井筒温度场研究

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两相对流换热系数的加强是由于气相的增加， 定义为������������ 在泡流和间歇流中快速增加，在环状流中缓慢增加。 2.2.2 两相对流换热系数的相关式
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的研究成果。 影响气液两相流流型的因素 影响流型的因素很多，主要有以下几项：流体的物理性质、流量和流道 的几何形状等。下面分别说明各因素对流型的影响。 1.流体流量 各相流体的流量及比例是影响流型的最主要因素。对于直径一定的管线 而言，流量的大小可以通过各相的表观速度来表示。不同的气液表观速度可 能导致管路中不同的流型。目前，大多数工业流型图都是根据各相表观速度 来划分的。 2.流体的物理性质 流体的流型转换与其物理性质有着密切的联系。在气液两相流动中，液 相粘度对流型的影响较大。在恒定液体流速下，液体粘度越大，由气泡流转 变为冲击流所需要的气体流量越小。另外，气相和液相的密度比也会在不同 程度上影响流型的变化。 3.管径 管径对流型过渡区的影响很大。在气液两相流中，当管径加大时，需增 大液相表观速度才能获得段塞流。此时，如果气速较小则可获得环状流。在 气体表观速度很大时，管径对流型的影响将变得很微弱。管径对流型的影响 还表现为对各相间作用力的影响，相间作用力与流体润湿角密切相关，而管 径则是决定润湿角大小的重要因素。 4.管子倾角 管子倾角对流型转变有非常重要的影响 ，Shoham 用实验说明了在层流向 非层流的转变过程中，即使管子倾角发生很小的改变，也会对流动型态有很 大影响。 井筒温度场研究
越大， 的增加
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前言概述 井筒多相流体的物性参数和流变特性参数等均是温度的敏感函数 ， 因此， 精确计算井筒多相流体的温度分布是准确预测其压力分布、进行油井生产参 数优化设计和工况分析等的重要基础。 近年来，热力采油工艺在国内外许多油田得以应用，对井筒温度场的计 算方法也越来越精确 。 目前有不少文献介绍过井筒温度场的计算方法 。 从 1962 年雷米(Ramey)的文章发表以来，国内外己经建立了许多井筒热传递的数学模 型并取得了一定的成果。这些井筒温度场计算理论大多数是基于传热学和垂 直管两相流理论，温度场的计算数学模型也是根据传热学理论和两相管流模 型计算理论导出，也有些学者在流型基础上运用数学理论解析法得到相关计 算数学模型。 由于不同的气液两相流模型具有不同的水动力学和传热特性，因而研究 管内气液两相流流型对于存在气液两相流的井筒内两相对流换热系数的计算 也是十分必要的。 气液两相流的流型 2 垂直井筒气液两相流流型划分 油气混和物的流动结构是指流动过程中油、气的分布状态，简称流型。 它与油气体积比、流速及油气的界面性质有关。不同流动结构的混和物有各 自的流动规律。在垂直井筒的气液两相管路中，划分三种流型，如图 2-1 所 示。在垂直管路中，层流消失，轴向上流型更加均衡，受重力影响不大。对 于垂直管路中的泡流，其特点是气体为分散相，液体是连续相；气体主要影 响混和物密度，对摩擦阻力的影响不大；滑脱现象比较严重。对于段塞流， 它的流动沿轴向均衡，大管径的 Taylor 泡几乎相当于管径；其中气体呈分散 相，液体是连续相，气液交替出现。对于环状流，气液两相是连续的，气体 的举油作用主要是靠摩擦携带。
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由于气液两相流动具有可变形的界面和一个可压缩的气相，使其成为两 相流动中最复杂的一种。资料分析表明，井筒气液两相垂直管流的研究大多 集中于 20 世纪七八十年代，进入八十年代后的研究较少；六十年代以后的研 究多数都集中在考虑流动型态的气液两相和油、水、气三相流动的力学模型 研究之上，有些研究是在特定条件下将油、水整体作为液相与气相组成的简 化两相流动。先期的大多数研究只是基于实验室数据或是局部现场数据的汇 总和数学处理，因而所得到的每一种模型在精度及实用性等方面都有其自身 的局限性；而近十多年的相关研究表明，依靠扩充的现场油井数据库，结合 不同流态转化的经典表达式所进行的预测，结果相当令人满意，并且能很好 地与实际数据相吻合。 Orkiszewski 对已经发表了的几种主要方法加以分析综合之后，提出了 自己的方法。Orkiszewski 认为垂直管中三相流体有四种流动型态：⑴泡流， 气体为分散相，液体为连续相； （2)段塞流，气体为分散相，液体为连续相； (3)过渡流，一段气相，一段液相，无连续相； （4)环雾流，液体为分散相，气 体为连续相。 Aziz、Govier 和 Fogarasi 提出了另一种方法：将油气井中的流动型态 划分为泡状流、弹状流、过渡型态、环状流和雾状流，建立了这些流型之间 的转变界限。并在在密度和摩擦损失项中，通过气液两相分离作用，引入当 地气相体积因素。 Ansari 等对井筒中的气液两相流动进行了研究，他们在前人工作的基 础上，给出了井筒中气液两相流的流型预测方法，并对各种流动型态的流动 机理和特点进行了分析 ， 建立了描述泡状流 、 段塞流和环流流动特性的模型。 对于垂直向上流动，在理论模型方面有：Taitel 和 Duklert、Mcquillan 和 Whalley、Mishima 和 Ishii、Bilicki 和 Kestin、Hasan 和 Kabir 等人的研究。 我国西安交通大学的陈宣政等人也从各流型流动机理方面入手，取得了一定
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H.J.Ramey，Jr.和 Sater 通过建立和使用更符合实际情况的简化的井筒传 热模型，建立了井眼温度与深度和注入时间的函数关系式，它是在只有油管 或套管内有流体流动，而地层没有流体流动的条件下建立起来的。 R.J.Stefensen 和 R.C.Smith 讨论了不同注水环境下的温度分布规律以及井 喷、射孔等对井筒温度剖面的影响。 汪泓运用传热学理论，通过对稠油从井底流出井筒的温度变化、井筒原 油与地层之间热交换过程的传热机理研究，建立数学模型，可以模拟不同产 量、不同含水的井筒温度剖面，以及电加热所需功率，从而为稠油井电加热 生产方案的制定提供科学依据。 徐玉兵、崔孝秉对一般井况的热采工艺进行了分析计算，并根据计算结 果提出了相应的工艺原则，为注蒸汽热力工艺参数的设计提供了一定的理论 基础。他们利用两相流理论和传热学原理分别建立了基本符合现场实际的注 蒸汽井筒(包括井筒外部受热地层)的温度场分布模型及井筒内部的蒸汽流动 模型。 杨德伟、黄善波等人根据传热学和两相流原理，建立了井筒注蒸汽两相 流动的数学模型。准确地预测注蒸汽井井筒内蒸汽的压力、温度和干度等参 数的变化；选择了四种方法来计算摩阻压降，并与现场测得的实际数据进行 了比较。计算结果表明，采用分离模型的 Friedel 方法和流型模型的 B-B 方法 均能得出比较理想的结果。 曲海潮等人提出了利用简便易行的热阻热容算式取代传统使用的有限差 分法来离散建立的数学模型，模拟研究中，综合考虑了热传导、对流换热、 热辐射等传热方式，并根据实际情况将导热系数、液体密度、比热等热物性 参数当作变量来处理。 高学仕利用有限元分析软件 ANSYS 分析了井筒的瞬态传热，分析结果 表明，随着注入的进行，在模型任意位置的径向热流量均逐渐减小，能量损
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两相对流换热系数主要体现在不同的经验或实验关系式上，主要分为以 下四个方面： 1.针对两相流传热的修正 Sieder-Tate 相关式 由于许多研究者认为两相流的传热机理与单相流非常类似,所以 Sieder-Tate 建立的单相传热相关式被修正以满足两相传热的数据。在对该式 进行修正的过程中，人们一般在因次分析的基础上引入另外的无因次量，或 者采用均相模型或分相模型的概念来修正单相流参数。 Groothuis 和 Hendal 对气液混合物(空气一水和空气一汽油)的传热进行了 研究 ， 并依据结果提出了经验关联式 。 他们指出经验关联式会影响实验结果， 并将空气一水和空气一汽油的两相传热系数分别换算到 140℉和 203℉的壁 温条件下。 Shah 提出了覆盖较宽流动参数的层流和湍流条件下两相流换热系数的 相关式。Elamvaluthi 和 Srinivas 得到了非沸腾条件下两相流压降以及单相流 和两相流传热的实验数据。水一空气和空气一甘油的两相流压降数据符合 Lockhart-Martinelli 相关式。 2.传热的 Lockhart-Martinelli 型相关式 该方法中 ， 两相传热数据应用 Lockhart 和 Martinelli 提出的两相流与单相 流压降之比来关联。该方法采用两个参数来反映流动特征：两相流与单相流 的压降之比 φ ， φ= ������������ Ψ=������������
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Fired 研究了水平管道中空气一水混合物(两相都为湍流)的流动和传热规 律，他们采用两相传热系数与单相换热系数的比值(������ )及两相摩擦压降比率 (������ 2 )之间的关系来处理试验结果。换热系数由对数平均温差和积分平均温差 来计算，且作者认为后者更为准确。 Serizawa 等研究了径向湍流热扩散系数以分析单相流和气一水两相流内 管道中心区域气泡对传热系数的影响。他们认为在热量、动量以及气泡的传 递过程中，液相的湍流速度成分是主要的影响因素。 Vijay 等采用甘油一空气、水一空气、水一氦气以及水一氟利昂 12 进行 了垂直向上管道中的两相两组分强迫对流试验。他们采用 Fried 针对水平两 相两组分流动提出的坐标系来处理数据，并得到了 Lockhart-Martinelli 形式的 传热相关式。 3. 包含空隙率参数的两相流换热相关式 该类方法的某些相关式是基于以下假设：引入加热段的气体仅仅起到加 速液相的作用，且热量主要由液相传递和携带。这样，两相传热的机理可以 看作向加热段中以实际平均流速(而非表观流速)流动的单相液流的传热。因 此，空隙率参数便出现在两相传热相关式中。然而，研究人员在各自的相关 式中采用不同的单相流换热相关式会导致无因次系数和指数的微小差别。另 外，也有些研究者将两相流传热机理直接与气液两相的瞬时流量比相关。这 样，他们将空隙率或持液率作为两相传热的一个参数。 Hughmark 依据气相段塞速度和液相段塞雷诺数的关系建立了水平气液 段塞流的换热系数相关式。他假设全部的管壁被液相润湿且在液相和管壁之 间为连续的液体，因而也仅仅存在管壁和液相段塞之间的传热。他们在得到 两相摩擦系数的基础上采用了动量和热量传递相似的理论。 Aggour 采用不同的气体研究了气相密度对垂直管道中两相流的局部平 均换热系数、压降和流型的影响。他们提供了流型的照片以及与之相对应的