多相管流第七章
《采油工程原理与设计》复习思考题与习题
采油工程原理与设计复习思考题与习题集编写：陈德春张红玲审核：张琪中国石油大学（华东）石油工程学院2012年9月目录第一章油井流入动态与井筒多相流动计算 (2)第二章自喷与气举采油 (5)第三章有杆泵采油 (7)第四章无杆泵采油 (10)第五章注水 (10)第六章水力压裂技术 (11)第七章酸处理技术 (15)第八章复杂条件下的开采技术 (17)第九章完井方案设计与试油 (17)第十章采油工程方案设计概要 (18)第一章 油井流入动态与井筒多相流动计算复习思考题1.1 何谓油井流入动态？试分析其影响因素。
1.2 何谓采油（液）指数？试比较单相液体和油气两相渗流采油（液）指数计算方法。
1.3 试分析Vogel 方法、Standing 方法、Harrison 方法的区别与联系。
1.4 试推导油气水三相流入动态曲线[]max max ,t o q q 段近似为直线时的斜率。
试述多层合采井流入动态曲线的特征及转渗动态线的意义。
1.6 试比较气液两相流动与单相液流特征。
1.7 何谓流动型态？试分析油井生产中各种流型在井筒中的分布和变化情况。
何谓滑脱现象和滑脱损失？试述滑脱损失对油井井筒能量损失的影响。
试推导井筒气液多相混合物流动的管流通用的压力梯度方程。
综述目前国内外常用的井筒多相流动计算方法。
习题某井位于面积245000m A =的矩形泄油面积中心，矩形的长宽比为2：1，井径m r w 1.0=，原油体积系数2.1=o B ，原油粘度s mPa o ⋅=4μ，地面原油密度3/860m kg o =ρ，油井表皮系数2=s 。
试根据表1－1中的测试资料绘制IPR 曲线，并计算采油指数J 和油层参数h k o ，推算油藏平均压力r P 。
表1－1 某井测试数据表某井位于面积21440000m A =的正方形泄油面积中心，井径m r w 1.0=，原油体积系数4.1=o B ，原油粘度s mPa o ⋅=2μ，地面原油密度2/850m kg o =ρ，油井表皮系数3-=s ，油层为胶结砂岩。
石油气液两相管流 多相管流理论与计算
“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
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。
•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
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)
第二节 气液两相管流的基本特征与研究方法
一、基本特征
哈工大多相流体力学讲义
三、本课程的其他教学环节 无。
四、考核方式 成绩为百分制。考试内容基本覆盖全部授课内容。
第一章 绪 论
1.1 两相与多相的定义与分类
两相流就是指必须同时考虑物质两相共存且具有明显相界面的 混合物流动力学关系得特殊流动问题。
在不同的学科中，根据研究对象的不同特点，对相各有特定的说 明。比如物理学中，单相物质的流动称为单相流，两种混合均匀的气 体或液体的流动也属于单相流。同时存在两种及两种以上相态的物质 混合体的流动就是两相或多相流。在多相流动力学中，所谓的相不仅 按物质的状态，而且按化学组成、尺寸和形状等来区分，即不同的化 学组成、不同尺寸和不同形状的物质都可能归属不同的相。在两相流 研究中，把物质分为连续介质和离散介质。因为颗粒相可以是不同物 态、不同化学组成，不同尺寸或不同形状的颗粒，这样定义的两相流 不仅包含了多相流动力学中所研究的流动，而且把复杂的流动概括为 两相流动，使问题得到简化。此外还有动力学意义上的相及物理上的 相。
4
气力输送的流型 4 、稀相输送时颗粒群在直管中运动微分方程
6. 4 气力、水力输送能量损失估算
6.5 固体颗粒在流体中的沉降分离与旋流分离
第七章 两相流动的测量技术与实践
7.1 汽液两相流的测量
4
7.2 气固两相流的测量
7.3 多相流测量实践
4 针对课堂讲授内容的总结，问题讨论、教学效果探讨及答疑备考
气体和固体颗粒混合在一起共同流动称为气固两相流。 严格的说，固体颗粒没有流动性，不能作流体处理。但当流体中 存在大量固体小粒子流时，如果流体的流动速度足够大，这些固体粒 子的特性与普通流体相类似，即可以认为这些固体颗粒为拟流体，在 适当的条件下当作流体流动来处理。引入拟流体假设后，气固两相流 动就如同两种流体混合物的流动，可以用流体力学、热力学的方法来 处理问题，使两相流的研究大为简化。又由于其假定的前提，使用拟 流体假设时要特别注意适用条件。处理颗粒相运动时，某些方面把其 看作流体一样，但另一些方面则必须考虑颗粒相本身的特点。 3. 液固两相流 液体和固体颗粒混合在一起共同流动称为液固两相流。如工程大 量使用的水力输送等。 4. 液液两相流 两种互不相溶的液体混合在一起的流动称为液液两相流。油田开 采与地面集输、分离、排污中的油水两相流，化工过程中的乳浊液流 动、物质提纯和萃取过程中大量的液液混合物流动均是液液两相流的 工程实例。 5. 气液液、气液固和液液固多相流
人工举升理论第4讲 多相管流
C1与Nb关系曲线
l
l
摩阻梯度：
f l vt2 ql vs Ap f 2D q v A t s p
C1与NRe关系曲线
（3）过度流
平均密度可由顿斯及罗斯方法算出：
LM g LM LS
段塞
g LS
LM LS
雾流
摩阻梯度：
f f
l vl2
D 2
ql 其中 vl Ap (1 H g )
摩擦阻力系数可查下图：
摩擦阻力系数曲线
（2）段塞流
流体平均密度：
其中
Wt l vs Ap qt vs Ap
l
vs C1C2 gD
vs D l N vt Dl Nb Re
合并成大气泡，最后，大气泡成为顶部凸起的炮弹形气泡。 井筒内流体的压力进一步低于饱和压力，气体继续分离出来，
并且进一步膨胀，且炮弹形大气泡形成气体柱塞，使井筒内出现一段液
体、一段气体的柱塞状游动。这时气柱好象活塞一样推动液体上升，对 液体具有很大的举升作用，气体的膨胀能量得到充分的利用。
环状流
水平管流型
这是目前气液两相管流方面较全面的研究成果。
机械能守恒方程：
dp dE dv g sin v dZ dZ dZ
位差压力梯度
dp l Hl g 1 Hl g sin g sin dZ 位差
Gv l H l g (1 H l ) g sin 2 DA
1 { l H l g (1 H l ) vvsg }/ p
Beggs-Brill方法流型分布图—水平流动
多相流体流动中的冲蚀现象分析
多相流体流动中的冲蚀现象分析引言多相流体流动中的冲蚀现象是工程领域中的一个重要问题。
冲蚀现象的发生会对流体流动的稳定性和工程设备的寿命产生不利影响。
因此，研究多相流体流动中的冲蚀现象具有重要的理论和实际意义。
本文将对多相流体流动中的冲蚀现象进行分析和探讨，以期提供有关冲蚀问题的科学理论支撑和工程实践指导。
一、多相流体流动的基本原理多相流体流动是指在同一空间中存在两种或两种以上的物质同时流动的现象。
根据不同的物理特性和流动规律，多相流可以分为气固、气液、液固等不同组合。
对于不同的多相流体系统，其流动行为和冲蚀特性会有所不同。
因此，在研究多相流体流动中的冲蚀现象时，需要首先理解多相流体流动的基本原理。
多相流体流动中的冲蚀现象通常是由高速流动流体对固体表面的撞击和摩擦引起的。
冲蚀过程中，流体中的固体颗粒被冲刷、侵蚀和破坏，最终导致固体表面的损坏和磨损。
冲蚀现象的发生取决于多种因素，包括流体性质、流速、固体表面的特性等。
因此，研究多相流体流动中的冲蚀现象需要综合考虑多个因素的影响。
二、多相流体流动中的冲蚀机理多相流体流动中的冲蚀机理是冲蚀研究的核心问题。
冲蚀机理的研究可以帮助我们深入理解冲蚀现象的发生和演化过程，为冲蚀问题的预测和控制提供理论依据。
冲蚀机理主要包括两个方面：液固冲蚀和气固冲蚀。
液固冲蚀是指在液相流动中，液体撞击固体表面造成的冲蚀现象。
而气固冲蚀是指在气相流动中，固体颗粒与气体流动的相互作用引起的冲蚀现象。
液固冲蚀和气固冲蚀的机制有一定的相似性，但也存在一些差异。
在液固冲蚀中，流体的流速和固体表面的材料性质是冲蚀机理的主要影响因素。
流体的高速冲击会导致固体表面的局部破坏和脱落，进而引起冲蚀现象。
固体表面的材料性质对冲蚀机理也具有重要影响。
例如，硬度大、表面粗糙的材料更容易发生冲蚀。
在气固冲蚀中，气体流动的速度和颗粒的性质是冲蚀机理的重要因素。
气体的高速流动会导致气固两相之间的摩擦和碰撞，进而引起冲蚀现象。
一种多相流管流-射流冲刷试验装置及试验方法[发明专利]
![一种多相流管流-射流冲刷试验装置及试验方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/e3bd2fb2e43a580216fc700abb68a98271feac85.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201711386775.7(22)申请日 2017.12.20(71)申请人 西安建筑科技大学地址 710055 陕西省西安市碑林区雁塔路13号(72)发明人 张秋利 王丹 王莎 惠相荣 周军 罗敏 訾杨 (74)专利代理机构 西安通大专利代理有限责任公司 61200代理人 徐文权(51)Int.Cl.G01N 17/02(2006.01)(54)发明名称一种多相流管流-射流冲刷试验装置及试验方法(57)摘要本发明公开了一种多相流管流-射流冲刷试验装置及试验方法，包括循环槽、搅拌装置、磁力管路循环泵、管道冲刷管和射流冲刷管；搅拌装置设置在循环槽内；循环槽的底部设置有出口，循环槽的顶部设置有两个管入口；循环槽的底部通过管道连接磁力管路循环泵的输入端，磁力管路循环泵的输出端分为两路支管路，为第一管路和第二管路，第一管路连接循环槽顶部的一个管入口，第二管路上设置有管道冲刷管；第二管路分为两个支管路，为第三管路和第四管路；第三管路和第四管路均连接到循环槽顶部的另一个管入口；第四管路上设置有射流冲刷管；本发明的丝束电极，能准确获得电极表面电化学参数分布信息、对电极表面平整度要求不高、扫描快、数据同步性高。
权利要求书2页 说明书3页 附图1页CN 107957393 A 2018.04.24C N 107957393A1.一种多相流管流-射流冲刷试验装置，其特征在于，包括循环槽(16)、磁力管路循环泵(5)、管道冲刷管(11)和射流冲刷管(15)；循环槽(16)内设置有搅拌装置；循环槽(16)的底部设置有出口，循环槽(16)的顶部设置有两个管入口；循环槽(16)的底部通过管道连接磁力管路循环泵(5)的输入端，磁力管路循环泵(5)的输出端分为两路支管路，分别为第一管路和第二管路，第一管路连接循环槽(16)顶部的一个管入口，第二管路上设置有管道冲刷管(11)；第二管路分为两个支管路，分别为第三管路和第四管路；第三管路和第四管路均连接到循环槽(16)顶部的另一个管入口；第四管路上设置有射流冲刷管(15)；管道冲刷管(11)和射流冲刷管(15)内均设置有三电极体系，包括丝束电极、对电极和参比电极；管道冲刷管(11)内的一个电极为丝束电极，保证管道内液体从丝束电极表面流过；射流冲刷管(15)内的一个电极为丝束电极，保证丝束电极表面迎着管道内液体的流动方向。
多相流
气蚀
CFX
采用均相流模型 可以考虑气相的压缩性 用户可以指定气蚀率 对体积分数采用高阶对流格式有利于收敛 先求解非气蚀结果， 先求解非气蚀结果，以次为初场计算气蚀问题 用户控制的参数 饱和压力 最大密度比，缺省值1000在通常情况下都适用 最大密度比，缺省值 在通常情况下都适用
CFX-5.7Training, 2004
CFX-5.7Training, 2004
Slide serial no 3
© 2004 ANSYS CFX
连续－离散相 连续－
CFX
一相以连续形式存在，一相以离散形式存在 如颗粒 如颗粒、 一相以连续形式存在，一相以离散形式存在,如颗粒、气泡 、液滴等。 液滴等。 例如： 例如： 空气＋ 液滴流） 雨：空气＋水（液滴流） 啤酒：液体＋气泡（气泡流） 啤酒：液体＋气泡（气泡流） 含有尘土的空气：（颗粒流） ：（颗粒流 含有尘土的空气：（颗粒流） 不相溶的两种流体： 不相溶的两种流体：如水中的油滴 可以模拟很高密度比的流体。（连续相密度/离散相密度 。（连续相密度 离散相密度＝ 可以模拟很高密度比的流体。（连续相密度 离散相密度＝ 1000，或连续相密度/离散相密度＝0.001。 ，或连续相密度 离散相密度＝ 。 离散相密度 可以模拟很大的滑移速度。 可以模拟很大的滑移速度。 常见的例子包括气泡流和流化床
CFX-5.7Training, 2004
Slide serial no 16
© 2004 ANSYS CFX
IPMT: Boiling in a Heated Vertical Pipe
CFX
CFX-5.7Training, 2004
Slide serial no 17
© 2004 ANSYS CFX
测井解释 流体物性参数及其换算2
一、运动描述及方程 二、垂直管流（单相流动） 三、垂直管流（多相流动） 四、垂直管流（计算方法）
第一节 运动及描述方程
管中的油气水—牛顿流体，描述牛顿流体 运动，原则上至少用5个基本方程联立求解：
1）流体状态方程 2）流体本构方程 3）连续性方程（质量守恒方程） 4）运动方程（动量方程） 5）能量方程（能量守恒方程）
0.25
g ( w g ) Vbs 2 w
Co-相分布系数 Cf-漂流系数 Vbs-平均漂流速度，旗袍绝对浮升速度 V-气液两相混合平均速度 γ g—持气率 Vsg—气相表观速度
一、漂流模型
Co、Cf、Vbs由实验室测定 一般情况下，Co=1.2（泡状、段塞状流 动），Co=1.0（环雾状流动）；Cf=1.5（泡状、 段塞状流动），Cf=0（环雾状流动）。
三、流线
3、流线的性质
1）流线彼此不能相交。 2）流线是一条光滑的曲线，不可能出现折点。 3）定常流动时流线形状不变，非定常流动时流线 形状发生变化。 v1
交点
v2
s1
v1
折点
v2
s2
s
四、流管流速有效截面流量平均速度
1、流管、流速
• 流管：在流场内任意作一封闭曲线（不是流线），通 过封闭曲线上所有各点作流线，所形成的一个封闭的 管状曲面称为流管。 • 流束：流管内部的流体称为流束。封闭曲线无限小时 所形成的流管
2、物理模型 3）漂流模型（漂移流动模型）
它是由朱泊（Zuber）和芬德莱（Findlay）针 对均流模型和分流模型与实际两相流动之间存在的偏 差而提出的特殊模型。它既考虑了气液两相之间的相 对速度，又考虑了空隙率（持率）和流速流过过流断 面的分布规律
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第七章倾斜气液两相流的计算
当油气集输管线穿越丘陵及多山地带或铺设在海底并向上倾斜延伸到海岸时，集输管线与水平方向存在一定的倾角，因而将水平管中气液两相流动的压差计算方法用于这种倾斜流动时常是不成功的。
这是因为，倾斜管中气液两相混合物在上升时具有重位压差，且重位压差常大于其摩阻压差；同时，由于下坡流动时气液混合物的密度及持液率通常要比上坡时小得多，从而使气液两相倾斜管流上坡时的压力损失在下坡地段是难以象单相流动那样完全恢复。
：
上坡流动：
系数与倾斜角
、数
横坐标：纵坐标：
．的计算
，否则
时的持液率，而
，
确定出之后便
力系数
贝格斯-布里尔方法应用示例
=50m3/d，生产气某不含水自喷油井，产量q
o
油比Rp=100m3/m3，地面脱气原油密度ρo=850kg/m3，
=0.7，地面原油粘度天然气相对密度γ
g
μ
=100mPa.s，计算段平均温度t=40℃，油管内o
径62mm，计算段长度100m，已知井口油压p
t
=4MPa，计算该段压降。
采用压力增量迭代方法：
1.确定起始点压力p1及计算深度增量ΔZ 。
p1=4Mpa ΔZ =100m
2.初设计算段的压力降Δp设，并计算下端压力p2设
Δp
=0.5MPa
设
p2设= p1+ Δp设=4+0.5=4.5Mpa
3.计算该段的平均压力及平均温度
4. 计算该及下流体性质参数及流动参数
由相应关系式计算得：溶解气油比；原油体积系数；天然压缩因子；
原油粘度；
天然气粘度；
原油表面张力；
标准状况下的空气密度kg/m3。
(1) 原油密度
(2)天然气密度
贝格斯-布里尔方法应用示例
贝格斯-布里尔方法应用示例(3)气、液的就地体积流量
贝格斯-布里尔方法应用示例(4) 就地的气体、液体及混合物的表观流速
(5) 液、气及混合物的质量流量
(6) 入口的含液量(体积的含液量)
(7)弗劳德数，液体粘度、混合物粘度及表面张力
(8)液体速度准数
5 确定流型过渡界限
6 确定流型
流型为间歇流
7根据流型计算
由于流型为间歇流
8计算
对于垂直井，
9 计算阻力系数
9 计算阻力系数
10 计算压力梯度
11计算该段的压力降
12 计算该段未端的压力
13 比较压力增量的假设值与计算值取
故需将作为新的假设值，从第2步开始计算，直到满足需求后以上段的末端压力作为下段的起点压力再开始计算第下一段。
贝格斯-布里尔方法应用示例。