22井筒气液两相流

简化后得： VdP mvdv mg sindZ dlw 0
U 2 , P2 ,V2
m
V2 2
2
, mgh2
U1, P1,V1
m
V2 1
2
,
m gh1
图2-19 倾斜管流能量平衡关系示意图
取单位质量的流体m=1：
1

dP

vdv

gቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
sindZ

dlw

0
令
dP ( dZ )举高
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，气泡直径相对 于油管直径要小很多。这种结构的混合物的流动称为泡流。
滑脱现象：混合物向上流动时，由于油、气密度的差异,气
泡上升速度大于液体流速，气泡将从油中超越而过，这种 气体超越液体上升的现象称为滑脱。
图2-16 气体混合物的流动结构(流型)示意图
m

Ql l
Ql
Qg g
Qg
• 通过每个断面的液体和气体流量应分别等于各自的真
实流速(o、g)与流过断面的乘积。
图2-18 气液两相流流动断面简图
在无滑脱时，
f fg fl
vo vg vm
Qg Ql vm f
m
fl l fg g
fl fg
雾流的特点：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。
• 油井中可能出现的流型自下而上依次为：纯油流、泡 流、段塞流、环流和雾流。
• 实际上，在同一口井内，不会出现完整的流型变化。 环流和雾流只是出现在混合物流速和气液比很高的情 况下。
泡流的特点：气体是分散相，液体是连续相；气体主
要影响混合物密度，对摩擦阻力的影响不大；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，井筒内将形成一段油一段气的结构。
段塞流的特点：气体呈分散相，液体呈连续相，炮弹
状的大气泡托着油柱向上流动，象一个破漏的活塞向 上推油。油、气间的相对运动要比泡流小，滑脱也小。
2.2井筒气液两相流基本概念
2.2.1井筒气液两相流动的特性
(1)与单相液流的比较 单相流：当油井的井口压力高于原油饱和压力时，井筒内
流动着的是单相液体。其流规律与普通水力学中单相液 体的流动规律完全相同。
气液两相流：
• 井底压力低于饱和压力时，油管内部都是气-液两相流动； • 井底压力高于饱和压力而井口压力低于饱和压力时，油
如果忽略气体的密度，则
m

fl f
l
液相的流动断面增大将引起混合物密度的增加。
假定：存在和不存在滑脱两种情况下液、气体积流量不
变。有滑脱时，气体流速大，液体流速小，为保持体
积流量不变，气体过流断面将减小为 f g ，液体的过流
断面将增加为 f1。考虑滑脱后分相过流断面的变化：
f fl fl ( fg fg )
• 一般自喷井内，段塞流是主要的。
图2-17 油气沿井筒喷出时的流型变化示意图
(3)滑脱损失的概念
• 因滑脱而产生的附加压力损失称为滑脱损失。 m m m
m 有滑脱时混合物的密度 m 不考虑滑脱只按气、液体积流量计算的混合物密度 • 不考虑滑脱，即认为油气之间不存在相对运动时，某 一深度的混合物密度可由下式计算：
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流出的流体能 量
倾斜多相管流断面1和断面2的流体的能量平衡关系为：
U1
mgZ1 sin

mv12 2

P1V1
q
U2
mgZ 2
sin

mv
2 2
2

P2V2
dU mvdv mg sindZ d(PV) dq 0

g
s in
(
dP dZ
)加速度

v
dv dZ
(
dP dZ
)摩擦

dI

w
dZ
则
dP dZ

dP ( dZ )举高

dP ( dZ )摩擦

dP ( dZ )加速度
• 对于水平管流， 。若用x表示水平流动方向的坐标，
则
dP v dv f v2
dx dx d 2
• 对于垂直管流，=，sin，若以h表示高度，则
流上升过程中其压力低于饱和压力后，油中溶解的天然 气开始从油中分离出来，油管中便由单相液流变为气-液 两相流动。
(2)气液混合物在垂直管中的流动结构—流动型态的 变化
流动结构（流型）：流动过程中油、气的分布状态。
流型与油气体积比、流速及油气的界面性质有关。
①纯液流：井筒压力大于饱和压力，天然气溶解在原油中。
dP g v dv f v2
dh
dh d 2
• 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“m”,则
dP dh

m g sin

mvm
dvm dZ

fm
m
d
vm2 2
(2)多相垂直管流压力分布计算步骤 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；
②估计一个对应的深度增量⊿H； ③计算出该管段的平均温度及平均压力 ，并确定在该
和下的全部流体性质参数； ④计算该段的压力梯度。 ⑤计算对应于的该段管长(深度差)。
⑥将第步计算得的与第②步估计的进行比较，两者之差 超过允许范围，则以新的h作为估算值，重复②～⑤的
•
存在滑脱时混合物密度：m
fl'l

f
' g

g
f
( fl f )l ( fg f )g
f
( fl f )l
f
•
单位管长上滑脱损失为：
m

f f
l
2.2.2井筒气液两相流能量平衡方程及压 力分布计算步骤
(1)能量平衡方程推导
两个流动断面间的能量平衡关系：
④环流：随着混合物继续向上流动，压力不断下降，气相体
积继续增大，泡弹状的气泡不断加长，逐渐由油管中间突 破，形成油管中心是连续的气流而管壁为油环的流动结构。
环流特点：气液两相都是连续的，气体举油作用主要是靠摩
擦携带。
⑤雾流：在油气混合物继续上升过程中，压力下降使气体的
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。