井筒气液两相流基本概念

第二节井筒气液两相流基本概念

一、教学目的

掌握井筒气液两相流动的特点、流态及其特征；井筒气液两相流动中能量平衡方程的推导以及压力分布计算的方法（按压力增量迭代和按深度增量迭代方法）。

二、教学重点、难点

教学重点：

1、气液两相流的特性；

2、井筒气液两相流动的能量平衡方程。

教学难点：

1、滑脱及其特征；

2、气液两相流动的能量平衡方程。

三、教法说明

课堂讲授并辅助以多媒体课件展示相关流态图形。

四、教学内容

本节主要介绍两个方面的问题：

1.井筒气液两相流动的特性.

2.井筒气液两相流能量平衡方程及压力分布计算步骤.

(一) 井筒气液两相流动的特性

相的概念: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有界面隔开。

例如：水--冰系统、泥浆、油--气--水等均是多相体系

油气是深埋于地下的流体矿藏。随压力的降低，溶解气将不断从原油中逸出，因此，井筒中将不可避免地出现气液两相流动。采油设备的优化设计和工况分析、油气集输设计等都离不开气液两相流的理论与计算方法。

2、气液混合物在垂直管中的流动结构——流动型态的变化

流动型态（流动结构、流型）：

流动过程中油、气的分布状态。

影响流型的因素：

气液体积比、流速、气液界面性质等。

①纯液流

当井筒压力大于饱和压力时，天然气溶解在原油中，产液呈单相液流。

②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。

滑脱现象：

混合流体流动过程中，由于流体间的密度差异，引起的小密度流体流速大于大密度流体流速的现象。

如：油气滑脱、气液滑脱、油水滑脱等。

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，对摩擦阻力影响不大；

滑脱现象比较严重。

③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，井筒内将形成一段液一段气的结构。

特点：气体呈分散相，液体呈连续相；

一段气一段液交替出现；

气体膨胀能得到较好的利用；

滑脱损失变小；

摩擦损失变大。

④环流

油管中心是连续的气流而管壁为油环的流动结构。

特点：气液两相都是连续相；

气体举油作用主要是靠摩擦携带；

摩擦损失变大。

⑤雾流

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。

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。

总结：

油井生产中可能出现的

流型自下而上依次为：纯油

(液)流、泡流、段塞流、环流

和雾流。

实际上，在同一口井内，

一般不会出现完整的流型变

化。

3、滑脱损失概念

因滑脱而产生的附加压

力损失称为滑脱损失。

g l f f f +=

g g g f v Q =

l l l f v Q =

无滑脱时：m l g v v v == g g g f v Q = l l l f v Q =

)(g l l l g

g l l m f

f f f f ρρρρρρ>>=+=' 由于有滑脱时，气体流速大，液体流速小，为了保持体积流量不变，气体过流断面将减小，而液体的过流断面将增加，即：

有滑脱时：l g v v > m m

ρρ<' f f f f f g l l l m ρρρ)()(∆-+∆+=)(g l l l l f

f f f ρρρρ>>∆+= 单位管长上滑脱损失为：m m m ρρρ'-=∆ l m f

f ρρ∆=∆

1

倾斜多相管流断面1和断面2的流体的能量平衡关系为：

2222221121112

sin 2sin V p mv mgZ U q V p mv mgZ U +++=-+++θθ

0)(sin =-+++dq pV d dZ mg mvdv dU θ

w dI pdV dq dU +-=

0sin =+++w dI dZ mg mvdv Vdp θ

0sin 1

=+++w dI dZ g vdv dp θ

随压力的增加，

油相被压缩，体积减小，水可视为不可压流体。

油相体积增为不可压流体。随压力的增加，油相被压

b p p >

某不饱和油藏单井生产时，地面油产量Q o，生产气油比R p，不含水，井口温度和压力分别为T0和p0，需要确定井筒中某点(压力和温度为T和p)油相和气相的实际体积流量和物性参数，为压力梯度计

2

质参数，然而，这些参数又是压力和温度的函数，压力却又是计算中需要求得的未知数。所以，多相管流通常采用迭代法进行计算。

有两种不同的迭代途径：按深度增量迭代和按压力增量迭代。

1)按深度增量迭代的步骤

①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∆p(0.5 -1.0MPa)。

②估计一个对应的深度增量∆h估计，计算与之对应的温度。

③计算该管段的平均温度及平均压力，并确定流体性质参数。

④计算该段的压力梯度dp/dh。

因。掌握了气液两相流动中能量平衡方程的推导过程，了解了井筒压力计算的方法。

六、教学参考书

1、张琪主编.采油工程原理与设计. 中国石油大学出版社.