垂直管流实验

垂直管流实验
一、实验目的
1.观察垂直井筒中出现的各种流型，掌握流型判别方法；
2.验证垂直井筒多相管流压力分布计算模型；
3.了解自喷及气举采油的举升原理。

二、实验原理
在许多情况下，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。

当自喷井的井底压力低于饱和压力时，则整个油管内部都是气-液两相流动。

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，只有当气液两相的流速很高时（如环雾流型），才考虑动能损失。

在垂直井筒中，井底压力大部分消耗在克服液柱重力上。

在水平井水平段，重力损失也可以忽略。

所以，总压降的通式为：
式中：—重力压降；—摩擦压降；—加速压降。

在流动过程中，混合物密度和摩擦力随着气-液体积比、流速及混合物流型而变化。

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。

除某些高产量凝析气井和含水气井外，一般油井都不会出现环流和雾流。

本实验以空气和水作为实验介质，用阀门控制井筒中的气、水比例并通过仪表测取相应的流量和压力数据，同时可以从透明的有机玻璃管中观察相应的流型。

三、实验设备及材料
仪器与设备：自喷井模拟器，空气压缩机，离心泵，秒表等；
实验介质：空气，水。

设备的流程（如图1所示）
图 1 垂直管流实验设备流程图
四、实验步骤
1.检查自喷井模拟器的阀门开关状态，保证所有阀门都关闭，检查稳压罐的液位（3/4液位）；
2.打开空气压缩机及供气阀门；
3.打开离心泵向系统供液；
4.打开液路总阀，向稳压罐中供液，控制稳压罐减压阀，保证罐内压力不超过0.12MPa ；
5.待液面达到罐体3/4高度，关闭液路总阀，轻轻打开气路总阀和气路旁通阀，向实验管路供气，保证气路压力不大于0.5MPa ，稳压罐压力约为0.8MPa；
6.轻轻打开液路旁通阀，向系统供液，待液面上升至井口时，可以改变气液阀门的相对大小，观察井筒中出现的各种流型；
7.慢慢打开液路测试阀门和气路测试阀门，然后关闭气路旁通阀和液路旁通阀，调节到所需流型，待流型稳定后开始测量；
8.按下流量积算仪清零按钮，同时启动秒表计时，观察井底流压和气体浮子流量计的示数。

当计时到10秒时，记录井底流压、气体流量、液体累计流量和所用时间；
9.改变不同的气液流量，重复步骤7到8记录数据，一般取5组段塞流和5组泡流数据点。

10.打开气、液旁通阀，再关闭测试阀，关闭离心泵和空压机，清理实验装置，实验结束。

五、注意事项
1.不要踩踏地面的各种管道；
2.操作自喷井模拟器时要注意稳压罐中的液位，不要打空或溢出；
3.观察的浮子流量计和压力表示数应读取测量时间内的平均值；
4.浮子流量计的单位和流量积算仪的单位；
5.注意流量积算仪清零的操作方法。

六、实验报告内容
1.简述垂直井筒中各种流型的特征；
2.用奥齐思泽斯基方法判断各实验数据点所属的流型并与实验观察到的现象相对比，至少列出一个实验点的判别过程。

3.额外思考题：
1)实验观察到的段塞流为什么说气体是非连续相，请解释？
2)实验过程中怎样用水和空气模拟地层中原油与溶解气的两相流动的？
3)实验过程中，观察到了什么样的实验现象，并给出自己的解释？
实验报告处理过程和处理结果
1.简述垂直井筒中各种流型的特征：
答：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。

各种流型的特征如下：
（1）纯油流：当井筒中的压力高于饱和压力时，没有气体从油中分离出来，油呈单相流动。

（2）泡流：气体是分散相，液体是连续相；气体主要影响混合物的密度，对摩擦阻力的影响不大；滑脱效应比较严重。

（3）段塞流：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：在环流结构中，气液两相都是连续的，气体的举油作用主要是靠摩擦携带，滑脱损失小，摩擦损失更大。

（5）雾流：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。

2.用奥齐思泽斯基方法判断各实验数据点所属的流型并与实验观察到的现象相对比，至少列出一个实验点的判别过程。

表1 原始数据记录表
序号 /wf P MPa /t P MPa /r P MPa ()//g Q L h
/L Q L ∑
流型 1 0.065 0.017 0.090 450 0.80 9.81 段塞流 2 0.064 0.024 0.090 700 0.78 10.31 段塞流 3 0.049 0.006 0.092 500 0.20 10.34 段塞流 4 0.058 0.017 0.092 650 0.16 10.28 段塞流 5 0.042 0.012 0.092 800 0.21 10.28 段塞流 6 0.039 0.006 0.092 750 0.24 10.19 段塞流 7 0.059 0.027 0.092 850 0.13 10.31 段塞流 8
0.034
0.008
0.092
950
0.24
10.34
段塞流
计算所需参数：
30D mm = 6.0h m = 31.29/g kg m ρ= 31000/L kg m ρ= 0.244/s v m s =
0.072/mN m σ=
以第1组数据为例说明数据处理过程：
取
由计算可知：
由以上计算可知满足，即根据奥齐思泽斯基方法计算第1
组数据可得该气液流量下形成的流型为段塞流，实验观察现象也为段塞流，即可验证奥齐思泽斯基方法的正确性。

所有数据计算结果如下表所示：
表2 数据处理结果表
序号
/
g t
q q
t
q
g
q
l
q
t
v'
B
L
B
L
S
L
1 0.605 0.000207 0.000125 0.0000815 0.29
2 -0.997 0.1
3 193.23 6.102
2 0.72 0.00027 0.000194 0.0000757 0.38 -2.47 0.1
3 183.01 9.50
3 0.878 0.0001583 0.000139 0.0000193 0.22
4 -0.146 0.13 83.92 6.785
4 0.921 0.000196 0.000181 0.0000156 0.28 -0.80 0.13 77.36 8.82
5 0.91
6 0.000243 0.000222 0.0000204 0.34 -1.79 0.13 85.92 10.85
6 0.898 0.000232 0.000208 0.0000236 0.33 -1.54 0.13 91.41 10.17
7 0.949 0.000249 0.000236 0.0000126 0.35 -1.94 0.13 72.17 11.53
8 0.919 0.000287 0.000264 0.0000232 0.41 -2.93 0.13 90.81 12.89 结论：所有数据计算结果均与实际观察现象相符合。

3.额外思考题：
1)实验观察到的段塞流为什么说气体是非连续相，请解释？
答：实验观察到的段塞流，在井筒内呈一段液，一段气流动，气柱托举着液柱向上运动。

气柱与管壁之间有一层液膜，将气柱上下的两个液柱连通起来，所以液体是连续相；虽然液膜里含有气体，但是气体是以气泡的形式分散在液膜中，所以说气体是非连续相。

2)实验过程中怎样用水和空气模拟地层中原油与溶解气的两相流动的？
答：用稳压罐中的水模拟地层中的油，水在实验管路中流动，同时向实验管路中泵入空气，来模拟原油与溶解气的两相流动，通过调节进入管路中的水和空气的流量比来模拟不同气液流量情况下的流型及其特点。

3)实验过程中，观察到了什么样的实验现象，并给出自己的解释？
答：现象：在确定的气液比情况下，有时可以在管路下方形成泡状流，但是，大
多数情况下整个管路中都是段塞流；气柱的顶部呈炮弹状，小气泡在上升过程中不断与上面的大气泡合并，而使气柱越来越长；在气柱下方的液柱中有很多小气泡，且小气泡的上升速度大于大气泡。

解释：当气液比比较小的时候，可以在管道中形成泡状流，但是在本实验过程中很难能观察到泡状流。

随着气泡上升，压力逐渐减小，使得气泡膨胀，体积变大，气泡之间不断合并，从而使气柱越来越长。

而且，由于液柱中的小气泡在上升中所受的摩擦力小于大气泡，使其上升速度大于大气泡，更多的小气泡逐渐溶入大气泡，使得大气泡越来越大。

七、实验总结
通过本次实验，我们观察了垂直井筒中出现的各种流型，主要观察了段赛流的流型特点，掌握了流型判别方法；验证了垂直井筒多相管流压力分布计算模型--奥齐思泽斯基方法的正确性；了解了自喷及气举采油的举升原理。