現(xiàn)代鉆采工程多相管流理論與計算詳解演示文稿

現(xiàn)代鉆采工程多相管流理論與計算詳解演示文稿本文檔共51頁；當(dāng)前第1頁；編輯于星期三\12點40分1（優(yōu)選）現(xiàn)代鉆采工程多相管流理論與計算本文檔共51頁；當(dāng)前第2頁；編輯于星期三\12點40分2相：多相流動體系

：第二章井筒多相流理論與計算指體系中具有相同成分、相同物理—化學(xué)性質(zhì)的均勻物質(zhì)部分，與體系的其它均勻部分有界面隔開。兩相或兩相以上的流體一同參與流動的體系。多相流體與單相流體的流動規(guī)律是不相同的，需要引入新的理論來反映多相流體流動規(guī)律。例如：水-冰液固兩相流水-水蒸氣氣液兩相流泥漿液固兩相流油-氣氣液兩相流油-氣-水氣液液三相流單工質(zhì)多工質(zhì)本文檔共51頁；當(dāng)前第3頁；編輯于星期三\12點40分3多相流理論是貫穿于石油開采全過程的基本理論一、多相流理論在石油工業(yè)中的地位和作用第二章井筒多相流理論與計算鉆井工程：油氣井壓力控制(含氣泥漿的壓降計算)采油工程：采油方式優(yōu)化設(shè)計、采油設(shè)備的工況分析（油氣混合物在井筒中流動的壓降和溫度計算）儲運(yùn)工程：油氣集輸管線的設(shè)計（油氣混合物在管線中壓降和溫度的計算）本文檔共51頁；當(dāng)前第4頁；編輯于星期三\12點40分4油井能否自噴？一定產(chǎn)量的油氣混合物到達(dá)井口時的剩余壓力？自噴采油自噴生產(chǎn)機(jī)械采油(人工舉升)第二章井筒多相流理論與計算井口油壓井底流壓兩相流壓降本文檔共51頁；當(dāng)前第5頁；編輯于星期三\12點40分5氣舉采油及井筒壓力分布機(jī)械采油方式設(shè)計的原則最大限度地發(fā)揮油藏的潛力和地面設(shè)備的能力，獲得最高的產(chǎn)油量。第二章井筒多相流理論與計算氣舉采油本文檔共51頁；當(dāng)前第6頁；編輯于星期三\12點40分6第二章井筒多相流理論與計算地面驅(qū)動螺桿泵生產(chǎn)系統(tǒng)有桿泵采油系統(tǒng)常規(guī)有桿泵生產(chǎn)系統(tǒng)本文檔共51頁；當(dāng)前第7頁；編輯于星期三\12點40分7有桿抽油井生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計思路第二章井筒多相流理論與計算常規(guī)有桿泵生產(chǎn)系統(tǒng)本文檔共51頁；當(dāng)前第8頁；編輯于星期三\12點40分81950年左右，石油工業(yè)中的多相流技術(shù)研究開始，早期研究者大多采用實驗研究的方法，所使用的數(shù)據(jù)主要來自室內(nèi)實驗和油田實際生產(chǎn)二、多相流理論的研究簡史控制方程（機(jī)理模型）物理現(xiàn)象流動機(jī)理第二章井筒多相流理論與計算80年代初，計算機(jī)的引入極大地促進(jìn)了多相流的發(fā)展20世紀(jì)70年代，石油工業(yè)開始采用已在其它工業(yè)領(lǐng)域中使用的一些物理機(jī)理來預(yù)測多相流的流型本文檔共51頁；當(dāng)前第9頁；編輯于星期三\12點40分920世紀(jì)80年代中期應(yīng)用高新技術(shù)及儀器進(jìn)行多相流的模擬試驗，期望深入認(rèn)識多相流動現(xiàn)象及流動機(jī)理，從而改進(jìn)模型，提高精度。第二章井筒多相流理論與計算核密度計、超聲波傳感器、電導(dǎo)和光導(dǎo)探針、電容傳感器、激光多普勒測速儀、高速攝像機(jī)等

美國Tulsa大學(xué)FluidFlowProject

西安交通大學(xué)動力工程多相流國家重點實驗室目前，雙流體瞬態(tài)模擬方法和精確描述物理現(xiàn)象的穩(wěn)態(tài)機(jī)理模型是多相管流研究的主要方法本文檔共51頁；當(dāng)前第10頁；編輯于星期三\12點40分101、多相流問題未得到解析解2、油氣水三相流的研究不過深入3、水平井段變質(zhì)量流動研究較少5、缺乏專用研究儀器4、缺乏向下流動的綜合機(jī)理模型三、目前存在的問題水平井示意圖第二章井筒多相流理論與計算本文檔共51頁；當(dāng)前第11頁；編輯于星期三\12點40分11

第一節(jié)氣液兩相管流的基本特征與研究方法細(xì)分散體系細(xì)小的液滴或氣泡均勻分散在連續(xù)相中

粗分散體系較大的氣泡或液滴分散在連續(xù)相中

混合流動型兩相均非連續(xù)相

分層流動兩相均為連續(xù)相

依相態(tài)對流動特性的影響分一、基本特征1.氣液兩相流的分類第二章井筒多相流理論與計算本文檔共51頁；當(dāng)前第12頁；編輯于星期三\12點40分12垂直氣液兩相流流型水平氣液兩相流流型多相流體的主要分布型態(tài)第二章井筒多相流理論與計算本文檔共51頁；當(dāng)前第13頁；編輯于星期三\12點40分13體系中存在相界面：兩相之間也存在力的作用，出現(xiàn)質(zhì)量和能量的交換時伴隨著機(jī)械能的損失兩相的分布情況多種多樣:兩相流動中兩相介質(zhì)的分布狀況稱為流型兩相流動中存在滑脫現(xiàn)象:相間速度的差異稱為滑脫，滑脫將產(chǎn)生附加的能量損失沿程流體體積流量有很大變化，質(zhì)量流量不變2.氣液兩相流的基本特征第二章井筒多相流理論與計算本文檔共51頁；當(dāng)前第14頁；編輯于星期三\12點40分14不能簡單地用層流或紊流來描述氣液兩相流水平或傾斜流動是軸不對稱的由于相界面的存在增加了研究的復(fù)雜性總能量方程中應(yīng)考慮與表面形成的能量問題多相流動中各相的溫度、組分的濃度都不是均勻的，相之間有傳熱和傳質(zhì)各相流速不同，出現(xiàn)滑脫問題，是多相流研究的核心與重點3.研究氣液兩相流應(yīng)考慮的幾個問題第二章井筒多相流理論與計算本文檔共51頁；當(dāng)前第15頁；編輯于星期三\12點40分151.經(jīng)驗方法從氣液兩相流動的物理概念出發(fā)，或者使用因次分析法，或者根據(jù)流動的基本微分方程式，得到反映某一特定的兩相流動過程的一些無因次參數(shù)，然后依據(jù)實驗數(shù)據(jù)整理出描述這一流動過程的經(jīng)驗關(guān)系式。優(yōu)點：使用方便，在一定條件下能取得好的結(jié)果缺點：使用有局限性，且很難從其中得出更深層次的關(guān)系穆迪（Moody）圖

二、研究方法第二章井筒多相流理論與計算本文檔共51頁；當(dāng)前第16頁；編輯于星期三\12點40分162.半經(jīng)驗方法

根據(jù)所研究的氣液兩相流動過程的特點，采用適當(dāng)?shù)募僭O(shè)和簡化，再從兩相流動的基本方程式出發(fā)，求得描述這一流動過程的函數(shù)關(guān)系式，最后用實驗方法確定出函數(shù)關(guān)系式中的經(jīng)驗系數(shù)。優(yōu)點：有一定的理論基礎(chǔ)，應(yīng)用廣泛缺點：存在簡化和假設(shè)，具有不準(zhǔn)確性第二章井筒多相流理論與計算本文檔共51頁；當(dāng)前第17頁；編輯于星期三\12點40分173.理論分析方法

針對各種流動過程的特點，應(yīng)用流體力學(xué)方法對其流動特性進(jìn)行分析，進(jìn)而建立起描述這一流動過程的解析關(guān)系式。優(yōu)點：以理論分析為基礎(chǔ)，可以得到解析關(guān)系式缺點：建立關(guān)系式困難，求解復(fù)雜第二章井筒多相流理論與計算本文檔共51頁；當(dāng)前第18頁；編輯于星期三\12點40分18三、流動型態(tài)流動型態(tài)（流動結(jié)構(gòu)、流型）：流動過程中油、氣的分布狀態(tài)。影響流型的因素各相介質(zhì)的體積比例介質(zhì)的流速各相的物理及化學(xué)性質(zhì)(密度、粘度界面張力等)流道的幾何形狀壁面特性管道的安裝方式第二章井筒多相流理論與計算本文檔共51頁；當(dāng)前第19頁；編輯于星期三\12點40分19流動型態(tài)的劃分方法：兩類第一類劃分方法：根據(jù)兩相介質(zhì)分布的外形劃分，包括泡狀流、彈狀流或團(tuán)狀流、（層狀流、波狀流）、段塞流或沖擊流、環(huán)狀流、霧狀流垂直氣液兩相流流型水平氣液兩相流流型第二章井筒多相流理論與計算本文檔共51頁；當(dāng)前第20頁；編輯于星期三\12點40分20第二類劃分方法：按流動的數(shù)學(xué)模型或流體的分散程度劃分，包括分散流、間歇流、分離流第一類劃分方法泡狀流彈狀流或團(tuán)狀流層狀流波狀流段塞流或沖擊流環(huán)狀流霧狀流第二類劃分方法分散流間歇流分離流分離流間歇流分離流分散流兩類劃分結(jié)果的對應(yīng)關(guān)系第二章井筒多相流理論與計算較為直觀便于進(jìn)行數(shù)學(xué)處理本文檔共51頁；當(dāng)前第21頁；編輯于星期三\12點40分21四、流型圖描述(表示)流型變化及其界限的圖。把流型變換的實驗數(shù)據(jù)加以總結(jié)歸納后，按照兩個或多個主要的流動參數(shù)繪成曲線，便可以得到流型圖。第二章井筒多相流理論與計算Aziz垂直氣液管流流型圖Baker水平氣液管流流型圖本文檔共51頁；當(dāng)前第22頁；編輯于星期三\12點40分22第二節(jié)氣液兩相流動的特性參數(shù)一、流量質(zhì)量流量:單位時間內(nèi)流過過流斷面的流體質(zhì)量，kg/s體積流量:單位時間內(nèi)流過過流斷面的流體體積，m3/s第二章井筒多相流理論與計算本文檔共51頁；當(dāng)前第23頁；編輯于星期三\12點40分23二、流速相速度:單位相面積所通過的該相容積流量,m/s

氣相速度液相速度第二章井筒多相流理論與計算本文檔共51頁；當(dāng)前第24頁；編輯于星期三\12點40分24折算速度:假定管道全被一相占據(jù)時的流動速度,m/s氣相折算速度液相折算速度兩相混合物速度混合物的質(zhì)量速度第二章井筒多相流理論與計算本文檔共51頁；當(dāng)前第25頁；編輯于星期三\12點40分25滑差(滑脫速度)：氣液兩相相速度之差。滑動(滑移)比：氣相相速度與液相相速度之比。

三、滑差和滑動比第二章井筒多相流理論與計算本文檔共51頁；當(dāng)前第26頁；編輯于星期三\12點40分26質(zhì)量含氣率：單位時間內(nèi)流過過流斷面的混合物總質(zhì)量G中氣相質(zhì)量所占的份額。四、含氣率與含液率質(zhì)量含液率：單位時間內(nèi)流過過流斷面的混合物總質(zhì)量中液相質(zhì)量所占的份額。第二章井筒多相流理論與計算本文檔共51頁；當(dāng)前第27頁；編輯于星期三\12點40分27體積含氣率：單位時間流過過流斷面兩相流體(混合物)總體積Q中氣相所占的份額。體積含液率：單位時間流過過流斷面兩相流體(混合物)總體積Q中液相所占的份額。第二章井筒多相流理論與計算本文檔共51頁；當(dāng)前第28頁；編輯于星期三\12點40分28與x間的關(guān)系第二章井筒多相流理論與計算本文檔共51頁；當(dāng)前第29頁；編輯于星期三\12點40分29真實含氣率:又稱截面含氣率或空隙率，為任一流動截面內(nèi)氣相面積占總面積的份額(氣相面積與管道總面積之比)。真實含液率:又稱截面含液率或持液率，為任一流動截面內(nèi)液相面積占總面積的份額(液相面積與管道總面積之比)。第二章井筒多相流理論與計算本文檔共51頁；當(dāng)前第30頁；編輯于星期三\12點40分30φ與β的比較第二章井筒多相流理論與計算本文檔共51頁；當(dāng)前第31頁；編輯于星期三\12點40分31該方法易于實現(xiàn)，只能得到平均值，且不能在線測量?？礻P(guān)閥示意圖真實含氣率的簡單測量第二章井筒多相流理論與計算本文檔共51頁；當(dāng)前第32頁；編輯于星期三\12點40分32流動密度:單位時間內(nèi)流過過流斷面的混合物質(zhì)量與體積之比。五、流動密度與真實密度真實密度：在流道上取微段，流體真實密度為微段內(nèi)兩相流體的質(zhì)量與容積之比第二章井筒多相流理論與計算本文檔共51頁；當(dāng)前第33頁；編輯于星期三\12點40分33流動密度與真實密度的比較第二章井筒多相流理論與計算本文檔共51頁；當(dāng)前第34頁；編輯于星期三\12點40分34第三節(jié)井筒多相流能量平衡方程兩個流動斷面間的能量平衡關(guān)系：一、能量平衡方程推導(dǎo)傾斜管流能量平衡關(guān)系示意圖第二章井筒多相流理論與計算本文檔共51頁；當(dāng)前第35頁；編輯于星期三\12點40分35傾斜多相管流斷面1和斷面2的流體的能量平衡關(guān)系為：第二章井筒多相流理論與計算傾斜管流能量平衡關(guān)系示意圖本文檔共51頁；當(dāng)前第36頁；編輯于星期三\12點40分36適合于各種管流的通用壓力梯度方程：則：令：第二章井筒多相流理論與計算本文檔共51頁；當(dāng)前第37頁；編輯于星期三\12點40分37二、多相垂直管流壓力分布計算步驟1)按深度增量迭代的步驟①已知任一點(井口或井底)的壓力作為起點，任選一個合適的壓力降作為計算的壓力間隔p。②估計一個對應(yīng)的深度增量h。③計算該管段的平均溫度及平均壓力，并確定流體性質(zhì)參數(shù)。④判斷流型，并計算該段的壓力梯度dp/dh。第二章井筒多相流理論與計算本文檔共51頁；當(dāng)前第38頁；編輯于星期三\12點40分38⑧以計算段下端壓力為起點，重復(fù)②～⑦步，計算下一段的深度和壓力，直到各段的累加深度等于管長為止。⑥重復(fù)②～⑤的計算，直至。⑤計算對應(yīng)于的該段管長(深度差)h。⑦計算該段下端對應(yīng)的深度及壓力。第二章井筒多相流理論與計算2)按壓力增量迭代的步驟（略）本文檔共51頁；當(dāng)前第39頁；編輯于星期三\12點40分39說明：a.計算壓力分布過程中，溫度和壓力是相關(guān)的；b.流體物性參數(shù)計算至關(guān)重要，但目前方法精度差；c.不同的多相流計算方法差別較大，因此在實際應(yīng)用中有必要根據(jù)油井的實際情況篩選精度相對高的方法。第二章井筒多相流理論與計算本文檔共51頁；當(dāng)前第40頁；編輯于星期三\12點40分40第四節(jié)井筒氣液多相流動的模型氣液兩相流動的規(guī)律較單相流復(fù)雜得多,常采用簡化的流動模型進(jìn)行處理，以便探討其流動規(guī)律。常用的模型有流動型態(tài)模型、均相流動模型、分相流動模型和漂移流動模型等。第二章井筒多相流理論與計算本文檔共51頁；當(dāng)前第41頁；編輯于星期三\12點40分41一、流動型態(tài)模型定義：將兩相流動分成幾個典型的流動型態(tài)，然后按照不同的流動型態(tài)分別研究其流動規(guī)律。特點針對性強(qiáng)，精確度高數(shù)學(xué)處理復(fù)雜，計算量大流型界限確定困難第二章井筒多相流理論與計算流動型態(tài)模型是未來的研究方向本文檔共51頁；當(dāng)前第42頁；編輯于星期三\12點40分42二、均相流動模型（1）氣相和液相的實際速度相等，即（2）兩相介質(zhì)已達(dá)到熱力學(xué)平衡狀態(tài)對于泡狀流和霧狀流，具有較高的精確性對于彈狀流和段塞流，需要進(jìn)行時間平均修正對于層狀流、波狀流和環(huán)狀流，則誤差較大兩個假定特點定義：把氣液兩相混合物看成均勻介質(zhì)，其物性參數(shù)取兩相的均值而建立的模型第二章井筒多相流理論與計算本文檔共51頁；當(dāng)前第43頁；編輯于星期三\12點40分43三、分相流動模型（簡稱分流模型）定義：它是把氣液兩相流動看成為氣、液相各自分開的流動，每相介質(zhì)都有其平均流速和獨立的物性參數(shù)。因此需要建立每一相介質(zhì)的流體動力特性方程式。這就要求預(yù)先確定每一相占有過流斷面的份額（即真實含氣率）以及介質(zhì)與管壁摩擦力和兩相介質(zhì)之間摩擦阻力，為了取得這些數(shù)據(jù)，目前主要是利用實驗研究所得的經(jīng)驗關(guān)系式。近年來，隨著計算流體力學(xué)的發(fā)展，有些數(shù)據(jù)已可以通過數(shù)學(xué)模型用解析計算求得。第二章井筒多相流理論與計算本文檔共51頁；當(dāng)前第44頁；編輯于星期三\12點40分44分流模型的基本假設(shè)(1)兩相介質(zhì)分別有各自的按所占斷面積計算的斷面平均流速；(2)雖然兩相介質(zhì)之間可能有質(zhì)量交換，但兩相之間處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，壓力和密度互為單值函數(shù)。分流模型適用于層狀流、波狀流和環(huán)狀流。第二章井筒多相流理論與計算本文檔共51頁；當(dāng)前第45頁；編輯于星期三\12點40分45四、漂移流動模型漂移流動模型簡稱漂移模型，它是由朱伯(Zuber)和芬德萊(Findlay)針對均流模型、分流模型與實際的兩相流動之間存在的偏差而提出的特殊模型。在均流模型中，沒有考慮兩相間的相互作用，而是用平均流動參數(shù)來模擬兩相介質(zhì)；分流模型中，盡管在流動特性方面分別考慮了每相介質(zhì)以及兩相界面上的作用力，但是每相的流動特性仍然是孤立的；而在漂移流動模型中，既考慮了氣液兩相之間的相對運(yùn)動，又考慮了空隙率和流速沿過流斷面的分布規(guī)律。第二章井筒多相流理論與計算本文檔共51頁；當(dāng)前第46頁；編輯于星期三\12點40分46在實際研究過程中，不僅要根據(jù)所研究的問題選擇合適的多相流計算模型，而且常常需將前面介紹的多種模型有機(jī)地結(jié)合起來使用，以各取其長，獲得盡可能精確的計算結(jié)果。五、井筒氣液兩相流動的計算方法第二章井筒多相流理論與計算本文檔共51頁；當(dāng)前第47頁