为止。 四阶龙格计算步骤如下： （1）确定位置h处的流动温度T； （2）计算T、p条件下气、液的有关物性参数及密度； （3）计算气、液的体积流量qg、q1；,（4）计算气、液和混合物的表观流速vsg、vsl、vm、 v 、Gl 、 Gg 、 G。 （5）计算有关无因次量，判别流型； （6）计算相应的持液率H1、两相摩擦阻力系数fm； （7）计算F（h1，p1）。,2.迭代法,由 按一定的压力增量 或管段长增量 ，逐步进行试算，知道接近估计值为止。 按压力增量迭代的计算步骤： （1） 从已知的量（h1 、 P1）出发，取一管段长度增量 ，并假定其压力增量为 ，计算该管段长度上的 、 值，,（2）计算条件下流体有关物性参数； （3）计算 、 条件下的 ； （4）计算 、 条件下的qg、ql； （5）计算气、液混合物的vsg、vsc、v ； （6）计算气、液混合物的质量流量 Gl 、 Gg 、 G； （7）计算有关无因次量，判别流型； （8）计算相应的持液率 、两相摩擦阻力 系数 ；,（9）计算混合物的密度 ； （10）由压力梯度公式计算 （11）重复110步，直到 为止；（12）将 赋予 ， 赋予 重 复111步，直到计算到预计的终点位置为止。,32 倾斜水平管流动压力梯度的计算,曼德汉等推荐的压力损失技术方法：,（BeggsBrill）计算方法,1.压力梯度方程,式中： 混合物的密度 混合物的断面平均流速， 其余符号意义、单位同前。,二、计算方法,1.判断流型,式中： El入口液相含量； Qg 、Ql分别为入口（就地）气相、液相体积流量，m3s；,2.计算持液率及两相密度,（1）持液率 式中： 倾角为 的水平气液 两相流动的持液率； 倾斜校正系数。,式中: a,b,c取决于流型的常数,(2).计算持液率倾斜校正系数 垂直管： 系数： d、e、f、g 由流型确定,系数 d、e、f、g,（3）计算 若为过渡流型，则采用内插法 （4）计算密度,3.计算阻力系数,1. 计算摩阻系数比 （1）计算 s 当1y l.2时，,（2）计算Re气液两相流动的雷诺数 （不考虑滑脱） （3）计算 无滑脱时的摩阻系数 光滑区 （4）两相摩阻系数,例2、某不含水自喷井，产油量 ，生产气液比 ，地面脱气原油密度 ，天然气相对密度 ；地面原油粘度 ；计算管段平均温度t40，油管内径D62mm，平均管段长 ，起始（井口）压力为4MPa，井斜角 。试计算该段的压降。 解：用压力增量迭代计算 1）确定起始点压力p1，计算深度增量； 2）设计算管段的压力降为 ，并计算下端压力：,3)计算下 的流体性质参数及流动参数 溶解气油比:,Z0.899 在 下原油密度：,在 下天然气密度： 气液的就地（即在 下）流量：,就地气体、液体及混合物的表观流速： 在 下液、气及总的质量流量,入口体积含液率（无滑脱持率） 弗鲁德数 、液体粘度、混合物粘度及表面张力,4）确定流型：,因为： 及 故流型为间歇流 5）根据流型计算 及 由间歇流查表得：,对于倾斜角 则：,6）计算阻力系数：,7)利用压降公式计算压力梯度 及压力降,故需将 作为新的假设值，第2)步计算，直到满足需要后在从上段的末段压力作为下段的起点压力开始计算下一段。,