石油气液两相管流 多相管流理论与计算
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采油工程：采油方式优化设计、采油设备的工况分析 （油气混合物在井筒中流动的压降和温度计算）
储运工程：油气集输管线的设计 （油气混合物在管线中压降和温度的计算）
自喷采油设计中的两相流计算
自喷采油示意图
(1) 油井能否自喷？
(2) 一定产量的油气混合物到 达井口时的剩余压力？
pt pwf ptp
pt 井口油压
•体系中存在相界面 两相之间也存在力的作用，出现质 量和能量的交换时伴随着机械能的损失 •两相的分布情况多种多样 两相流动中两相介质的分布 状况称为流型 •两相流动中存在滑脱现象 相间速度的差异称为滑脱， 滑脱将产生附加的能量损失 •沿程流体体积流量有很大变化，质量流量不变
单工质 （相同化学成分）
泥浆 油-气 油-气-水
液固两相流 气液两相流 气液液三相流
多工质 （不同化学成分）
多相流体流动遵循的规律与单相流体并不相同，需引入新 的理论来反映多相流体流动规律。
多相流应用领域
➢ 热能工程：锅炉系统、制冷系统、热管 ➢ 航天技术：平衡温差、保护设备 ➢ 核工业：汽液两相流动 ➢ 石油工业：两相渗流计算、井控设计、采油工艺设计、
二、多相流理论的研究简史
•石油工业中的多相流技术研究始于1950年左右,早期研究者 大多采用实验研究的方法，所使用的数据主要来自室内实验 和油田实际生产
•70年代，石油工业开始采用已在其它工业领域中使用的一些 物理机理来预测多相流的流型
物理现象
流动机理
控制方程（机理模型）
•80年代初，计算机的引入极大地促进了多相流的发展
•80年代中期应用高新技术及仪器进行多相流的模拟试验， 期望深入认识多相流动现象及流动机理，从而改进模型，提 高精度。
核密度计、超声波传感器、电导和光导探针、电容传感器、 激光多普勒测速仪、高速摄像机等。
西安交通大学 动力工程多相流国家重点实验室 • 目前，双流体瞬态模拟方法和精确描述物理现象的稳态机 理模型是多相管流研究的主要方法
探明世界石油储量的80％以上位于水深 500m的深水区，海洋平台造价高昂。
典型的海洋采油系统
固定平台
半潜式平台
张力腿平台
浮式生产储油（FPSO）船
海底管线
单点系泊
单点系泊
但当水深达到2000ft(约600m)时，其温度将下降至40℉(4.4℃)左右。油气 混合物的热量大量散失，温度会迅速降低，原油和油水乳状液的粘度会明显 增加，天然气水合物、蜡、沥青质等固态物质也可能在管道中析出并沉积。
物质形态(气态、液态、固态)
油水混合物： 从相的角度 区分为 油相、水相 从物质形态看同属液态
相
组分(指混合物中的各个成分 )
盐水：
从相的角度划分只有 液相
从组分划分可分为：水和NaCl 原油？
多相体系的类型
多相体系：水--冰、水—水蒸汽、泥浆、油气、油气水等
水-冰 水-水蒸汽
液固两相流 气液两相流
气举采油及井筒压力分布
有杆泵采油设计中的两相流计算
⑥
常规有杆泵生产
⑤
④ ③
①
②
地面驱动螺杆泵生产
海洋及深水采油中的多相流计算
近年来，随着陆地油气资源的日趋减少，石油和天然气勘 探开发已转向广阔的海洋。早期开发的海上油田都位于浅海水 域，采用的是固定平台采油系统。1965 年前，钻探活动一般 小于90m 水深。水下采油技术的发展不仅使深海石油开采成为 可能，同时大大降低了深海采油成本，目前深水(400~1500米) 和超深水(超过1500米)海域的油气开发，已成为美国、英国、 挪威、巴西等国竞相开展的热点。
流动保障 Flow Assurance
“流动保障” 确保油气的无阻塞流动并使系统的运行费用达 到最低。
保温材料
Pipe-in-Pipe
管线管束(flowline bundles)
渤海平均水深 18m,最深83m
黄海平均水深 44m,最深140m
东海平均水 深 370m, 最 深 2719m
南海平均水深 1212m, 最 深 5377m
第一章 概 论 第一节 引言
多相流理论
Multiphase Flow
多相流体力学理论
多相管流Βιβλιοθήκη Baidu
多相流体在管道中的流动
相 相是体系中具有相同化学组成和物理性质的一部 分， 与体系的其它均匀部分由界面隔开
多相流动 两相或两相以上的流体一同参与的流动
多相流动体系 两相或两相以上的流体一同参与流动的体系
相
油气集输 ➢ 化工行业：工艺设计 ➢ 其它行业：水利、粉状物管线输送…………
一、多相流理论在石油工业中的地位和作用
油气是深埋于地下的混合流体矿藏，因此，油气藏的开发与开采 离不开流体力学理论及其分枝——多相流理论。 石油工程(油气井工程和油气田开发工程)以及油气储运工程都 与多相流理论有着极为密切的联系。
第二节 气液两相管流的基本特征与研究方法
一、基本特征
1 气液两相流的分类
Gas-liquid two phase flow
依相态对流动 特性的影响分
•细分散体系 细小的液滴或气泡均匀分散在连续相中
•粗分散体系 较大的气泡或液滴分散在连续相中
•混合流动型 两相均非连续相
• 分层流动 两相均为连续相
2 气液两相流的基本特征
pwf 井底流压
ptp 两相流压降
pt ph 自喷生产 pt ph 机械采油(人工举升)
气举采油系统示意图
依靠从地面注 入井内的高压气体 与油层产出流体在 井筒中混合，利用 气体的膨胀使井筒 中的混合液密度降 低，将流到井内的 原油举升到地面。
pt pwf ptp
设计的原则： 最大限度地发挥油藏的潜 力和地面设备的能力，获 得最高的产油量。
举例来说，渗流理论、油气井压力控制、油气管流计算、举升参 数设计、工况分析、集输设计等，都离不开多相流的理论与计算 方法。
多相流理论是贯穿于石油开采全过程的基本理论
一、多相流理论在石油工业中的地位和作用
许多工程设计都将计算多相流体在管道中流动的压降和温度。
钻井工程：油气井压力控制 (含气泥浆的压降计算)
三、目前存在的问题
1、多相流问题未得到解析解 2、油气水三相流的研究不够深入 3、水平井段变质量流动研究较少 4、缺乏向下流动的综合机理模型 5、缺乏专用研究仪器
水平井示意图
课程主要内容
• 气液两相流基本概念 • 气液两相流的模型 • 油藏流体高压物性的计算 • 多相流体的温度分布计算 • 垂直气液两相管流压降计算 • 水平气液两相管流压降计算 • 倾斜气液两相管流的压降计算 • 专题（多相流实验及研究）
储运工程：油气集输管线的设计 （油气混合物在管线中压降和温度的计算）
自喷采油设计中的两相流计算
自喷采油示意图
(1) 油井能否自喷？
(2) 一定产量的油气混合物到 达井口时的剩余压力？
pt pwf ptp
pt 井口油压
•体系中存在相界面 两相之间也存在力的作用，出现质 量和能量的交换时伴随着机械能的损失 •两相的分布情况多种多样 两相流动中两相介质的分布 状况称为流型 •两相流动中存在滑脱现象 相间速度的差异称为滑脱， 滑脱将产生附加的能量损失 •沿程流体体积流量有很大变化，质量流量不变
单工质 （相同化学成分）
泥浆 油-气 油-气-水
液固两相流 气液两相流 气液液三相流
多工质 （不同化学成分）
多相流体流动遵循的规律与单相流体并不相同，需引入新 的理论来反映多相流体流动规律。
多相流应用领域
➢ 热能工程：锅炉系统、制冷系统、热管 ➢ 航天技术：平衡温差、保护设备 ➢ 核工业：汽液两相流动 ➢ 石油工业：两相渗流计算、井控设计、采油工艺设计、
二、多相流理论的研究简史
•石油工业中的多相流技术研究始于1950年左右,早期研究者 大多采用实验研究的方法，所使用的数据主要来自室内实验 和油田实际生产
•70年代，石油工业开始采用已在其它工业领域中使用的一些 物理机理来预测多相流的流型
物理现象
流动机理
控制方程（机理模型）
•80年代初，计算机的引入极大地促进了多相流的发展
•80年代中期应用高新技术及仪器进行多相流的模拟试验， 期望深入认识多相流动现象及流动机理，从而改进模型，提 高精度。
核密度计、超声波传感器、电导和光导探针、电容传感器、 激光多普勒测速仪、高速摄像机等。
西安交通大学 动力工程多相流国家重点实验室 • 目前，双流体瞬态模拟方法和精确描述物理现象的稳态机 理模型是多相管流研究的主要方法
探明世界石油储量的80％以上位于水深 500m的深水区，海洋平台造价高昂。
典型的海洋采油系统
固定平台
半潜式平台
张力腿平台
浮式生产储油（FPSO）船
海底管线
单点系泊
单点系泊
但当水深达到2000ft(约600m)时，其温度将下降至40℉(4.4℃)左右。油气 混合物的热量大量散失，温度会迅速降低，原油和油水乳状液的粘度会明显 增加，天然气水合物、蜡、沥青质等固态物质也可能在管道中析出并沉积。
物质形态(气态、液态、固态)
油水混合物： 从相的角度 区分为 油相、水相 从物质形态看同属液态
相
组分(指混合物中的各个成分 )
盐水：
从相的角度划分只有 液相
从组分划分可分为：水和NaCl 原油？
多相体系的类型
多相体系：水--冰、水—水蒸汽、泥浆、油气、油气水等
水-冰 水-水蒸汽
液固两相流 气液两相流
气举采油及井筒压力分布
有杆泵采油设计中的两相流计算
⑥
常规有杆泵生产
⑤
④ ③
①
②
地面驱动螺杆泵生产
海洋及深水采油中的多相流计算
近年来，随着陆地油气资源的日趋减少，石油和天然气勘 探开发已转向广阔的海洋。早期开发的海上油田都位于浅海水 域，采用的是固定平台采油系统。1965 年前，钻探活动一般 小于90m 水深。水下采油技术的发展不仅使深海石油开采成为 可能，同时大大降低了深海采油成本，目前深水(400~1500米) 和超深水(超过1500米)海域的油气开发，已成为美国、英国、 挪威、巴西等国竞相开展的热点。
流动保障 Flow Assurance
“流动保障” 确保油气的无阻塞流动并使系统的运行费用达 到最低。
保温材料
Pipe-in-Pipe
管线管束(flowline bundles)
渤海平均水深 18m,最深83m
黄海平均水深 44m,最深140m
东海平均水 深 370m, 最 深 2719m
南海平均水深 1212m, 最 深 5377m
第一章 概 论 第一节 引言
多相流理论
Multiphase Flow
多相流体力学理论
多相管流Βιβλιοθήκη Baidu
多相流体在管道中的流动
相 相是体系中具有相同化学组成和物理性质的一部 分， 与体系的其它均匀部分由界面隔开
多相流动 两相或两相以上的流体一同参与的流动
多相流动体系 两相或两相以上的流体一同参与流动的体系
相
油气集输 ➢ 化工行业：工艺设计 ➢ 其它行业：水利、粉状物管线输送…………
一、多相流理论在石油工业中的地位和作用
油气是深埋于地下的混合流体矿藏，因此，油气藏的开发与开采 离不开流体力学理论及其分枝——多相流理论。 石油工程(油气井工程和油气田开发工程)以及油气储运工程都 与多相流理论有着极为密切的联系。
第二节 气液两相管流的基本特征与研究方法
一、基本特征
1 气液两相流的分类
Gas-liquid two phase flow
依相态对流动 特性的影响分
•细分散体系 细小的液滴或气泡均匀分散在连续相中
•粗分散体系 较大的气泡或液滴分散在连续相中
•混合流动型 两相均非连续相
• 分层流动 两相均为连续相
2 气液两相流的基本特征
pwf 井底流压
ptp 两相流压降
pt ph 自喷生产 pt ph 机械采油(人工举升)
气举采油系统示意图
依靠从地面注 入井内的高压气体 与油层产出流体在 井筒中混合，利用 气体的膨胀使井筒 中的混合液密度降 低，将流到井内的 原油举升到地面。
pt pwf ptp
设计的原则： 最大限度地发挥油藏的潜 力和地面设备的能力，获 得最高的产油量。
举例来说，渗流理论、油气井压力控制、油气管流计算、举升参 数设计、工况分析、集输设计等，都离不开多相流的理论与计算 方法。
多相流理论是贯穿于石油开采全过程的基本理论
一、多相流理论在石油工业中的地位和作用
许多工程设计都将计算多相流体在管道中流动的压降和温度。
钻井工程：油气井压力控制 (含气泥浆的压降计算)
三、目前存在的问题
1、多相流问题未得到解析解 2、油气水三相流的研究不够深入 3、水平井段变质量流动研究较少 4、缺乏向下流动的综合机理模型 5、缺乏专用研究仪器
水平井示意图
课程主要内容
• 气液两相流基本概念 • 气液两相流的模型 • 油藏流体高压物性的计算 • 多相流体的温度分布计算 • 垂直气液两相管流压降计算 • 水平气液两相管流压降计算 • 倾斜气液两相管流的压降计算 • 专题（多相流实验及研究）