东北石油大学石油工程课程设计采油工程部分井筒压力分

东北石油大学课程设计任务书课程石油工程课程设计题目井筒压力分布计算专业石油工程姓名赵二猛学号100302240115主要内容、基本要求、主要参考资料等1.设计主要内容：根据已有的基础数据，利用所学的专业知识，完成自喷井系统从井口到井底的所有相关参数的计算，最终计算井筒内的压力分布。

①计算出油井温度分布；②确定平均温度压力条件下的参数；③确定出摩擦阻力系数；④确定井筒内的压力分布；2. 设计基本要求：要求学生选择一组基础数据，在教师的指导下独立地完成设计任务，最终以设计报告的形式完成本专题设计，设计报告的具体内容如下：①概述；②基础数据；③能量方程理论；④气液多相垂直管流压力梯度的摩擦损失系数法；⑤设计框图及结果；⑥结束语；⑦参考文献。

设计报告采用统一格式打印，要求图表清晰、语言流畅、书写规范，论据充分、说服力强，达到工程设计的基本要求。

3. 主要参考资料：王鸿勋，张琪等，《采油工艺原理》，石油工业出版社，1997陈涛平等，《石油工程》，石油工业出版社，2000万仁溥等，《采油技术手册第四分册－机械采油技术》，石油工业出版社，1993完成期限2013年7月1日—2013年7月20日指导教师张文专业负责人王立军2013年6月25日目录第1章概述 (1)1.1 设计的目的和意义 (1)1.2 设计的主要内容 (1)第2章基础数据 (2)第3章能量方程理论 (3)3.1 能量方程的推导 (3)3.2多相垂直管流压力分布计算步骤 (6)第4章气液多相垂直管流压力梯度的摩擦损失系数法 (8)4.1 基本压力方程 (8)4.2 平均密度平均流速的确定方法 (8)4.3 摩擦损失系数的确定 (11)4.4 油气水高压物性参数的计算方法 (12)4.5 井温分布的的计算方法 (16)4.6 实例计算 (17)第5章设计框图及结果 (21)5.1 设计框图 (21)5.2 设计结果 (22)结束语 (29)参考文献 (30)附录 (31)第1章概述1.1 设计的目的和意义目的：确定井筒内沿程压力损失的流动规律，完成自喷井系统从井口到井底的所有相关参数的计算，运用深度迭代方法计算多相垂直管流的压力分布。

意义：利用所学的专业知识，结合已有的基础数据，最终计算井筒内的压力分布。

对于油气井的优化设计、稳产高产及测试技术的预测性与精确性具有重要的现实意义。

1.2 设计的主要内容根据已有的基础数据，利用所学的专业知识，完成自喷井系统从井口到井底的所有相关参数的计算，最终计算井筒内的压力分布。

①计算出油井温度分布；②确定平均温度压力条件下的参数；③确定出摩擦阻力系数；④确定井筒内的压力分布；详见第四章。

第2章基础数据数据表见下表（表2-1）表2-1 基础数据表第3章 能量方程理论3.1 能量方程的推导流体流动系统都可根据能量守恒定律写出两个流动断面间的能量平衡关系： ︱进入断面1的流体能量︱+︱在断面1和2之间对流体额外所做的功︱-︱在断面1和2之间耗失的能量︱=︱从断面2流出的流体的能量︱根据流体力学及热力学,对质量为m 的任何流动的流体，在某一状态参数下（P 、T ）和某一位置上所具有的能量包括：内能U ；位能m g h ；动能22mv ；压缩或膨胀能PV 。

据此，就可以写出多相管流通过断面1和断面2的流体的能量平衡关系。

为了得到各种管流能量平衡的普遍关系，选用倾斜管流。

221211112222mv mv U m Z PV q U m Z PV θθ+g sin ++-=+g sin ++22（3-1）式中 m —流体质量，公斤； V —流体体积，3米； P —压力，帕；g —重力加速度， 2米秒；θ—管子中心线与参考水平面之间的夹角，度；Z — 液流断面沿管子中心线到参考水平面的距离，h Z θ=sin ，米；图1-1 流体流动示意图U —流体的内能，包括分子运动所具有的内部动能及分子间引力引起的内部位能以及化学能、电能等，焦尔；v —流体通过断面的平均流速，米/秒。

（3-1）式中，除了内能外，其他参数可用测量的办法求得。

内能虽然不能直接测量和计算其绝对值，但可求得两种状态下的相对变化。

根据热力学第一定律，对于可逆过程：d d d q U p V =+或d d d U q p V =-式中 d q 为系统与外界交换的热量；d U 和p d V 分别为系统进行热交换时，在系统内所引起的流体内能的变化和由于流体体积改变d V 后克服外部压力所做的功。

对于像我们这里所研究的这种不可逆过程来讲：r d d d d q q U p V +=+式中 d q r —摩擦产生的热量。

若以d l w 表示摩擦消耗的功，r w d d q l =，则由上式可得：d d d d w q U p V l =+-或d d d d w U q p V l =-+ （3-2）改写（3-1）式，可得到两个流动断面之间的能量平衡方程：2(sin )()02mv U mgZ PV q θ⎛⎫∆+∆+∆+∆-= ⎪⎝⎭（3-1a ）将（3-1a ）式写成微分形式：d d sin d ()d 0U mv v mg Z PV q θ+++∆-= （3-1b ）将（3-2）式代入（3-1b ）式，并简化后得：d d sin d d 0w V p mv v mg Z l θ+++= （3-3） 积分上式我们就可得到压力为P 1和P 2两个流动断面的能量平衡方程：()212w d sin 02P P mv V p mgZ L θ⎛⎫+∆+∆+= ⎪⎝⎭⎰（3-3a ）取单位质量的流体m =1，将1V ρ=代入（3-3）式后得：w 1d d sin d d 0p v v g Z l θρ+++= （3-3b ）式中 ρ—流体密度，3公斤米。

用压力梯度表示，则可写为：'w d d d sin 0d d d I p vv g Z Z Zρρθ+++= （3-4） 由此可得： 'w d d d sin d d d I pv v g Z Z Z ρρθ⎡⎤=-++⎢⎥⎣⎦式中d d pZ ——单位管长上的总压力损失（总压力降）； d d vv Zρ——由于动能变化而损失的压力或称加速度引起的压力损失； sin g ρθ——克服流体重力所消耗的压力；'w d d I Z——克服各种摩擦阻力而消耗的压力。

令 d =sin d p g Z ρθ⎛⎫⎪⎝⎭举高d d =d d p v v Z Z ρ⎛⎫⎪⎝⎭加速度'w d d =d d I p Z Z ⎛⎫⎪⎝⎭摩擦则d d d d =+d d d d p p p p Z Z Z Z ⎛⎫⎛⎫⎛⎫= ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭摩擦举高加速度根据流体力学管流计算公式2d =d 2p v fZ d ρ⎛⎫⎪⎝⎭摩擦式中 f ——摩擦阻力系数；d ——管径，米。

在Z 的方向为由下而上的坐标系中d d p Z 为负值，如果我们取d d p Z为正值，则 2d d sin d d 2p v v g v f Z Z d ρρθρ=++ （3-5） （3-5）式是适合于各种管流的通用压力梯度方程。

对于水平管流，因θ=0，d 0d p Z ⎛⎫= ⎪⎝⎭举高。

若用x 表示水平流动方向的坐标，则2d d d d 2p v v v f x x d ρρ=+ （3-6） 对于垂直管流，°=90θ,sin θ=1 ，若以h 表示高度，则2d d d d 2p v v g v f h h d ρρρ=++ （3-7） 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标“m”,则2m m m m m m m d d sin d d 2v v pg v f Z Z d ρρθρ=++ 式中 ρm ——多相混合物的密度； v m ——多相混合物的流速；f m ——多相混合物流动时的摩擦阻力系数。

单相垂直管液流的d d p Z ⎛⎫ ⎪⎝⎭加速度；单相水平管液流的d d p Z ⎛⎫ ⎪⎝⎭举高及d d p Z ⎛⎫⎪⎝⎭加速度均为零。

对于气-液多相管流，如果流速不大，则d d p Z ⎛⎫⎪⎝⎭加速度很小，可以忽略不计。

只要求得ρm 、v m 及f m 就可计算出压力梯度。

但是，如前所述，多相管流中这些参数沿程是变化的，而且在不同流动型态下的变化规律也各不相同。

所以，研究这些参数在流动过程中的变化规律及计算方法是多相管流研究的中心问题。

不同研究者通过实验研究提出了各自计算这些参数的方法。

3.2 多相垂直管流压力分布计算步骤按气液两相管流的压力梯度公式计算沿程压力分布时，影响流体流动规律的各相物理参数(密度、粘度等)及混合物的密度、流速都随压力和温度而变，而沿程压力梯并不是常数，因此气液两相管流要分段计算以提高计算精度。

同时计算压力分布时要先给出相应管段的流体物性参数，而这些参数又是压力和温度的函数，压力却又是计算中要求的未知数。

因此，通常每一管段的压力梯度均需采用迭代法进行。

有两种迭代方法：用压差分段、按长度增量迭代和用长度分段、按压力增量迭代。

用压差分段、按长度增量迭代的步骤是：1) 已知任一点(井口或井底)的压力0p 作为起点，任选一个合适的压力降p ∆作为计算的压力间隔；2) 估计一个对应p ∆的长度增量L ∆,以便根据温度梯度估算该段下端的温度1T ； 3) 计算该管段的平均温度T 及平均压力P ，并确定在该T 和P 下的全部流体性质参数；4) 计算该管段的压力梯度L p d d /5) 计算对应于P ∆的该段管长)//(Lp d d p L ∆=∆；6) 将第5)步计算得的L ∆与第2)步估计的L ∆进行比较，两者之差超过允许范围，则以计算的L ∆作为估计值，重复2)～5)的计算，直至两者之差在允许范围0ε内为止；7) 计算该管段下端对应的长度i L 及压力i pi L =∑=ni i L 1,p i p pi∆+=0(i=1,2,3,…,n)8) 以i L 处的压力为起点，重复第2)～7)步，计算下一管段的长度1+i L 和压力1+i p ，直到各段的累加长度等于或大于管长(n L ≥L)时为止。

第4章 气液多相垂直管流压力梯度的摩擦损失系数法4.1 基本压力方程摩擦损失系数法计算压力梯度的基本方程：2'm m m 2V Pg h D ρρλ∆=+∆ 式中 m ρ——计算段的混合物平均密度，kg/m 3；m V ——计算段的混合物平均流速，m/s ；'λ——计算段的摩擦损失系数，无因次； D ——管径，m ；g ——重力加速度，9.807m/s 2；Ph∆∆——计算管段的平均压力梯度，Pa/m 。

如果用混合物流量表示流速，则上式可写成：22'0t m 5m1.233q W P g h D ρλρ∆=+∆ 式中 q 0——地面脱气原油的产量，m 3/s ；W t ——随1 m 3地面脱气原油同时产出的油、水、气混合物的总质量，Kg/m 3；其他符号及单位同前。