多相管流理论ppt课件

多相管流理论与计算多相管流理论与计算石工学院石工学院 张黎明张黎明办公室办公室 B407 电话电话 15863038069邮箱邮箱 多相管流理论与计算石工学院 张黎明 多相管流理论与计算多相管流理论与计算 第一章 概 论第一节 引言多相流理论多相流理论多相流体力学理论多相流体力学理论相相 相是体系中具有相同化学组成和物理性质的一部相是体系中具有相同化学组成和物理性质的一部 分，分，与体系的其它均匀部分由界面隔开与体系的其它均匀部分由界面隔开多相流动体系多相流动体系 两相或两相以上的流体一同参与流动的体系两相或两相以上的流体一同参与流动的体系多相管流多相管流多相多相流体在流体在管道管道中的流动中的流动Multiphase FlowMultiphase Flow多相流动多相流动 两相或两相以上的流体一同参与的流动两相或两相以上的流体一同参与的流动 第一章 概 论第一节 引言多相流理论多相流体力学理论 多相管流理论与计算多相管流理论与计算油水混合物：油水混合物：从相的角度从相的角度 区分为区分为 油相、水相油相、水相 从物质形态看从物质形态看同属液态同属液态 相相物质形态物质形态(气态、液态、固态气态、液态、固态)盐水：盐水：从相的角度划分只有从相的角度划分只有 液相液相 从组分划分可分为：从组分划分可分为：水和水和NaCl 相相组分组分(指混合物中的各个成分指混合物中的各个成分)原油？原油？油水混合物：相物质形态(气态、液态、固态)盐水：相组分(指混 多相管流理论与计算多相管流理论与计算 水水-冰冰 液固两相流液固两相流 水水-水蒸汽水蒸汽 气液两相流气液两相流 泥浆泥浆 液固两相流液固两相流 油油-气气 气液两相流气液两相流 油油-气气-水水 气液液三相流气液液三相流 单工质单工质（相同化学成分）（相同化学成分）多工质多工质（不同化学成分）（不同化学成分）多相流体流动遵循的规律与单相流体并不相同，需引入新多相流体流动遵循的规律与单相流体并不相同，需引入新的理论来反映多相流体流动规律。的理论来反映多相流体流动规律。多相体系：多相体系：水水-冰、水冰、水水蒸汽、泥浆、油气、油气水等水蒸汽、泥浆、油气、油气水等多相体系的类型多相体系的类型 水-冰 多相管流理论与计算多相管流理论与计算热能工程：热能工程：锅炉系统、制冷系统、热管锅炉系统、制冷系统、热管航天技术：航天技术：平衡温差、保护设备平衡温差、保护设备核工业：核工业：汽液两相流动汽液两相流动石油工业：石油工业：两相渗流计算、井控设计、采油工艺设计、两相渗流计算、井控设计、采油工艺设计、油气集输油气集输化工行业：化工行业：工艺设计工艺设计其它行业：其它行业：水利、粉状物管线输送水利、粉状物管线输送多相流应用领域多相流应用领域热能工程：锅炉系统、制冷系统、热管多相流应用领域 多相管流理论与计算多相管流理论与计算油气是深埋于地下的油气是深埋于地下的混合流体混合流体矿藏，因此，油气藏的开发与开采矿藏，因此，油气藏的开发与开采离不开流体力学理论及其分枝离不开流体力学理论及其分枝多相流理论。多相流理论。举例来说，举例来说，渗流理论、油气井压力控制、油气管流计算、举升参渗流理论、油气井压力控制、油气管流计算、举升参数设计、工况分析、集输设计等，数设计、工况分析、集输设计等，都离不开多相流的理论与计算都离不开多相流的理论与计算方法。方法。多相流理论是贯穿于石油开采全过程的基本理论一、多相流理论在石油工业中的地位和作用一、多相流理论在石油工业中的地位和作用石油工程石油工程(油气井工程和油气田开发工程油气井工程和油气田开发工程)以及以及油气储运工程油气储运工程都与都与多相流理论有着极为密切的联系。多相流理论有着极为密切的联系。油气是深埋于地下的混合流体矿藏，因此，油气藏的开发与开采离不 多相管流理论与计算多相管流理论与计算钻井工程钻井工程：油气井压力控制油气井压力控制 (含气泥浆的压降计算含气泥浆的压降计算)采油工程采油工程：采油方式优化设计、采油设备的工况分析采油方式优化设计、采油设备的工况分析 （油气混合物在井筒中流动的压降和温度计算）（油气混合物在井筒中流动的压降和温度计算）储运工程储运工程：油气集输管线的设计油气集输管线的设计 （油气混合物在管线中压降和温度的计算）（油气混合物在管线中压降和温度的计算）许多工程设计都将计算多相流体在管道中流动的许多工程设计都将计算多相流体在管道中流动的压降和温度压降和温度。一、多相流理论在石油工业中的地位和作用一、多相流理论在石油工业中的地位和作用钻井工程：油气井压力控制 (含气泥浆的压降计算)采油工程：多相管流理论与计算多相管流理论与计算自喷采油示意图(1)油井能否自喷？油井能否自喷？(2)一一定定产产量量的的油油气气混混合合物物到到达井口时的剩余压力？达井口时的剩余压力？井口油压井口油压井底流压井底流压两相流压降两相流压降自喷生产自喷生产机械采油机械采油(人工举升人工举升)自喷采油设计中的两相流计算自喷采油设计中的两相流计算自喷采油示意图油井能否自喷？井口油压自喷生产自喷采油设计中的 多相管流理论与计算多相管流理论与计算 气举采油系统示意图气举采油系统示意图 依靠从地面注依靠从地面注入井内的高压气体入井内的高压气体与油层产出流体在与油层产出流体在井筒中混合，井筒中混合，利用利用气体的膨胀使井筒气体的膨胀使井筒中的混合液密度降中的混合液密度降低，低，将流到井内的将流到井内的原油举升到地面。原油举升到地面。气举采油系统示意图 依靠从地面注入井内的高压气体与油 多相管流理论与计算多相管流理论与计算气举采油及井筒压力分布设计的原则设计的原则：最最大大限限度度地地发发挥挥油油藏藏的的潜潜力力和和地地面面设设备备的的能能力力，获获得最高的产油量。得最高的产油量。气举采油及井筒压力分布设计的原则：多相管流理论与计算多相管流理论与计算常规有杆泵生产地面驱动螺杆泵生产有杆泵采油设计中的两相流计算有杆泵采油设计中的两相流计算常规有杆泵生产地面驱动螺杆泵生产有杆泵采油设计中的两相流计算 多相管流理论与计算多相管流理论与计算多相管流理论ppt课件 多相管流理论与计算多相管流理论与计算 近近年年来来，随随着着陆陆地地油油气气资资源源的的日日趋趋减减少少，石石油油和和天天然然气气勘勘探探开开发发已已转转向向广广阔阔的的海海洋洋。早早期期开开发发的的海海上上油油田田都都位位于于浅浅海海水水域域，采采用用的的是是固固定定平平台台采采油油系系统统。1965 1965 年年前前，钻钻探探活活动动一一般般小小于于90m 90m 水水深深。水水下下采采油油技技术术的的发发展展不不仅仅使使深深海海石石油油开开采采成成为为可可能能，同同时时大大大大降降低低了了深深海海采采油油成成本本，目目前前深深水水(4001500(4001500米米)和和超超深深水水(超超过过15001500米米)海海域域的的油油气气开开发发，已已成成为为美美国国、英英国国、挪威、巴西等国竞相开展的热点。挪威、巴西等国竞相开展的热点。海洋及深水采油中的多相流计算海洋及深水采油中的多相流计算 近年来，随着陆地油气资源的日趋减少，石油和天然气勘探 多相管流理论与计算多相管流理论与计算探探明明世世界界石石油油储量量的的8080以以上上位位于于水水深深500m500m的深水区，海洋平台造价高昂。的深水区，海洋平台造价高昂。探明世界石油储量的80以上位于水深500m的深水区，海洋平 多相管流理论与计算多相管流理论与计算典型的海洋采油系统固定平台张力腿平台半潜式平台海底管线海底管线浮式生产储油（浮式生产储油（FPSOFPSO）船）船 典型的海洋采油系统固定平台张力腿平台半潜式平台海底管线浮式生 多相管流理论与计算多相管流理论与计算单点系泊单点系泊单点系泊 多相管流理论与计算多相管流理论与计算单点系泊单点系泊单点系泊 多相管流理论与计算多相管流理论与计算 但当水深达到但当水深达到2000ft(约约600m)时，其温度将下降至时，其温度将下降至40(4.4)左右。油气左右。油气混合物的热量大量散失，温度会迅速降低，原油和油水乳状液的粘度会明显混合物的热量大量散失，温度会迅速降低，原油和油水乳状液的粘度会明显增加，天然气水合物、蜡、沥青质等固态物质也可能在管道中析出并沉积。增加，天然气水合物、蜡、沥青质等固态物质也可能在管道中析出并沉积。流动保障流动保障 Flow Assurance 但当水深达到2000ft(约600m)时，其温度将下降 多相管流理论与计算多相管流理论与计算“流动保障流动保障”确保油气的无阻塞流动并使系统的运行费用达确保油气的无阻塞流动并使系统的运行费用达到最低。到最低。Pipe-in-Pipe保温材料“流动保障”确保油气的无阻塞流动并使系统的运行费用达到 多相管流理论与计算多相管流理论与计算管线管束(flowline bundles)管线管束(flowline bundles)多相管流理论与计算多相管流理论与计算渤渤海海平平均均水水深深18m,最深最深83m 黄海平均水深黄海平均水深44m,最深最深140m 东东海海平平均均水水深深370m,最最深深2719m 南南海海平平均均水水深深1212m,最最 深深5377m渤海平均水深18m,最深83m 黄海平均水深44m,最深14 多相管流理论与计算多相管流理论与计算石石油油工工业业中中的的多多相相流流技技术术研研究究始始于于1950年年左左右右,早早期期研研究究者者大大多多采采用用实实验验研研究究的的方方法法，所所使使用用的的数数据据主主要要来来自自室室内内实实验验和和油田实际生产油田实际生产 80年代初，计算机的引入极大地促进了多相流的发展年代初，计算机的引入极大地促进了多相流的发展二、多相流理论的研究简史控制方程（机理模型）物理现象流动机理70年代，石油工业开始采用已在其它工业领域中使用的一些年代，石油工业开始采用已在其它工业领域中使用的一些物理机理来预测多相流的流型物理机理来预测多相流的流型石油工业中的多相流技术研究始于1950年左右,早期研究者大多 多相管流理论与计算多相管流理论与计算80年年代代中中期期应应用用高高新新技技术术及及仪仪器器进进行行多多相相流流的的模模拟拟试试验验，期期望望深深入入认认识识多多相相流流动动现现象象及及流流动动机机理理，从从而而改改进进模模型型，提提高高精度。精度。核核密密度度计计、超超声声波波传传感感器器、电电导导和和光光导导探探针针、电电容容传传感感器器、激光多普勒测速仪、高速摄像机等。激光多普勒测速仪、高速摄像机等。西安交通大学西安交通大学 动力工程多相流国家重点实验室动力工程多相流国家重点实验室 目目前前，双双流流体体瞬瞬态态模模拟拟方方法法和和精精确确描描述述物物理理现现象象的的稳稳态态机机理模型理模型是多相管流研究的主要方法是多相管流研究的主要方法80年代中期应用高新技术及仪器进行多相流的模拟试验，期望深入 多相管流理论与计算多相管流理论与计算1、多相流问题未得到解析解、多相流问题未得到解析解2、油气水三相流的研究不够深入、油气水三相流的研究不够深入3、水平井段变质量流动研究较少、水平井段变质量流动研究较少5、缺乏专用研究仪器、缺乏专用研究仪器4、缺乏向下流动的综合机理模型、缺乏向下流动的综合机理模型三、目前存在的问题水平井示意图水平井示意图1、多相流问题未得到解析解2、油气水三相流的研究不够深入3、多相管流理论与计算多相管流理论与计算气液两相流基本概念气液两相流基本概念气液两相流的模型气液两相流的模型油藏流体高压物性的计算油藏流体高压物性的计算多相流体的温度分布计算多相流体的温度分布计算垂直气液两相管流压降计算垂直气液两相管流压降计算水平气液两相管流水平气液两相管流压降计算压降计算倾斜气液两相管流的压降计算倾斜气液两相管流的压降计算专题（多相流实验及研究）专题（多相流实验及研究）课程主要内容课程主要内容气液两相流基本概念课程主要内容 多相管流理论与计算多相管流理论与计算 第二节 气液两相管流的基本特征与研究方法细分散体系细分散体系 细小的液滴或气泡均匀分散在连续相中细小的液滴或气泡均匀分散在连续相中 粗分散体系粗分散体系 较大的气泡或液滴分散在连续相中较大的气泡或液滴分散在连续相中 混合流动型混合流动型 两相均非连续相两相均非连续相 分层流动分层流动 两相均为连续相两相均为连续相 依相态对流动特性的影响分一、基本特征1 1气液两相流的分类气液两相流的分类 Gas-liquid two phase flowGas-liquid two phase flow 第二节 气液两相管流的基本特征与研究方法细分散体系 多相管流理论与计算多相管流理论与计算体系中存在相界面体系中存在相界面 两相之间也存在力的作用，出现质两相之间也存在力的作用，出现质量和能量的交换时伴随着机械能的损失量和能量的交换时伴随着机械能的损失 两相的分布情况多种多样两相的分布情况多种多样 两相流动中两相介质的分布两相流动中两相介质的分布状况称为流型状况称为流型 两相流动中存在滑脱现象两相流动中存在滑脱现象 相间速度的差异称为滑脱相间速度的差异称为滑脱，滑脱将产生附加的能量损失滑脱将产生附加的能量损失 沿程流体体积流量有很大变化，质量流量不变沿程流体体积流量有很大变化，质量流量不变2 气液两相流的基本特征气液两相流的基本特征体系中存在相界面 两相之间也存在力的作用，出现质量和 多相管流理论与计算多相管流理论与计算垂直气液两相流流型 水平气液两相流流型多相流体的主要流型多相流体的主要流型垂直气液两相流流型 水平气液两相流流型多相流体的主要流 多相管流理论与计算多相管流理论与计算不能简单地用层流或紊流来描述气液两相流不能简单地用层流或紊流来描述气液两相流水平或倾斜流动不是轴对称的水平或倾斜流动不是轴对称的由于相界面的存在增加了研究的复杂性由于相界面的存在增加了研究的复杂性总能量方程中应考虑与表面形成的能量问题总能量方程中应考虑与表面形成的能量问题多相流动中各相的温度、组分的浓度都不是均匀的，多相流动中各相的温度、组分的浓度都不是均匀的，相之间有传热和传质相之间有传热和传质各相流速不同，出现滑脱问题，是多相流研究的核心各相流速不同，出现滑脱问题，是多相流研究的核心与重点与重点3.研究气液两相流应注意的几个问题研究气液两相流应注意的几个问题不能简单地用层流或紊流来描述气液两相流3.研究气液两相流应 多相管流理论与计算多相管流理论与计算1.经经验验方方法法 从从气气液液两两相相流流动动的的物物理理概概念念出出发发，或或者者使使用用因因次次分分析析法法，或或者者根根据据流流动动的的基基本本微微分分方方程程式式，得得到到反反映映某某一一特特定定的的两两相相流流动动过过程程的的一一些些无无因因次次参参数数，然然后后依依据据实实验验数数据据整整理理出出描述这一流动过程的经验关系式。描述这一流动过程的经验关系式。优点：优点：使用方便，在一定条使用方便，在一定条件下能取得好的结果件下能取得好的结果缺点：缺点：使用有局限性，且很使用有局限性，且很难从其中得出更深层次的关难从其中得出更深层次的关系系穆迪（Moody）图 二、研究方法1.经验方法 从气液两相流动的物理概念出发，或者使用 多相管流理论与计算多相管流理论与计算2 半半经经验验方方法法 根根据据所所研研究究的的气气液液两两相相流流动动过过程程的的特特点点，采采用用适适当当的的假假设设和和简简化化，再再从从两两相相流流动动的的基基本本方方程程式式出出发发，求求得得描描述述这这一一流流动动过过程程的的函函数数关关系系式式，最最后后用用实实验验方方法法确确定定出出函函数数关关系式中的经验系数。系式中的经验系数。优点：优点：有一定的理论基础，应用广泛有一定的理论基础，应用广泛缺点：缺点：存在简化和假设，具有不准确性存在简化和假设，具有不准确性2 半经验方法 根据所研究的气液两相流动过程的特点 多相管流理论与计算多相管流理论与计算3 理理论论分分析析方方法法 针针对对各各种种流流动动过过程程的的特特点点，应应用用流流体体力力学学方方法法对对其其流流动动特特性性进进行行分分析析，进进而而建建立立起起描描述述这这一一流流动动过过程程的解析关系式。的解析关系式。优点：优点：以理论分析为基础，可以得到解析关系式以理论分析为基础，可以得到解析关系式缺点：缺点：建立关系式困难，求解复杂建立关系式困难，求解复杂3 理论分析方法 针对各种流动过程的特点，应用流体力 多相管流理论与计算多相管流理论与计算1.1.定义：定义：两相流动中两相介质的分布状况称为流型或两相流动结构两相流动中两相介质的分布状况称为流型或两相流动结构。流型是两相流的一个重要的研究方面流型是两相流的一个重要的研究方面各相介质的体积比例各相介质的体积比例介质的流速介质的流速各相的物理及化学性质各相的物理及化学性质(密度、粘度、界面张力等密度、粘度、界面张力等)流道的几何形状流道的几何形状壁面特性壁面特性管道的安装方式管道的安装方式三、流动型态2.影响流型的因素1.定义：两相流动中两相介质的分布状况称为流型或两相流动结构 多相管流理论与计算多相管流理论与计算第一类划分方法：根据两相介质分布的外形划分第一类划分方法：根据两相介质分布的外形划分3.流型分类垂直气液两相流流型 水平气液两相流流型第一类划分方法：根据两相介质分布的外形划分3.流型分类垂直气 多相管流理论与计算多相管流理论与计算第二类划分方法：按流动的数学模型或流体的分散程度划分第二类划分方法：按流动的数学模型或流体的分散程度划分 分散流、间歇流和分离流三种分散流、间歇流和分离流三种 第一类划分方法较为直观第一类划分方法较为直观第二类划分方法便于进行数学处理第二类划分方法便于进行数学处理第一类划分方法第一类划分方法泡状流泡状流弹状流或团状流弹状流或团状流层状流层状流波状流波状流段塞流或冲击流段塞流或冲击流环状流环状流雾状流雾状流第二类划分方法第二类划分方法分散流分散流间歇流间歇流分离流分离流分离流分离流间歇流间歇流分离流分离流分散流分散流第二类划分方法：按流动的数学模型或流体的分散程度划分 第一类 多相管流理论与计算多相管流理论与计算4.流型图 描描述述(表表示示)流流型型变变化化及及其其界界限限的的图图。把把流流型型变变换换的的实实验验数数据据加加以以总总结结归归纳纳后后，按按照照两两个个或或多多个个主主要要的的流流动动参参数数绘绘成成曲曲线线，便便可以得到流型图。可以得到流型图。贝克的流型分布图贝克的流型分布图阿齐兹阿齐兹-戈威尔戈威尔-福格拉锡流型分布图福格拉锡流型分布图4.流型图 描述(表示)流型变化及其界限的图。把流型 多相管流理论与计算多相管流理论与计算第三节 气液两相流动的特性参数一、流量质量流量质量流量:单位时间内流过过流断面的流体质量，单位时间内流过过流断面的流体质量，kg/s体积流量体积流量:单位时间内流过过流断面的流体体积，单位时间内流过过流断面的流体体积，m3/s二、流速实际速度实际速度(velocity):单位相面积所通过的该相体积流量单位相面积所通过的该相体积流量,m/s 气相实际速度气相实际速度液相实际速度液相实际速度第三节 气液两相流动的特性参数一、流量质量流量:单位时 多相管流理论与计算多相管流理论与计算折算速度折算速度(superficial velocity):又称表观流速，又称表观流速，假定管道全被一相占据时的流动速度假定管道全被一相占据时的流动速度,m/s气相折算速度气相折算速度液相折算速度液相折算速度两相混合物两相混合物(平均平均)速度速度混合物的质量速度混合物的质量速度二、流速折算速度(superficial velocity):又称表 多相管流理论与计算多相管流理论与计算滑差滑差(滑脱速度滑脱速度)Slip velocity Slippage velocity气液两相实际速度之差气液两相实际速度之差。滑动滑动(滑移滑移)比比 Slip ratio气相实际速度与液相实际速度之比。气相实际速度与液相实际速度之比。三、滑差和滑动比三、滑差和滑动比滑差(滑脱速度)Slip velocity 多相管流理论与计算多相管流理论与计算质量含气率：质量含气率：单位时间内流过过流断面的混合物总质量单位时间内流过过流断面的混合物总质量G中气相质量所占的份额。中气相质量所占的份额。四、含气率与含液率四、含气率与含液率质量含液率：质量含液率：单位时间内流过过流断面的混合物总质量中单位时间内流过过流断面的混合物总质量中液相质量所占的份额。液相质量所占的份额。质量含气率：单位时间内流过过流断面的混合物总质量G中气相质量 多相管流理论与计算多相管流理论与计算体积含气率：体积含气率：单位时间流过过流断面两相流体单位时间流过过流断面两相流体(混合物混合物)总总体积体积Q中气相所占的份额。中气相所占的份额。体积含液率：体积含液率：单位时间流过过流断面两相流体单位时间流过过流断面两相流体(混合物混合物)总总体积体积Q中液相所占的份额。中液相所占的份额。体积含气率：单位时间流过过流断面两相流体(混合物)总体积Q中 多相管流理论与计算多相管流理论与计算与x间的关系与x间的关系 多相管流理论与计算多相管流理论与计算真实含气率真实含气率(void fraction):又称又称截面含气率截面含气率或或空隙率空隙率，为任一流动截面内气相面积占总面积的份额为任一流动截面内气相面积占总面积的份额(气相面气相面积与管道总面积之比积与管道总面积之比)。真实含液率真实含液率(liquid holdup):又称又称截面含液率截面含液率或或持液率持液率，为任一流动截面内液相面积占总面积的份额为任一流动截面内液相面积占总面积的份额(液相面液相面积与管道总面积之比积与管道总面积之比)真实含气率(void fraction):又称截面含气 多相管流理论与计算多相管流理论与计算与与的比较的比较 与的比较 多相管流理论与计算多相管流理论与计算快关阀法测量真实含气率：易于实现，只能得到平均值，快关阀法测量真实含气率：易于实现，只能得到平均值，且不能在线测量。且不能在线测量。快关阀示意图快关阀示意图真实含气率的简单测量真实含气率的简单测量快关阀法测量真实含气率：易于实现，只能得到平均值，且不能在线 多相管流理论与计算多相管流理论与计算流动密度流动密度:单位时间内流过过流断面的混合物质量与体单位时间内流过过流断面的混合物质量与体 积之比。积之比。五、流动密度与真实密度真实密度：真实密度：在流道上取微段，微段内两相流体的质量在流道上取微段，微段内两相流体的质量 与容积之比与容积之比 流动密度:单位时间内流过过流断面的混合物质量与体五、流 多相管流理论与计算多相管流理论与计算流动密度与真实密度的比较流动密度与真实密度的比较 多相管流理论与计算多相管流理论与计算第一章小结相的定义相的定义气液两相流流型的两类划分方法气液两相流流型的两类划分方法气液两相流的基本特征气液两相流的基本特征两相流的主要研究方法两相流的主要研究方法流型、流型图流型、流型图流量（质量、体积）流量（质量、体积）流速（实际速度、折算速度、混合物速度）流速（实际速度、折算速度、混合物速度）滑脱速度、滑动比滑脱速度、滑动比含气率与含液率含气率与含液率(质量、体积、真实质量、体积、真实)及其相互关系及其相互关系密度（流动密度与真实密度）密度（流动密度与真实密度）第一章小结相的定义气液两相流流型的两类划分方法气液两相流的基