2 2井筒气液两相流基本概念 2 2 1井筒气液两相流动的特性 1 与单相液流的比较单相流 当油井的井口压力高于原油饱和压力时 井筒内流动着的是单相液体 其流规律与普通水力学中单相液体的流动规律完全相同 气液两相流 井底压力低于饱和压力时 油管内部都是气 液两相流动 井底压力高于饱和压力而井口压力低于饱和压力时 油流上升过程中其压力低于饱和压力后 油中溶解的天然气开始从油中分离出来 油管中便由单相液流变为气 液两相流动 2 气液混合物在垂直管中的流动结构 流动型态的变化流动结构 流型 流动过程中油 气的分布状态 流型与油气体积比 流速及油气的界面性质有关 纯液流 井筒压力大于饱和压力 天然气溶解在原油中 泡流 井筒压力稍低于饱和压力时 溶解气开始从油中分离出来 气体都以小气泡分散在液相中 气泡直径相对于油管直径要小很多 这种结构的混合物的流动称为泡流 滑脱现象 混合物向上流动时 由于油 气密度的差异 气泡上升速度大于液体流速 气泡将从油中超越而过 这种气体超越液体上升的现象称为滑脱 图2 16气体混合物的流动结构 流型 示意图 泡流的特点 气体是分散相 液体是连续相 气体主要影响混合物密度 对摩擦阻力的影响不大 滑脱现象比较严重 段塞流 当混合物继续向上流动 压力逐渐降低 气体不断膨胀 小气泡将合并成大气泡 直到能够占据整个油管断面时 井筒内将形成一段油一段气的结构 段塞流的特点 气体呈分散相 液体呈连续相 炮弹状的大气泡托着油柱向上流动 象一个破漏的活塞向上推油 油 气间的相对运动要比泡流小 滑脱也小 环流 随着混合物继续向上流动 压力不断下降 气相体积继续增大 泡弹状的气泡不断加长 逐渐由油管中间突破 形成油管中心是连续的气流而管壁为油环的流动结构 环流特点 气液两相都是连续的 气体举油作用主要是靠摩擦携带 雾流 在油气混合物继续上升过程中 压力下降使气体的体积流量增加到足够大时 油管中内流动的气流芯子将变得很粗 沿管壁流动的油环变得很薄 绝大部分油以小油滴分散在气流中 雾流的特点 气体是连续相 液体是分散相 气体以很高的速度携带液滴喷出井口 气 液之间的相对运动速度很小 气相是整个流动的控制因素 油井中可能出现的流型自下而上依次为 纯油流 泡流 段塞流 环流和雾流 实际上 在同一口井内 不会出现完整的流型变化 环流和雾流只是出现在混合物流速和气液比很高的情况下 一般自喷井内 段塞流是主要的 图2 17油气沿井筒喷出时的流型变化示意图 3 滑脱损失的概念因滑脱而产生的附加压力损失称为滑脱损失 有滑脱时混合物的密度不考虑滑脱只按气 液体积流量计算的混合物密度不考虑滑脱 即认为油气之间不存在相对运动时 某一深度的混合物密度可由下式计算 通过每个断面的液体和气体流量应分别等于各自的真实流速 o g 与流过断面的乘积 图2 18气液两相流流动断面简图 在无滑脱时 如果忽略气体的密度 则液相的流动断面增大将引起混合物密度的增加 假定 存在和不存在滑脱两种情况下液 气体积流量不变 有滑脱时 气体流速大 液体流速小 为保持体积流量不变 气体过流断面将减小为 液体的过流断面将增加为 考虑滑脱后分相过流断面的变化 存在滑脱时混合物密度 单位管长上滑脱损失为 2 2 2井筒气液两相流能量平衡方程及压力分布计算步骤 1 能量平衡方程推导两个流动断面间的能量平衡关系 倾斜多相管流断面1和断面2的流体的能量平衡关系为 简化后得 图2 19倾斜管流能量平衡关系示意图 取单位质量的流体m 1 令则 对于水平管流 若用x表示水平流动方向的坐标 则对于垂直管流 sin 若以h表示高度 则为了强调多相混合物流动 将方程中的各项流动参数加下角 m 则 2 多相垂直管流压力分布计算步骤1 按深度增量迭代的步骤 已知任一点 井口或井底 的压力作为起点 任选一个合适的压力降作为计算的压力间隔 估计一个对应的深度增量 H 计算出该管段的平均温度及平均压力 并确定在该和下的全部流体性质参数 计算该段的压力梯度 计算对应于的该段管长 深度差 将第 步计算得的与第 步估计的进行比较 两者之差超过允许范围 则以新的 h作为估算值 重复 的计算 使计算的 h与估计的 h之差 在允许范围内为止 计算该段下端对应的深度及压力 以L1处的压力为起点 重复 步 计算下一段的深度和压力 直到各段的累加深度等于或大于管长 Ln L 时为止 2 按压力增量迭代的步骤 已知井底或井口的压力P0 选取合适的深度间隔 h 估计一个对应于计算间隔的压力增量 计算该段的和 以及对应的流体性质参数 计算该段压力梯度 计算对应于的压力增量 比较压力增量的估计量与计算值 若二者之差不在允许范围内 则以计算值作为新的估计值 重复第 步 使两者之差 在允许范围之内为止 计算该段下端对应的深度和压力 以处的压力为起点压力重复第 步 计算下一段的深度和压力 直到各段累加深度等于或大于管长时为止 2 3计算气 液两相垂直管流的Orkiszewski方法 Orkiszewski把Griffith计算段塞流的相关式加以改进后推广到了高流速区 从而扩大了应用范围 在处理过渡性流型时 采用了与Ros方法相同的办法 内插法 针对每种流动型态提出了存容比及摩擦损失的计算方法 提出了四种流动型态即泡流 段塞流 过渡流及环雾流 由垂直管流能量方程可知 压力降是摩擦能量损失 势能变化和动能变化之和 出现雾流时 气体体积流量远大于液体体积流量 根据气体定律 动能变化可表示为 取则不同流动型态下的和的计算方法不同 为此 计算中首先要判断流动形态 表2 2流型界限 无因次气体流速 泡流界限 段塞流界限 雾流界限 如果LB 0 13 则取LB 0 13 2 3 2平均密度及摩擦损失梯度的计算 1 泡流平均密度 气相存容比 含气率 Hg 管段中气相体积与管段容积之比值 液相存容比 持液率 HL 管段中液相体积与管段容积之比值 滑脱速度 气相流速与液相流速之差 则泡流摩擦损失梯度按液相进行计算 摩擦阻力系数f可根据管壁相对粗造度 D和液相雷诺数Ne查图 液相雷诺数 2 段塞流滑脱速度可用Griffith和Wallis提出的公式计算 泡雷诺数 图2 21摩擦阻力系数曲线 图2 22C1 Nb曲线 C2是根据泡雷诺数及雷诺数来确定 段塞流的摩擦梯度 3 过渡流过渡流的混合物平均密度及摩擦梯度是先按段塞流和雾流分别进行计算 然后用内插方法来确定相应的数值 图2 23C2 NRe 曲线 4 雾流雾流混合物密度计算公式与泡流相同 由于雾流的气液无相对运动速度 即滑脱速度接近于雾 基本上没有滑脱 摩擦梯度 雾流摩擦系数可根据气体雷诺数和液膜相对粗糙度由图查得 2 4计算井筒多相管流动的Beggs Brill方法 Beggs Brill方法可用于水平 垂直和任意倾斜气液两相管流动计算 水平管气液两相流的全部流型 根据气液分布状况和流动特性 归并为三类 分离流 分层流 波状流 环状流间歇流 团状流 段塞流分散流 泡流 雾流 图2 25气液两相水平管流型 2 4 1基本方程 在假设气液混合物既未对外作功 也未受外界功的条件下 单位质量气液混合物稳定流动的机械能量守恒方程为 1 位差压力梯度 消耗于混合物静水压头的压力梯度 HL 持液率 在流动的气液混合物中液相的体积份数 2 摩擦压力梯度 克服管壁流动阻力消耗的压力梯度 3 加速度压力梯度 由于动能变化而消耗的压力梯度 忽略液体压缩性 考虑到气体质量流速变化远远小于气体密度变化 4 总压力梯度 Beggs Brill方法的基本方程 2 4 2Beggs Brill方法的流型分布图及流型判别式 Beggs Brill将水平气液两相管流的方程流型归为三类 分离流 包括层状流 波状流和环状流 间歇流 包括团状 弹状 流和段塞流 分散流 包括泡流和雾流 修正后的流型图 虚线 用四条线L1 L2 L3和L4分成四个流型区 在分离流与间歇流之间增加了过渡区 图2 26Beggs Brill流型分布图 表2 4Beggs Brill法流型判别 2 4 3持液率及混合物密度确定 1 持液率Beggs Brill方法计算倾斜管流时首先按水平管计算 然后进行倾斜校正 实验结果表明 倾斜校正系数不仅与倾斜角有关 而且与无滑脱持液率 弗洛德数及液体速度数有关 表2 5a b c常数表 图2 27不同EL下的倾斜校正系数 根据实验结果回归的倾斜校正系数的相关式如下 对于垂直管 系数C与无滑脱持液率 弗洛德数和液相速度数有关 表2 6系数d e f g 对于过渡流型 则先分别用分离流和间歇流计算出之后采用内插法确定其持液率 利用持液率可由下式计算流动条件下混合物实际密度 2 4 4阻力系数 气液两相流阻力系数与无滑脱气液两相流阻力系数的比值与持液率和无滑脱持液率 入口体积含液率 之间的关系 当1 y 1 2时 两相流动的雷诺数 也可用Moody图上的光滑管曲线来确定 气液两液流阻力系数 图2 28Beggs Brill方法按压力增量迭代计算流程框图