重慶氣礦多相管流排水采氣新技術(shù)

1、1 井筒多相管流及排水采氣井筒多相管流及排水采氣 新工藝技術(shù)新工藝技術(shù) 鐘海全鐘海全 西南石油大學(xué) 2007.8 2 典型油氣田生產(chǎn)系統(tǒng)典型油氣田生產(chǎn)系統(tǒng) 井筒氣相管流井筒氣相管流 井筒多相管流井筒多相管流 工程常用兩相管流模型工程常用兩相管流模型 氣舉排水采氣技術(shù)氣舉排水采氣技術(shù) 柱塞氣舉排水采氣柱塞氣舉排水采氣 球塞氣舉排水采氣球塞氣舉排水采氣 分體式柱塞氣舉排水采氣分體式柱塞氣舉排水采氣 3 典型油氣田生產(chǎn)系統(tǒng)典型油氣田生產(chǎn)系統(tǒng) 4 典型油氣井生產(chǎn)系統(tǒng)典型油氣井生產(chǎn)系統(tǒng) 氣體氣體 完井方式完井方式 油嘴油嘴 井下安全閥井下安全閥 油管油管 地面管線地面管線 增壓機(jī)增壓機(jī) 分離器分離器 產(chǎn)

2、層產(chǎn)層 液體液體 井下油嘴井下油嘴 5 油氣井生產(chǎn)系統(tǒng)中壓力損失油氣井生產(chǎn)系統(tǒng)中壓力損失 D DP1 = PR Pwfs D DP2 = Pwfs Pwf D DP3 = PUSV PDSV D DP5 = Pwf Ptf D DP6 = Ptf PDSC D DP7 = PDSC PRB D DP9 = Psep PCD D DP8 = PRB Psep D DP4 = PUWC PDWC 6 油氣井生產(chǎn)系統(tǒng)中溫度變化油氣井生產(chǎn)系統(tǒng)中溫度變化 D DT3 = TUSV TDSV D DT1 = TR Twfs DTDT2 = Twfs Twf D DT6 = Ttf TDSC D DT7=

3、TDSC TRB D DT9 = Tsep TCD D DT5 = Twf Ttf D DT8 = TRB Tsep D DT4 = TUWC TDWC 7 典型油氣田生產(chǎn)系統(tǒng)典型油氣田生產(chǎn)系統(tǒng) 井筒氣相管流井筒氣相管流 井筒多相管流井筒多相管流 工程常用兩相管流模型工程常用兩相管流模型 氣舉排水采氣技術(shù)氣舉排水采氣技術(shù) 柱塞氣舉排水采氣柱塞氣舉排水采氣 球塞氣舉排水采氣球塞氣舉排水采氣 分體式柱塞氣舉排水采氣分體式柱塞氣舉排水采氣 8 將氣相管流考慮為穩(wěn)定將氣相管流考慮為穩(wěn)定 的一維問題。在管流中取一的一維問題。在管流中取一 控制體，以管子軸線為坐標(biāo)控制體，以管子軸線為坐標(biāo) 軸軸z z，規(guī)定

4、坐標(biāo)軸正向與流，規(guī)定坐標(biāo)軸正向與流 向一致。定義管斜角向一致。定義管斜角為坐為坐 標(biāo)軸標(biāo)軸z z與水平方向的夾角。與水平方向的夾角。 v+dv z+dz dz z p+dp w p v z gAdz 穩(wěn)定一維氣相流動穩(wěn)定一維氣相流動 9 連續(xù)方程連續(xù)方程 由質(zhì)量守恒得連續(xù)性方程由質(zhì)量守恒得連續(xù)性方程 0 dz vAd （1） 動量方程動量方程 作用于控制體的外力應(yīng)等于流體的動量變化作用于控制體的外力應(yīng)等于流體的動量變化 sin w dv gAdzpAp dp ADdzAdz dt 重力沿重力沿z軸分量軸分量 壓力壓力 管壁摩擦阻力管壁摩擦阻力 動量變化動量變化 10 dz dv v A D g

5、 dz dp w sin 24 2 vf w D v f DD D A D www 2 4 4/ 2 2 管壁摩擦應(yīng)力管壁摩擦應(yīng)力 摩阻項可表示為摩阻項可表示為 簡化得壓力梯度方程簡化得壓力梯度方程 重力壓降梯度重力壓降梯度 摩阻壓降梯度摩阻壓降梯度 動能壓降梯度動能壓降梯度 11 單相管流摩阻系數(shù)單相管流摩阻系數(shù) Moody 摩阻系數(shù)圖版摩阻系數(shù)圖版 摩摩 阻阻 系系 數(shù)數(shù) f 對對 比比 粗粗 糙糙 度度 e/D 雷諾數(shù)雷諾數(shù)ReD 完全粗糙管區(qū)完全粗糙管區(qū) 光滑管光滑管 層流層流 f64/Re 臨界區(qū)臨界區(qū) 過渡過渡 區(qū)區(qū) 12 vD N Re 雷諾數(shù)表示流體慣性力與粘滯剪切力之比值，它

6、是雷諾數(shù)表示流體慣性力與粘滯剪切力之比值，它是判判 別層流與紊流的重要參數(shù)別層流與紊流的重要參數(shù)。通常認(rèn)為，層流與紊流的分界。通常認(rèn)為，層流與紊流的分界 雷諾數(shù)為雷諾數(shù)為21002300。 雷諾數(shù)雷諾數(shù) Jain摩阻系數(shù)公式摩阻系數(shù)公式 9 . 0 Re 25.21 lg214. 1 1 ND e f 管壁粗糙度的取值較困難，因其值不可直接測量。管壁粗糙度的取值較困難，因其值不可直接測量?？煽?根據(jù)測試的壓力梯度計算其摩阻系數(shù)，由根據(jù)測試的壓力梯度計算其摩阻系數(shù)，由Moody圖反求有圖反求有 效的效的e/D值。值。新油管推薦新油管推薦e=0.016 mm (0.0006in）。）。 13 根據(jù)

7、井口參數(shù)計算井底靜壓或流壓；根據(jù)井口參數(shù)計算井底靜壓或流壓； 已知輸氣管線兩端壓力計算其輸氣能力；已知輸氣管線兩端壓力計算其輸氣能力； 一般的問題是根據(jù)管子兩端壓力或流量中的兩個參一般的問題是根據(jù)管子兩端壓力或流量中的兩個參 數(shù)計算另一個參數(shù)；數(shù)計算另一個參數(shù)； 由于氣相管流壓力梯度方程目前還不能直接用解析由于氣相管流壓力梯度方程目前還不能直接用解析 顯式表示壓力，所以發(fā)展了多種不同程度簡化和近顯式表示壓力，所以發(fā)展了多種不同程度簡化和近 似的方法。似的方法。 氣體管流壓降計算氣體管流壓降計算 14 根據(jù)井口參數(shù)計算井底壓力，取坐標(biāo)根據(jù)井口參數(shù)計算井底壓力，取坐標(biāo)z沿井軸向下為沿井軸向下為 正

8、，井口正，井口z=0。 垂直井：測深垂直井：測深L等于垂深等于垂深H，90，sin=1； 斜直井：斜直井：sin=H/L 定向井：分段處理，定向井：分段處理， sini=Hi/Li 關(guān)井靜氣柱：關(guān)井靜氣柱： 摩阻摩阻項項和動能項壓力梯度均為零。和動能項壓力梯度均為零。 垂直井靜氣柱總壓降梯度即為重位壓降梯度。垂直井靜氣柱總壓降梯度即為重位壓降梯度。 g dz dp RTZ p RTZ pM gg 97.28 28.97 g pg dp g dzRTZ 分離變量積分分離變量積分 靜氣柱壓力計算靜氣柱壓力計算 15 dz RTZ g p dpws wh p p H g 0 97.28 由于由于T，

9、p，Z是沿井深變化的，為了便于直接積分，是沿井深變化的，為了便于直接積分， 采用采用井筒平均溫度和平均壓力計算平均井筒平均溫度和平均壓力計算平均Z值值，積分得，積分得 ZRT gH p p g wh ws 97.28 ln TZH wh s whws g epepp /03418. 0 16 仍以井口為計算起點，沿井深向下為仍以井口為計算起點，沿井深向下為z的正向，與的正向，與 氣體流動方向相反。氣體流動方向相反。忽略動能壓降梯度忽略動能壓降梯度，垂直氣井的壓，垂直氣井的壓 力梯度方程為：力梯度方程為： D v fg dz dp 2 2 任意流動狀態(tài)（任意流動狀態(tài)（p,T）下的氣體流速可表示為

10、：）下的氣體流速可表示為： 2 14 1 101. 0 29386400D Z p Tq A Bq Bvv sc gsc gsc 氣井井底流壓計算氣井井底流壓計算 17 2 2 6 03418. 0 1032. 1 03418. 0 pD qTZ TZ p D f TZ p dz dp sc gg ws wh p p H g sc dz TZ dp DpTZqf p 052 2 6 03418. 0 /1032. 11 將將v代入并化簡：代入并化簡： 分離變量積分分離變量積分 52 2 1822 /110324. 1DeTZqfepp S sc S whwf 油管內(nèi)流動油管內(nèi)流動D即為油管內(nèi)徑

11、；油套環(huán)空流動有：即為油管內(nèi)徑；油套環(huán)空流動有： D5=(=(套管內(nèi)徑套管內(nèi)徑- -油管外徑油管外徑) )3 3( (套管內(nèi)徑套管內(nèi)徑+ +油管外徑油管外徑) )2 2 18 設(shè)水平輸氣管線其流動方向與水平方向一致，設(shè)水平輸氣管線其流動方向與水平方向一致，無高無高 程變化故不存在重位壓降。忽略動能壓降程變化故不存在重位壓降。忽略動能壓降,故總壓降梯故總壓降梯 度為摩擦壓降梯度度為摩擦壓降梯度 D v f dz dp 2 2 分離變量積分分離變量積分 5 2 202 2 2 1 1005. 9 D fLTZq pp scg 水平輸氣管線壓降水平輸氣管線壓降 19 對于含有重?zé)N的凝析氣井，在油管的

12、舉升過程中會部分冷對于含有重?zé)N的凝析氣井，在油管的舉升過程中會部分冷 凝成液相，形成氣液兩相流動。由于這類氣井的氣液比很高且凝成液相，形成氣液兩相流動。由于這類氣井的氣液比很高且 紊流程度嚴(yán)重，氣液兩相混合較為均勻，紊流程度嚴(yán)重，氣液兩相混合較為均勻，可視為均勻的單相流可視為均勻的單相流 （稱為擬單相流）。（稱為擬單相流）。 凝析氣井的產(chǎn)出物包括三部分：即經(jīng)地面分離器分離出的凝析氣井的產(chǎn)出物包括三部分：即經(jīng)地面分離器分離出的 干氣、凝析油罐逸出的凝析氣和凝析油干氣、凝析油罐逸出的凝析氣和凝析油。當(dāng)井底流壓接近凝析。當(dāng)井底流壓接近凝析 氣的上露點壓力，油管內(nèi)可能存在液烴。氣的上露點壓力，油管內(nèi)可

13、能存在液烴。若氣液比大于若氣液比大于1780m3 （標(biāo)）（標(biāo)）/ m3，可近似考慮為單相氣體流動，可近似考慮為單相氣體流動。計算井底流動壓力。計算井底流動壓力 須對須對和和作相應(yīng)的修正作相應(yīng)的修正。 凝析氣的修正凝析氣的修正 20 凝析氣總氣量的修正凝析氣總氣量的修正 TSGoEGTG qqq qq 1000 24.04 g EG o q M 44.29 1.03 o o o M oog ogg w MR R /24040 830 TGSG TGTGSGSG g qq qq 復(fù)合氣相對密度考慮凝析油物性和含量的綜合影響，修正公式為復(fù)合氣相對密度考慮凝析油物性和含量的綜合影響，修正公式為 21

14、許多自噴井在井口都要安裝節(jié)流裝置許多自噴井在井口都要安裝節(jié)流裝置油嘴，用油嘴，用 于控制氣井的產(chǎn)量。有多種情況要求限制氣井的產(chǎn)量，于控制氣井的產(chǎn)量。有多種情況要求限制氣井的產(chǎn)量， 包括防止底水錐進(jìn)和地層出砂，通過調(diào)節(jié)油嘴的大小控包括防止底水錐進(jìn)和地層出砂，通過調(diào)節(jié)油嘴的大小控 制井口壓力以滿足地面設(shè)備的耐壓要求或防止生成水合制井口壓力以滿足地面設(shè)備的耐壓要求或防止生成水合 物。物。 節(jié)流部件種類很多，包括井口油嘴或針形閥，安裝節(jié)流部件種類很多，包括井口油嘴或針形閥，安裝 在油管鞋附近的井下油嘴，油管上部的井下安全閥在油管鞋附近的井下油嘴，油管上部的井下安全閥 (SSSV)，氣舉閥的氣孔等。當(dāng)氣

15、流通過這些流通截面突，氣舉閥的氣孔等。當(dāng)氣流通過這些流通截面突 縮部件時，其流動規(guī)律基本一致，可概括為嘴流?？s部件時，其流動規(guī)律基本一致，可概括為嘴流。 氣體嘴流動態(tài)氣體嘴流動態(tài) 22 下圖示意圓形孔眼的油嘴，若上游壓力下圖示意圓形孔眼的油嘴，若上游壓力p1保持不變，氣保持不變，氣 體流量（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）將隨下游壓力體流量（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）將隨下游壓力p2的降低而增大。但當(dāng)?shù)慕档投龃?。但?dāng) p2達(dá)到某值達(dá)到某值pc時，流量將達(dá)到最大值即臨界流量。若時，流量將達(dá)到最大值即臨界流量。若p2再進(jìn)再進(jìn) 一步降低時，流量也不再增加。一步降低時，流量也不再增加。 p2 p1 d q pc/p1p2/p1 qs

16、c 嘴流示意圖嘴流示意圖 嘴流動態(tài)關(guān)系嘴流動態(tài)關(guān)系 23 “臨界流臨界流”是流體在油嘴吼道里被加速到聲速時的流動狀態(tài)。是流體在油嘴吼道里被加速到聲速時的流動狀態(tài)。 在臨界流狀態(tài)下，油嘴下游壓力變化對氣井產(chǎn)量沒有影響，因為在臨界流狀態(tài)下，油嘴下游壓力變化對氣井產(chǎn)量沒有影響，因為 壓力干擾向上游的傳播不會快于聲速。因此，為了預(yù)測嘴流動態(tài)壓力干擾向上游的傳播不會快于聲速。因此，為了預(yù)測嘴流動態(tài) 即產(chǎn)量與節(jié)流壓降的關(guān)系，必須確定是否為臨界流狀態(tài)。即產(chǎn)量與節(jié)流壓降的關(guān)系，必須確定是否為臨界流狀態(tài)。 根據(jù)熱力學(xué)原理，臨界壓力比為根據(jù)熱力學(xué)原理，臨界壓力比為: 1 1 1 2 k k c kp p 1 1

17、2 1 2 k k kp p 為臨界流；否則為非臨界流。為臨界流；否則為非臨界流。 k為氣體為氣體 絕熱指絕熱指 數(shù)數(shù) 由氣體嘴流等熵原理，流量與壓力比的關(guān)系為下式，由氣體嘴流等熵原理，流量與壓力比的關(guān)系為下式， 對于亞臨界流狀態(tài)：對于亞臨界流狀態(tài)： k k k g sc p p p p k k ZT dp q 1 1 2 2 1 2 11 2 1 1 408. 0 將將 代入上式便可得臨界流嘴流最大產(chǎn)氣量。代入上式便可得臨界流嘴流最大產(chǎn)氣量。 1 2 1 2 1 k k p pk 24 節(jié)流后天然氣溫度節(jié)流后天然氣溫度 由狀態(tài)方程，節(jié)流上游進(jìn)口處有由狀態(tài)方程，節(jié)流上游進(jìn)口處有 1 11 1

18、p Z RT 節(jié)流下游出口處有節(jié)流下游出口處有 2 22 2 p Z RT 天然氣通過節(jié)流裝置的流動可視為絕熱過程天然氣通過節(jié)流裝置的流動可視為絕熱過程 12 12 kk pp 節(jié)流下游天然溫度節(jié)流下游天然溫度 1 21 21 12 k k pZ TT pZ 25 典型油氣田生產(chǎn)系統(tǒng)典型油氣田生產(chǎn)系統(tǒng) 井筒氣相管流井筒氣相管流 井筒多相管流井筒多相管流 工程常用兩相管流模型工程常用兩相管流模型 氣舉排水采氣技術(shù)氣舉排水采氣技術(shù) 柱塞氣舉排水采氣柱塞氣舉排水采氣 球塞氣舉排水采氣球塞氣舉排水采氣 分體式柱塞氣舉排水采氣分體式柱塞氣舉排水采氣 26 井筒多相流流動特性井筒多相流流動特性 大多數(shù)的井

19、筒流動是兩相流（油氣、油水）或三大多數(shù)的井筒流動是兩相流（油氣、油水）或三 相流（油氣水）。油井井筒內(nèi)的相流（油氣水）。油井井筒內(nèi)的總壓差主要是用來克總壓差主要是用來克 服流體的重力、摩擦損失以及相間的滑脫損失服流體的重力、摩擦損失以及相間的滑脫損失。影響。影響 油氣井生產(chǎn)情況的參數(shù)有：油管直徑、流量、氣液比、油氣井生產(chǎn)情況的參數(shù)有：油管直徑、流量、氣液比、 含水率、流體密度、流體粘度、壓力、溫度。含水率、流體密度、流體粘度、壓力、溫度。 流流 動動 方方 向向 泡流泡流 段塞流段塞流 環(huán)霧流環(huán)霧流 氣液兩相流主要流型氣液兩相流主要流型 27 井筒多相流流動特性井筒多相流流動特性 泡流泡流 氣

20、體以小氣泡形式分布于原油中。此時氣體以小氣泡形式分布于原油中。此時氣體是分散相，液體是氣體是分散相，液體是 連續(xù)相連續(xù)相；氣體主要影響混合物密度，對摩擦阻力的影響不大；滑脫；氣體主要影響混合物密度，對摩擦阻力的影響不大；滑脫 現(xiàn)象（在混合物向上流動中，氣體超越液體的現(xiàn)象）比較嚴(yán)重?，F(xiàn)象（在混合物向上流動中，氣體超越液體的現(xiàn)象）比較嚴(yán)重。 段塞流段塞流 原油中析出大量氣體，小氣泡合并成大氣泡，氣團(tuán)占據(jù)了油管原油中析出大量氣體，小氣泡合并成大氣泡，氣團(tuán)占據(jù)了油管 的大部分通道面積，的大部分通道面積，油氣混合物呈氣團(tuán)和液柱在油管中交替流動油氣混合物呈氣團(tuán)和液柱在油管中交替流動。 此時氣體的膨脹對液體

21、的舉升發(fā)揮了很好的作用，滑脫較??；油井此時氣體的膨脹對液體的舉升發(fā)揮了很好的作用，滑脫較??；油井 的生產(chǎn)不均衡，有壓力脈動的現(xiàn)象。的生產(chǎn)不均衡，有壓力脈動的現(xiàn)象。 環(huán)霧流環(huán)霧流 氣量繼續(xù)增多時，氣泡上下擴(kuò)展，突破了氣團(tuán)間的液柱，氣量繼續(xù)增多時，氣泡上下擴(kuò)展，突破了氣團(tuán)間的液柱，液體液體 被擠向管壁，沿管壁向上運動，油管中心是連續(xù)的氣流而管壁為油被擠向管壁，沿管壁向上運動，油管中心是連續(xù)的氣流而管壁為油 環(huán)環(huán)。此時氣、液兩相都是連續(xù)的，氣體舉油主要是靠摩擦攜帶。此時氣、液兩相都是連續(xù)的，氣體舉油主要是靠摩擦攜帶。 28 井筒多相流能量損失井筒多相流能量損失 當(dāng)井深一定時，重力消耗的大小取決于混合

22、物的密度，而混當(dāng)井深一定時，重力消耗的大小取決于混合物的密度，而混 合物的密度與滑脫現(xiàn)象有關(guān)。出現(xiàn)滑脫之后將增大混合物的密度，合物的密度與滑脫現(xiàn)象有關(guān)。出現(xiàn)滑脫之后將增大混合物的密度， 從而增大混合物的重力消耗。因滑脫而產(chǎn)生的附加壓力損失稱為從而增大混合物的重力消耗。因滑脫而產(chǎn)生的附加壓力損失稱為 滑脫損失。若以油柱表示能量損失，則油氣混合物沿井筒流動時滑脫損失。若以油柱表示能量損失，則油氣混合物沿井筒流動時 總的能量損失總的能量損失H為為 H=Hm+Hf+HS 油氣混合物油氣混合物 重力消耗重力消耗 摩阻損失摩阻損失 滑脫損失滑脫損失 氣體流量與能量損失關(guān)系氣體流量與能量損失關(guān)系 H,m V

23、，L/s 管長管長1m，管內(nèi)徑，管內(nèi)徑73mm， 液體流量為液體流量為2.4L/s。 1VHmHs 2VHf 3VH HmHs隨氣體流量的增加而隨氣體流量的增加而 降低。這是因為氣體流量增加，降低。這是因為氣體流量增加， 滑脫損失和混合物的密度減小。滑脫損失和混合物的密度減小。 摩擦損失隨氣體流摩擦損失隨氣體流 量的增加而增加。量的增加而增加。 HmHs隨氣體流量的增加而隨氣體流量的增加而 降低。這是因為氣體流量增加，降低。這是因為氣體流量增加， 滑脫損失和混合物的密度減小?；摀p失和混合物的密度減小。 29 井筒多相流計算模型井筒多相流計算模型 要準(zhǔn)確分析多相管流的流動特征是比較困難的，大多

24、要準(zhǔn)確分析多相管流的流動特征是比較困難的，大多 采用現(xiàn)場試驗和實驗室模擬的方法，結(jié)合試驗資料進(jìn)行分析采用現(xiàn)場試驗和實驗室模擬的方法，結(jié)合試驗資料進(jìn)行分析 來找出各變量的近似關(guān)系，從而得出較為實用的計算公式。來找出各變量的近似關(guān)系，從而得出較為實用的計算公式。 應(yīng)用較廣泛的多相管流的相關(guān)式主要有：應(yīng)用較廣泛的多相管流的相關(guān)式主要有： 右邊各方法中右邊各方法中僅僅Beggs- Brill和和Mukherjee - Brill方法方法 考慮了井斜角，其它都是基于考慮了井斜角，其它都是基于 垂直流動。垂直流動。因此，上述兩種方因此，上述兩種方 法也可以用于注入井和丘陵地法也可以用于注入井和丘陵地 帶地

25、面管線管流計算。其它方帶地面管線管流計算。其它方 法對于定向井多相管流應(yīng)謹(jǐn)慎法對于定向井多相管流應(yīng)謹(jǐn)慎 使用，并且不應(yīng)用于注入井多使用，并且不應(yīng)用于注入井多 相管流計算。相管流計算。 Hagedorn and Brown Duns and Ros Gray Orkizewski Aziz et al BeggsBrills Mukherjee-Brill Fancher and Brown Hasan-Kabir 機(jī)理模型機(jī)理模型 30 A類類不考慮滑脫及流型劃分不考慮滑脫及流型劃分?；旌衔锩芏扔奢斎霘庖罕扔?。混合物密度由輸入氣液比計 算，也就是假定氣液具有相同的速度，此類計算方法算，也就是假

26、定氣液具有相同的速度，此類計算方法 僅需兩相流的摩阻系數(shù)計算關(guān)系式。僅需兩相流的摩阻系數(shù)計算關(guān)系式。 B類類考慮滑脫，不做流型劃分考慮滑脫，不做流型劃分。僅需要兩相流持液率和摩。僅需要兩相流持液率和摩 阻系數(shù)計算關(guān)系式。此類方法考慮了氣液在管內(nèi)的不阻系數(shù)計算關(guān)系式。此類方法考慮了氣液在管內(nèi)的不 同流速，該方法需要提供預(yù)測液相在任意位置所占管同流速，該方法需要提供預(yù)測液相在任意位置所占管 內(nèi)截面積的分?jǐn)?shù)，對于各種流型采用相同的持液率和內(nèi)截面積的分?jǐn)?shù)，對于各種流型采用相同的持液率和 摩阻系數(shù)關(guān)系式。摩阻系數(shù)關(guān)系式。 C類類考慮滑脫并劃分流型考慮滑脫并劃分流型。不僅需要兩相流持液率和摩阻。不僅需要兩

27、相流持液率和摩阻 系數(shù)計算關(guān)系式，而且需要預(yù)測流型的方法，只要確系數(shù)計算關(guān)系式，而且需要預(yù)測流型的方法，只要確 定了流型，就能確定相應(yīng)的持液率和摩阻系數(shù)計算關(guān)定了流型，就能確定相應(yīng)的持液率和摩阻系數(shù)計算關(guān) 系式，加速度壓降梯度的方法也可以確定。系式，加速度壓降梯度的方法也可以確定。 井筒多相流計算模型分類井筒多相流計算模型分類 31 序號序號方法方法類型類型 1Fancher and BrownA類類 2Hagedorn and BrownB類類 3GrayB類類 4Duns and RosC類類 5OrikiszwskiC類類 6Aziz et al.C類類 7Beggs and Brill

28、C類類 8Mukherjee and BrillC類類 9Hasan-Kabir機(jī)理模型機(jī)理模型 32 OGWM軟件管流計算方法軟件管流計算方法 序號序號方法方法適用條件適用條件 1單相氣體修正單相氣體修正氣井、凝析氣井氣井、凝析氣井 2Hagendorn-Brown(1963)垂直油井、含水氣井垂直油井、含水氣井 3Orkiszewski(1967)垂直油井垂直油井 4Duns-Ros垂直油井垂直油井 5Mukherjee-Brill(1985)垂直井、定向井或地面管線垂直井、定向井或地面管線 6Beggs-Brill(1973)垂直井、定向井或地面管線垂直井、定向井或地面管線 7持液率優(yōu)化

29、模型持液率優(yōu)化模型(SPE35612)測試壓力數(shù)據(jù)優(yōu)化壓降模型測試壓力數(shù)據(jù)優(yōu)化壓降模型 8無滑脫無滑脫分析滑脫壓降分析滑脫壓降 9Aziz (1992)垂直油井、含水氣井垂直油井、含水氣井 10Hasan-Kabir(1985)垂直油井、含水氣井垂直油井、含水氣井 11Gray(1978)凝析氣井、高氣液比井凝析氣井、高氣液比井 12Ansari機(jī)理模型機(jī)理模型(1990)垂直油井、含水氣井垂直油井、含水氣井 33 典型油氣田生產(chǎn)系統(tǒng)典型油氣田生產(chǎn)系統(tǒng) 井筒氣相管流井筒氣相管流 井筒多相管流井筒多相管流 工程常用兩相管流模型工程常用兩相管流模型 氣舉排水采氣技術(shù)氣舉排水采氣技術(shù) 柱塞氣舉排水采

30、氣柱塞氣舉排水采氣 球塞氣舉排水采氣球塞氣舉排水采氣 分體式柱塞氣舉排水采氣分體式柱塞氣舉排水采氣 34 工程常用兩相管流模型工程常用兩相管流模型 Hagedorn-Brown（1965） Gray（1978） Orkiszewski（1967） Beggs-Brill（1973） Mukherjee-Brill（1985） Duns-Ros(1963年年) Hasan-Kabir（1988） Ansari模型模型 35 Hagedorn-Brown模型模型 Hagedorn-Brown (1965)針對垂直井中油氣水三相流動，針對垂直井中油氣水三相流動， 基于單相流體和機(jī)械能守恒定律，建立了

31、壓力梯度模型；基于單相流體和機(jī)械能守恒定律，建立了壓力梯度模型； 并在裝有并在裝有1、11/4、11/2英寸油管的英寸油管的457m深的試驗井中，以深的試驗井中，以10、 30、35和和110mPa.s的油、天然氣和水混合物進(jìn)行了大量的的油、天然氣和水混合物進(jìn)行了大量的 現(xiàn)場試驗，通過反算持液率，提出了用于各種流型下的兩現(xiàn)場試驗，通過反算持液率，提出了用于各種流型下的兩 相垂直上升管流壓降關(guān)系式。此壓降關(guān)系式不需要判別流相垂直上升管流壓降關(guān)系式。此壓降關(guān)系式不需要判別流 型，適用于產(chǎn)水氣井流動條件。型，適用于產(chǎn)水氣井流動條件。 2 m mm m sin 2 Gdp gf dzD 36 Gray

32、模型模型 Gray模型（模型（1978年）適用于凝析油氣井，曾與年）適用于凝析油氣井，曾與108口井口井 的資料進(jìn)行了比較。其結(jié)果表明比干氣井的預(yù)測結(jié)果好。的資料進(jìn)行了比較。其結(jié)果表明比干氣井的預(yù)測結(jié)果好。 為從少量的凝析油數(shù)據(jù)系統(tǒng)中獲得的氣體體積分?jǐn)?shù)，為從少量的凝析油數(shù)據(jù)系統(tǒng)中獲得的氣體體積分?jǐn)?shù)， 構(gòu)成一個反映反轉(zhuǎn)現(xiàn)象的簡化模型，與相對密度、壓力、構(gòu)成一個反映反轉(zhuǎn)現(xiàn)象的簡化模型，與相對密度、壓力、 溫度相關(guān)。溫度相關(guān)。 22 t gL ccmfcm 1 1 2 i f GgG dpdhdhd gg Dg V D 205 1 exp2.3141 1 B N N R 37 Orkiszewski

33、模型模型 Orkiszewski（1967）采用采用148口油井實測數(shù)據(jù)，對比口油井實測數(shù)據(jù)，對比 分析了多個氣液兩相流模型，對其中最好的關(guān)系式與他對分析了多個氣液兩相流模型，對其中最好的關(guān)系式與他對 段塞流的研究結(jié)合起來，提出了一種綜合段塞流的研究結(jié)合起來，提出了一種綜合Griffith泡流和段泡流和段 塞流與塞流與Dons-Ros的環(huán)霧流和過渡流算法的垂直多相管流相的環(huán)霧流和過渡流算法的垂直多相管流相 關(guān)式，通常適合于直井多相流計算。關(guān)式，通常適合于直井多相流計算。 RosRos和和DunsDuns霧狀流霧狀流 RosRos和和DunsDuns過渡流過渡流 密度項對密度項對Griffith

34、Griffith和和WallisWallis公式作了修正，公式作了修正， 摩阻項用摩阻項用OrkiszewskiOrkiszewski方法方法 段塞流段塞流 GriffithGriffith和和WallisWallis泡流泡流 選用方法流型 38 Beggs-Brill模型模型 Beggs-Brill(1973年年)根據(jù)均相流動能守恒方程式得出根據(jù)均相流動能守恒方程式得出 了壓力梯度方程，并在直徑了壓力梯度方程，并在直徑1 、11/2 長長13.7m的傾斜透的傾斜透 明管中用水和空氣進(jìn)行了大量的實驗，得出了不同傾斜明管中用水和空氣進(jìn)行了大量的實驗，得出了不同傾斜 管道中氣液兩相流動的持液率和阻

35、力系數(shù)的相關(guān)規(guī)律。管道中氣液兩相流動的持液率和阻力系數(shù)的相關(guān)規(guī)律。 -900+900管段傾角管段傾角 00.185MPa壓力梯度壓力梯度 00.87持液率持液率 25.4、38.1mm管子內(nèi)徑管子內(nèi)徑 0.250.67MPa管段平均壓力（絕）管段平均壓力（絕） 0 00.0019m0.0019m3 3/s/s液體流量液體流量 0 00.098m0.098m3 3/s/s氣體流量氣體流量 變化范圍參數(shù) 39 Mukherjee-Brill模型模型 Mukherjee和和Brill（1985）在）在Beggs和和Brill（1973）研）研 究工作的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了實驗條件，對傾斜管兩相流的流究工作

36、的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了實驗條件，對傾斜管兩相流的流 型進(jìn)行了深入研究，提出了更為適用的傾斜管（包括水平型進(jìn)行了深入研究，提出了更為適用的傾斜管（包括水平 管）兩相流的流型判別準(zhǔn)則和應(yīng)用方便的持液率及摩阻系管）兩相流的流型判別準(zhǔn)則和應(yīng)用方便的持液率及摩阻系 數(shù)經(jīng)驗公式。數(shù)經(jīng)驗公式。M-B持液率只是控制流型的三個無因次參數(shù)持液率只是控制流型的三個無因次參數(shù) 的函數(shù)。的函數(shù)。 5 6 22 GV L1234L LV expsinsin c c N Hcccc N N 1 4 LL 3 L g N 1 4 L LVSL Nv g 1 4 L GVSG Nv g 無因次液相粘度無因次液相粘度 無因次液相速度無

37、因次液相速度 無因次氣相速度無因次氣相速度 40 Duns-Ros(1963年年)對影響垂直兩相管流中的對影響垂直兩相管流中的13個變量按個變量按定理進(jìn)行定理進(jìn)行 了因次分析，以質(zhì)量、長度和時間作為基本量綱。對因次分析確立的了因次分析，以質(zhì)量、長度和時間作為基本量綱。對因次分析確立的10 個無因次量進(jìn)行了深入研究，總結(jié)出四個無因次量個無因次量進(jìn)行了深入研究，總結(jié)出四個無因次量（無因次氣相速度、（無因次氣相速度、 無因次液相速度、無因次液相粘度、以及無因次管徑）無因次液相速度、無因次液相粘度、以及無因次管徑）能比較全面的描能比較全面的描 述兩相管流現(xiàn)象。述兩相管流現(xiàn)象。并在實驗室中以長并在實驗室

38、中以長10m，直徑，直徑1.26in-5.6in的垂直管進(jìn)的垂直管進(jìn) 行了約行了約4000次氣液兩相管流實驗，持液率通過放射示蹤跡技術(shù)測得次氣液兩相管流實驗，持液率通過放射示蹤跡技術(shù)測得，獲，獲 得了約得了約2萬個數(shù)據(jù)點，總結(jié)得出了流態(tài)分布圖。萬個數(shù)據(jù)點，總結(jié)得出了流態(tài)分布圖。 DUNS-ROS模型模型 I區(qū)含氣泡流、彈狀流和部分沫狀流區(qū)含氣泡流、彈狀流和部分沫狀流 II區(qū)含段塞流和沫狀流的剩余部分區(qū)含段塞流和沫狀流的剩余部分 III區(qū)為霧狀流區(qū)為霧狀流 41 Hasan-Kabir模型模型 Hasan和和Kabir（1988年）利用水動力學(xué)原理，通過對年）利用水動力學(xué)原理，通過對 氣液兩相流

39、動形態(tài)轉(zhuǎn)變的機(jī)理性分析，得出了每一種流動氣液兩相流動形態(tài)轉(zhuǎn)變的機(jī)理性分析，得出了每一種流動 形態(tài)的判別依據(jù)，提出了確定每一流動形態(tài)的判別依據(jù)和形態(tài)的判別依據(jù)，提出了確定每一流動形態(tài)的判別依據(jù)和 方法。進(jìn)而給出了相應(yīng)的壓力梯度計算方法。該方法的流方法。進(jìn)而給出了相應(yīng)的壓力梯度計算方法。該方法的流 動形態(tài)分為泡流、段塞流、攪動流和環(huán)狀流四種。動形態(tài)分為泡流、段塞流、攪動流和環(huán)狀流四種。 2 mm mm mm m sin 2 fvdvdp gv dzDdz Hasan 51/2 套管限于套管限于1.9油管）；油管）； 51 球 塞 氣 舉 裝 置 52 球塞連續(xù)氣舉實驗架 53 典型油氣田生產(chǎn)系統(tǒng)典型油氣田生產(chǎn)系統(tǒng) 井筒氣相管流井筒氣相管流 井筒多相管流井筒多相管流 工程常用兩相管流模型工程常用兩相管流模型 氣舉排水采氣技術(shù)氣舉排水采氣技術(shù) 柱塞氣舉排水采氣柱塞氣舉排水采氣 球塞氣舉排水采氣球塞氣舉排水采氣 分體式柱塞氣舉排水采氣分體式柱塞氣舉排