石油气液两相管流 多相管流理论与计算
第三章 多相流流型及判别方法
体积与质量含气率：
x
多相混输技术的研究及其应用 2015-7-3 5
第三章 多相流流型及判别方法
对于截面含气率有：
1 1 1 w 1 Al wl g 1 s 1 A w w g g l
一、两相混合物密度 气液两相混合物密度有两种表示方法： （一）流动密度
（二）体积流量 单位时间内流过管路横截面的流体体积称为体积流量。对于气液两相混 输管路有：
Q Qg Ql
二、流速 （一）气相和液相速度 气相速度： 液相速度：
wg
Qg Ag
wl
Ql Al
（二）气相和液相的折算速度 气相折算速度：
多相混输技术的研究及其应用 2015-7-3 2
第三章 多相流流型及判别方法
y -0.6746608 x 4.2203391
x -1.028449 y 6.319154 y -0.2228661 x 3.361187
3）流型判别程序流程图
多相混输技术的研究及其应用 2015-7-3 24
第三章 多相流流型及判别方法
开始 输入已知数据 计算Bx,By,x,y P(x,y)在L1之下 吗？ 否 P(x,y)在C4及L3 之右吗？ 否 P(x,y)在L2之下 吗？ 否 P(x,y)在C2之下 吗？ 否 P(x,y)在C3之下 吗？ 否 雾状流 按流型计算相关参数 输出流型 结束 是 环状流 是 冲击流 是 气团流 是 气泡流 是 波状流 否 P(x,y)在C1之下 吗？ 是
散布流 不对称散 布流 移动床流
固定床流
图3-12 水平管液固两相流流型示意图
多相混输技术的研究及其应用 2015-7-3 18
石油气液两相管流ch02气液两相流的模型
第一节 均相流动模型
定义：把气液两相混合物看成均匀介质，其物 性参数取两相的均值而建立的模型
两个假定
（1）气相和液相的实际速度相等，即 vl vg v （2）两相介质已达到热力学平衡状态，压力 、密度互为单值函数。
特点
•对于泡状流和雾状流，具有较高的精确性 •对于弹状流和段塞流，需要进行时间平均修正 •对于层状流、波状流和环状流，则误差较大
vg
Qg Ag
液相实际速度
vl
Ql Al
Qg vg Ag Ql vl Al
折算速度(superficial velocity):又称表观流速， 假定管道全被一相占据时的流动速度 , m/s
气相折算速度
vsg
Qg A
液相折算速度
vsl
Ql A
Qg vsg A
Ql vsl A
两相混合物(平均)速度 混合物的质量速度
G
G
vl' x vg' vl'
2-11
所以
Gdv
Gd
G A
v
G2 A
dv
G2 A
d
vl'
x
vg'
vl'
2-13
由于假定两相流动已达到热力学平衡状态
v' f ( p)
dv d vl' x vg' vl'
vg'
vl'
dx x dvg' dp
dp 1 x dvl'
Adp dF gAdzsin Gdv 2-2
3．能量方程式
根据机械能守恒定律，有
d
gz
sin
p
v2 2
气液两相流量计原理
气液两相流量计原理
气液两相流量计是一种用于测量流体中同时存在气体和液体的仪器。
它利用了气液两相在流动过程中产生的不同特性，实现了对气液两相流量的精确测量。
气液两相流量计的原理基于两个主要的参数：液位和气液比。
液位是指液体表面距离流量计下游固定点的高度，而气液比则是指气体与液体的体积比。
这两个参数可以通过传感器测量和计算得出。
在气液两相流体中，气体的体积远远大于液体，因此气体的流动速度要明显快于液体。
当气液混合物通过流量计时，液体部分会沉积在流量计内的测量管壁上，形成液膜，而气体则会以气泡形式穿过液膜。
利用液位和气液比两个参数，气液两相流量计可以计算出相对应的气体和液体的体积流量。
通过准确测量液位的变化和掌握液体温度等参数，可以实现对气体和液体体积流量的准确测量。
气液两相流量计在化工、石油、环保等领域具有广泛的应用。
它可以用于油井、水处理设备、石油炼化装置、污水处理等流体系统的流量测量。
由于涉及到气液两相的复杂流动，气液两相流量计的设计和精确度要求相对较高。
总的来说，气液两相流量计利用液位和气液比两个参数，通过测量和计算实现了对气液两相流量的准确测量。
它在多个领域的应用中发挥着重要的作用，为工农业生产提供了可靠的流量测量手段。
石油气液两相管流 第一章
第一章概论第一节引言多相流理论多相流体力学理论相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由界面隔开多相流动体系两相或两相以上的流体一同参与流动的体系多相管流多相流体在管道中的流动Multiphase Flow多相流动两相或两相以上的流体一同参与的流动油水混合物：从相的角度区分为油相、水相从物质形态看同属液态相物质形态(气态、液态、固态)盐水：从相的角度划分只有液相从组分划分可分为：水和NaCl相组分(指混合物中的各个成分)原油？水-冰液固两相流水-水蒸汽气液两相流泥浆液固两相流油-气气液两相流油-气-水气液液三相流单工质（相同化学成分）多工质（不同化学成分）多相流体流动遵循的规律与单相流体并不相同，需引入新的理论来反映多相流体流动规律。
多相体系：水--冰、水—水蒸汽、泥浆、油气、油气水等多相体系的类型Ø热能工程：锅炉系统、制冷系统、热管Ø航天技术：平衡温差、保护设备Ø核工业：汽液两相流动Ø石油工业：两相渗流计算、井控设计、采油工艺设计、油气集输Ø化工行业：工艺设计Ø其它行业：水利、粉状物管线输送…………多相流应用领域油气是深埋于地下的混合流体矿藏，因此，油气藏的开发与开采离不开流体力学理论及其分枝——多相流理论。
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石油工程(油气井工程和油气田开发工程)以及油气储运工程都与多相流理论有着极为密切的联系。
钻井工程：油气井压力控制(含气泥浆的压降计算)采油工程：采油方式优化设计、采油设备的工况分析（油气混合物在井筒中流动的压降和温度计算）储运工程：油气集输管线的设计（油气混合物在管线中压降和温度的计算）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。
油气两相流研究进展
油气两相流研究进展摘要：在石油工业的采输管线，油井和气井中经常会出现两相流动的情况。
在两相或多相管路中，混合物流动时，随着压力、流量、温度、油气比、管道几何形状及地形起伏等参数的变化，形成许多具有不同相分界面的流动结构形式，简称流型。
然而不同的多相流型具有不同的动力学和传热特性，因而研究流型对多相流的理论研究、参数测量及生产实际具有重要意义。
本文总结了两相流的研究进展在此基础上对两相流的研究趋势进行了概述。
关键词：输油两相流动流型动力学传热特性一、引言在石油工业的输油管线，油井和气井中经常会出现两相流动的情况。
在美国，有多数的管线是属于两相混输的管线。
在两相或多相管路中，混合物在管路中流动时，随着压力、流量、温度、油气比、管道几何形状及地形起伏等参数的变化，形成许多具有不同相分界面的流动结构形式，简称流型。
流型是描述气液两相流动体系的基本要素之一。
不同的多相流型具有不同的动力学和传热特性，因而流型的研究对多相流的理论研究与参数测量十分重要[1]。
正确判断流型对于气液两相流的研究和工程应用都有重要意义，它一直是两相流研究领域的重要方面。
近二十五年来，国内外对两相流动进行了广泛的研究，但是大部分都只是仅仅研究了水平或者铅直情况下的两相流的行为分析，也总结出了很多的计算模式和规律。
但是当这些规律应用到很多倾斜的管道中时明显是不成立的。
本文主要论述了两相流的国内外进展以及对两相流的研究进行了展望。
二、国内外研究现状早在1914年，wisconsin大学的Davis-weider在直径为31.75mm的短玻璃管内进行空气举升水的实验，他们把管内的摩擦因子与滑移关联起来试图得到DVP为自变量与单相摩擦因子一致的曲线，但是最终失败了，主要因为他们没有考虑混合流动的流型和总的流动密度。
2003年Hshi等人对于水平分层流动提出了水层水包油层，油包水层以及油层四层流动理论模型推动了两相流的理论的发展。
2004年Righetti 和Romano利用PDA技术获得了两相流在水平管中质的联系。
气液两相流管流压降计算理论综述
式中： ． 【 一 剪切应力，Ｎ ／ ｍ ，下标ｌ 为液体 ，ｇ 为气体 ，ｉ 为界面；Ｓ一 湿周长 ，ｍｘ ；Ａ． 管子截面
作 者简 介 ：王立佳 （ １ ９ ８ ０ 一）， 男， 河 北昌 黎人， ２ ０ ０ ７ 年毕业于
中国石油大学 （ 北京）油气储运专业 ， 工程 师。现 为海洋石油工程股 份有限公司设计公司工艺工程师。
１ ． ２半相 关式 一 半模 型理 论 以Ｔ ａ ｉ ｔ ｅ ｌ 和Ｄ ｕ ａ ｋ ｌ ｅ ｒ ｔ Ｓ － ｓ ｌ 为代 表 ，根 据对 水 平和 接 近 水 平 的气 液 两 相 管 流 层 状 流 的力 学 分 析 ，在 考 虑 相 间及 相 与 管 壁 间 的剪 切 应 力 作 用 下 ，提 出了 如下力学模型：
２ ８ 一 ■ 论文广场
．
石 ２ ０ 油 １ ４ 和 年 化 第１ 工 设 备
７ 卷
或 流 体 占有 截 面 ，ｍ ； ａ一 管 子 倾 斜 角 ， 向上 为 正 ；ｇ． 重力 加速度 ，ｍ／ ｓ 。 该 式 右侧 第 一 项为 摩 阻压 降 ，第 二 项为 重力 压 降 。不 同流 态 采 用 不 同 的计 算 公 式 ，但 都 是从 摩 阻压 降和 重力 压 降两 个方 面来 计算 的 。 １ ． ３ 机 理模 型理 论 上 世 纪８ ０ 年代 后 ， 引入 了核 工 业 中用 于 研 究 蒸汽 ／ 水 两相 流 的物理 模 型 方法 ，使 两相 流研 究获 得 了新 的进展 。欧美等 国相继建立 了测量手段先 进 的实 验 环 道 ，建 立 了更 为 精 确 的 力 学模 型 用 来 描述多相流流动规律【 。 。挪威工业研究会经过多 年 的合 作 研 究 ， 以双 流体 模 型 的水 力 学 质量 、动 量 、 能量 方 程 为 基 本 方程 ，建 立 了稳 态 、 瞬态 多 相 流 模 型 ， 开发 了相 应 的模 拟 软 件 ＯＬ ＧＡ。 并结 合 实验 获 得 的水 力 、 热力 学 相 关 式 使机 理方 程 封
气液两相流数值模拟及应用
气液两相流数值模拟及应用气液两相流是指在某些现象或工艺中，气体和液体同时存在，相互作用，形成的复杂流动状态。
气液两相流在自然界和工业生产中都有广泛的应用，如气液动力学、船舶工程、石油化工、水力学、管道输送等。
数值模拟技术是研究气液两相流的有效方法之一，可通过数学模型描述气液两相流的运动规律，预测流体在各种复杂工况下的运动状态，为各个领域的工程问题提供了重要的参考和解决方法。
一、气液两相流的特点气液两相流的特点是复杂性和多变性。
气液两相流的物性参数（如密度、粘度等）随着相体积分数的变化而变化，在不同的压力、温度和流速下具有不同的特性，且颗粒大小和形状不同，流动形态和动态行为也各异。
正因为如此，对气液两相流的数值模拟需要考虑诸多的参数和影响因素，同时需要选择合适的数值模型、计算方法和数值算法。
二、数值模拟的方法数值模拟方法包括欧拉方法和拉格朗日方法。
欧拉方法适合于模拟流体的宏观运动，它将流场用网格剖分成小单元，并在每个单元上建立流体的宏观性质方程，求解这些方程，得到流场的解析结果。
欧拉方法适合于模拟气体简单的流动情况，但对于气液两相流就显得有些困难，因为在气液两相流中液滴和气泡的运动轨迹是不确定的，欧拉方法不能很好地描述它们碰撞和合并的过程，因此需要采用拉格朗日方法。
拉格朗日方法则选择一类代表性粒子（或液滴、气泡）的轨迹，并得到这些粒子的位置、速度和加速度等参数，再利用统计学方法推导出流场的宏观性质。
它的主要问题是计算代价较大，在大规模气液两相流模拟中会遇到实际的难点和困难。
三、应用实例气液两相流的应用实例主要集中在以下几个方面：1. 混合气气动特性的研究在飞行器、火箭等领域中，气液两相流的复杂性和多变性表现为物体的气动特性的变化，主要是由于流体的惯性和相互作用之间的复杂关系。
2. 溢流油井泄漏在石油生产过程中，由于机械故障或人为操作不当等原因，可能导致油井中的压力失控，引起油气、水等溢出，形成泄漏。
油井流入动态及多相流动计算
1.906 107
k 1.201
非胶结地层紊流速度系数：
g
1.08 10 k 0.55
6
如果试井资料在单相渗流呈现非线性渗流，可绘
制 ( pR pwf ) q 与 q 的关系曲线 。
Pr Pwf C Dq q
Pr Pwf qo
C
由此可以看出， Pr Pwf / q 与 q
tan D
油井生产过程
四个基本流动过程：
油气从油藏流到井底（Pr→Pwf） －地层中的渗流 从井底流到井口（Pwf → Pt） －多相管流（泡流、段塞流、环流、雾流） 通过油嘴的流动（Pt → PB）
－嘴流
井口到分离器的流动（ PB →Psep ） －近似水平管流
第一节 油井流入动态（IPR曲线）
Pwf
Qo
Beggs-Brill Correlation
自喷井生产系统
①—分离器 ②—地面油嘴 ③—井口 ④—安全阀（海上油井） ⑤—节流器（海上油井） ⑥—井底流压Pwf ⑦—井底油层面上的压力Pwfs ⑧—平均地层压力Pr ⑨—集气管网 ⑩—油罐
井筒设备：油管、封隔器、配产器；
地面设备：井口装置（又称采油树），内含有油嘴。
2）计算采油指数
Jo
qo2 qo1 pwf 1 pwf 2
60 20 11 9
m3 20
Mpa
3）查表得
re 0.571 40000 1142
rw
0.1
koh
J o B(ln
re rw
3 4
s)
0.4107109 (m3
/( pas))
0.4107
m2m
o
2
mPa s
4）直线外推至q=0,求得 PR 12Mpa.
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“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
1 气液两相流的分类
Gas-liquid two phase flow
依相态对流动 特性的影响分
•细分散体系 细小的液滴或气泡均匀分散在连续相中
•粗分散体系 较大的气泡或液滴分散在连续相中
•混合流动型 两相均非连续相
• 分层流动 两相均为连续相
2 气液两相流的基本特征
第一章 概 论 第一节 引言
多相流理论
Multiphase Flow
多相流体力学理论
多相管流
多相流体在管道中的流动
相 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由界面隔开
多相流动 两相或两相以上的流体一同参与的流动
多相流动体系 两相或两相以上的流体一同参与流动的体系
相
采油工程：采油方式优化设计、采油设备的工况分析 （油气混合物在井筒中流动的压降和温度计算）
储运工程：油气集输管线的设计 （油气混合物在管线中压降和温度的计算）
自喷采油设计中的两相流计算
自喷采油示意图
(1) 油井能否自喷？
(2) 一定产量的油气混合物到 达井口时的剩余压力？
pt pwf ptp
pt 井口油压
物质形态(气态、液态、固态)
油水混合物： 从相的角度 区分为 油相、水相 从物质形态看同属液态
相
组分(指混合物中的各个成分 )
盐水：
从相的角度划分只有 液相
从组Байду номын сангаас划分可分为：水和NaCl 原油？
多相体系的类型
多相体系：水--冰、水—水蒸汽、泥浆、油气、油气水等
水-冰 水-水蒸汽
液固两相流 气液两相流
三、目前存在的问题
1、多相流问题未得到解析解 2、油气水三相流的研究不够深入 3、水平井段变质量流动研究较少 4、缺乏向下流动的综合机理模型 5、缺乏专用研究仪器
水平井示意图
课程主要内容
• 气液两相流基本概念 • 气液两相流的模型 • 油藏流体高压物性的计算 • 多相流体的温度分布计算 • 垂直气液两相管流压降计算 • 水平气液两相管流压降计算 • 倾斜气液两相管流的压降计算 • 专题（多相流实验及研究）
探明世界石油储量的80％以上位于水深 500m的深水区，海洋平台造价高昂。
典型的海洋采油系统
固定平台
半潜式平台
张力腿平台
浮式生产储油（FPSO）船
海底管线
单点系泊
单点系泊
但当水深达到2000ft(约600m)时，其温度将下降至40℉(4.4℃)左右。油气 混合物的热量大量散失，温度会迅速降低，原油和油水乳状液的粘度会明显 增加，天然气水合物、蜡、沥青质等固态物质也可能在管道中析出并沉积。
气举采油及井筒压力分布
有杆泵采油设计中的两相流计算
⑥
常规有杆泵生产
⑤
④ ③
①
②
地面驱动螺杆泵生产
海洋及深水采油中的多相流计算
近年来，随着陆地油气资源的日趋减少，石油和天然气勘 探开发已转向广阔的海洋。早期开发的海上油田都位于浅海水 域，采用的是固定平台采油系统。1965 年前，钻探活动一般 小于90m 水深。水下采油技术的发展不仅使深海石油开采成为 可能，同时大大降低了深海采油成本，目前深水(400~1500米) 和超深水(超过1500米)海域的油气开发，已成为美国、英国、 挪威、巴西等国竞相开展的热点。
•体系中存在相界面 两相之间也存在力的作用，出现质 量和能量的交换时伴随着机械能的损失 •两相的分布情况多种多样 两相流动中两相介质的分布 状况称为流型 •两相流动中存在滑脱现象 相间速度的差异称为滑脱， 滑脱将产生附加的能量损失 •沿程流体体积流量有很大变化，质量流量不变
二、多相流理论的研究简史
•石油工业中的多相流技术研究始于1950年左右,早期研究者 大多采用实验研究的方法，所使用的数据主要来自室内实验 和油田实际生产
•70年代，石油工业开始采用已在其它工业领域中使用的一些 物理机理来预测多相流的流型
物理现象
流动机理
控制方程（机理模型）
•80年代初，计算机的引入极大地促进了多相流的发展
油气集输 ➢ 化工行业：工艺设计 ➢ 其它行业：水利、粉状物管线输送…………
一、多相流理论在石油工业中的地位和作用
油气是深埋于地下的混合流体矿藏，因此，油气藏的开发与开采 离不开流体力学理论及其分枝——多相流理论。 石油工程(油气井工程和油气田开发工程)以及油气储运工程都 与多相流理论有着极为密切的联系。
单工质 （相同化学成分）
泥浆 油-气 油-气-水
液固两相流 气液两相流 气液液三相流
多工质 （不同化学成分）
多相流体流动遵循的规律与单相流体并不相同，需引入新 的理论来反映多相流体流动规律。
多相流应用领域
➢ 热能工程：锅炉系统、制冷系统、热管 ➢ 航天技术：平衡温差、保护设备 ➢ 核工业：汽液两相流动 ➢ 石油工业：两相渗流计算、井控设计、采油工艺设计、