1 两相垂直管流实验

两相垂直管流实验

气举井及绝大多数自喷井的油管中流动的都是油—气或油—气—水三相混合物。对采油来说，油、气、水混合物在油管中的流动规律——多相垂直管流理论是研究自喷井、气举井生产规律的基本理论。在许多情况下，油井生产系统的总压降大部分是用来克服混合物在油管中流动时的重力和摩擦损失。它不仅关系到油井能否自喷，而且决定着用自喷和气举方法可能获得的最大产量。为了掌握油井生产规律及合理地控制和调节油井工作方式，必须熟悉气—液混合物在油管中的流动规律。

在油气田开发过程中，为了充分利用天然资源和取得好的经济效果，或者要进行油气田动态分析，拟订油气田的增产及提高油气田采收率，高速度、高水平地开发油气就必须深入细致地研究地层—油管—油嘴生产衔接与协调，研究多相流在井筒中的流态变化。使生产井的工作制度同地层变化了的情况协调起来，只有通过各个生产井的各种变化并把它们综合起来进行分析，才能为整个油气田动态分析提供准确的资料和依据，并对各个注采井提出有效的工艺措施，不断完善开发方案，改善油气田开发效果。

该实验就是研究气、液两相在垂直井筒中的流态变化及观察模拟井筒气体膨胀能参与举升液体的现象，抓住观察到的现象综合分析，并对所作的气量与液量的关系曲线作出解释。

一、实验原理

在多相垂直管流中，沿井筒自下而上随着压力不断降低，气体则不断从液体中分离出来，以及压力降低气相体积流量逐渐变大。随着液气流沿井筒上升，压力逐渐降低气体随之膨胀，不断释放出气体弹性膨胀能量，该能量要参与举升液体，膨胀能的大小与气量多少、压力变化范围有关。

该实验是研究液气两相在模拟垂直井筒中的流动变化。也是利用气体膨胀能量来举升液体的实验，它依靠两种作用：一种是气体作用于液体上，垂直地顶推液体上升；另一种是靠气体与液体之间的摩擦作用，气体携带液体上升。其能量来源除压能外，气体膨胀能是个很重要的方面。因在管径不变的油管中，举升一定的油量，则单位管长上所消耗的总压头，是随着气量的不同而变化的，而只有在某一气量下，举升一定气量的液体所必须消耗的压头最小。

该实验是以Φ32的有机玻璃管来模拟实际油管，并采用恒位水箱保持井筒静水压头不变，也就是在一定直径的垂直管中保持静水压头不变，利用气体的膨胀能来举升液体。由于压头不变，所以管鞋压力P1=C（常数），其气举垂直管的管口压力P2=1at。因此，气举管压差为P1-P2=C，既保持位常数。

换言之，气举管所具有的举液能量是一个常数。因此，v/q不同，混合物的流态是变化的。

这里所讲的流态，即气液两相在垂直管中的流动结构或者说是流动形态，是指气液两相流动过程中其分布状态。在液体延井筒流动的过程中，压力随之逐渐降低，气体从液体中分离出来的数量愈来愈多，其体积愈来愈大，随着气体和流速的增加，垂直井筒中可能出现多种流态。最常见的一种流态划分有：纯液流、泡流、段塞流、环流（又称过渡流）、雾流。（见图1—1所示）

1、纯液流

当井口压力Pwh大于饱和压力Pb时，液体沿井筒上升到井口是靠井底压力（即静水压头）的作用，此时只有纯液体在管内流动。见图1—1（a）。但事实上，一般油井井口压力Pwh都是小于饱和压力Pb的。

2、泡流

一般情况下，当井底压力Pwf稍低于饱和压力Pb，或者当井底压力Pwf高于饱和压力Pb，而在井筒内压力低于饱和压力的断面上，连续的液体相中包含分散的气泡（即自由气），但由于气量并不多，而且又是处于高压下，所以多半是以气泡状存在液相中，由于气体比液体轻得多，气泡所占垂直管断面的比值也很小，流速也不大，所以气泡很容易从液体中滑脱而过。因此，滑脱损失比较大，因流速不大，故摩擦阻力小。见图1—1（b）。

3、段塞流

混合物继续上升，压力逐渐下降，气体进一步膨胀小气泡合并成大气泡直到能占据整个垂直管断面时，垂直管中将形成一段液体一段气的段柱状结构，这时气体托着液体上升，气体的膨胀作用能得到很好的发挥，对液相有很大的举升力。这种流态是自喷井中的主要流动结构。

但是这种气柱只能象一个漏活塞一样，一边采油，一边油还要漏下来，

不可能将其上面的液体全部举出去，这也是滑脱损失，但比泡流小得多。摩擦损失因流速增大面增加，见图1—1（c）。

4、环流(又称过渡流)

混合物沿井筒继续上升，随着压力的降低，气量再度增加并不断膨胀，气体的柱塞不断加长，逐渐从井筒中央突破，形成中心为连续气流，而四周管壁为环状液流。此时，气流上升的速度增大，气体靠它与液体之间的摩擦携带着液体上升。在该流态时，气体携带液体的能力仍很高，滑脱损失降低，摩擦损失因流速上升而增大。见图1—1（d）。

5、雾状流

当压力再度下降，气量继续增加。中心气柱将完全占据井筒断面，此时液流以极细的液滴分散于气柱中，即气相为连续相，而液相为分散相，气体的膨胀能表现为以很高的流速将液体携带到地面。见图1—1（e）。

这种流态时，摩擦损失很大，滑脱损失因二者相对速度不大而较小。

应当指出的是，上述五种流态，不一定在每口自喷井都会同时出现，而且在一口井中，井筒压力变化、油井工作制度改变都会使其流态发生变化。

二、实验内容

1、观察垂直管内气、液两相流态。

2、测定在不同气量下的产液量和观察每一试验点的流态。

3、按流态界限数判别流态，并与实际观察到的流态比较。

4、在进行定量实验研究时，绘制液体体积流量与气体体积流量的关系曲线(Q—V曲线)，并确定始喷点、停喷点，最高效率点和最大产量点。

三、实验装置及流程

实验装置如图1—2所示，即气液两相垂直管流态演示仪。

水箱供水至井筒某一恒定位置，打开气源开关，通过转子流量计与压力表计量。开启供气电磁阀给井筒供气，利用气体弹性膨胀能将掖体举升出井口，再通过测液箱计量液体体积并从计时器上计录下定体积的时间。通过数据处理，即可得到一定气量下的产出液量。

四、实验操作步骤

1、开启空气压缩机以产生工作气源，调节压力设定选钮，使气源压力为一定值(MPa)；

2、打开仪器面板上的电源开关，打开水箱供水开关和供液开关，此时将向恒位水箱和模拟井筒供水。恒位水箱供水由装置自动控制，打开水箱供水开关后便可将水位维持在恒定位置。

3、将流量调节旋钮逆时针旋转到初始位置，然后顺时针旋转1~2圈，

待水位上升到标定高度后打开供气开关，此时可通过调节流量调节旋钮控制气体流量（逆时针为减小，顺时针为增大）来观察模拟井筒内的流态变化。

4、当对产液进行定量分析时，打开测量开关，此时计时器开始计时，测液水箱进水，记录流量计读数。待计时器时间停止计时后，关闭测量开关，记录计时器读数。

5、调节气量，待气液相相对稳定后重复步骤4。

结束实验时，首先关闭空气压缩机，水箱供水开关和供液开关，打开放空开关。待气液放完后，关闭供气开关，关闭电源，结束实验。

五、注意事项：

1、严格遵守实验室规则，未经教师允许不得随便开启各开关、仪器按钮，不得任意旋转仪器上的旋钮。

2、实验前一定要弄清楚实验流程及其仪器、仪表、设备的功用；检查仪器设备的开关、旋钮的位置是否符合要求。严格按照实验操作部骤进行实验。

3、试验过程中，调节气量一定要有小到大逐渐慢开启控制阀，不得突然增大，以防损坏流量计和造成事故。

4、计时器停止计数后，必须立即关闭供气电磁阀，打开测液箱排液电磁阀，以防测液箱液体溢出。

5、电磁阀电路皆为220V交流电，控制台后禁止站立和来往。

6、稳压电源电压只能最大选用12V档，不得超过该值，以免烧坏仪器和造成其他事故。

7、实验中，如发生什么故障，应立即关掉电源和供气阀等，在指导教师的指导下排除故障。

两相垂直管流实验报告