9、多相管流计算方法对气举工艺设计影响分析.
煤层气同心管气举排水工艺参数的确定方法
煤层气同心管气举排水工艺参数的确定方法钟子尧;吴晓东;韩国庆;苏雷;胡彦林【摘要】Coalbed methane wells need dewatering operation before producing gas. Concentric pipe gas lift by adding a small tubing in production tubing, can inject compressed gas through the gas lift-channel, and shall not affect gas flow in casing-tubing annulus as the gas production channel of the CBM wells. On the bases of solid parti-cles migration model in vertical gas-liquid two-phase flow,the critical conditions are obtained that the gas-liquid ve-locity required to pulverize different particle size of coal fine particles from wellbore which concentric pipe gas lift is applying. Using gas-liquid two-phase flow pressure calculation model in concentric pipe annulus, the depth of gas injection point and the placement gas-lift valves can be designed. In consideration of production dynamic character-istics of the CBM wells during dewatering and production process,a method for determining of the concentric pipe gas injection rate is presented. A field test of the concentric pipe gas-lift dewatering process is also presented. Through the analysis of actual production curves of the test gas well,it is proved that the concentric pipe gas-lift de-watering process is feasibility,and the designed parameters of gas lift are reasonable. By calculation of concentric pipe gas-lift efficiency during the dewatering process, it is concluded that the process in the whole test can keep high lifting efficiency. According to discharge critical condition,the likelihood and time of coal fine particle deposi-ting in thebottom of wellbore can be judged and predicted.%煤层气井在产气之前需要进行排水降压作业,同心管气举通过在生产油管中加入小油管,可以为气举提供注气通道的同时,又不影响油套环空作为气井的产气通道.结合固相颗粒在垂直气液两相流中的运移模型,给出了同心管气举条件下,不同粒径煤粉颗粒排出井筒所需要的气液流速条件.通过同心管环空气液两相流压力计算,给出了同心管气举阀安装位置的设计方法,并结合煤层气井排采过程中煤层气井的生产动态特征,给出了注气量的确定方法.对同心管气举排水工艺进行了现场试验,分析了试验气井的实际排采曲线,证明同心管气举排水工艺的可行性,以及气举参数设计的合理性.通过计算排采阶段同心管的气举效率,表明该工艺在整个试验阶段可以保持较高的举升效率.根据煤粉排出的临界条件,判断以及预测煤粉在井底沉积的可能性和时间.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2018(018)008【总页数】6页(P55-60)【关键词】煤层气井;排水降压;煤粉;环空多相流;气举;同心管【作者】钟子尧;吴晓东;韩国庆;苏雷;胡彦林【作者单位】中国石油大学(北京),北京102249;中国石油大学(北京),北京102249;中国石油大学(北京),北京102249;中国石油华北油田山西煤层气分公司,晋城048000;中国石油大学(北京),北京102249【正文语种】中文【中图分类】TE3552017年7月19日收到国家自然科学基金(51574256)和国家十三五重大科技专项(2016ZX 05042)资助煤层气井在排水采气阶段，由于井底能量不足，需采取人工举升措施。
多相流理论与计算第三章
1
i 1 R0 i 2
1
多相管流理论与计算
(4) 天然气析出和膨胀问题 当压力低于饱和压力时，有天然气析出。 析出气体需要热量，已析出气体不断膨胀， 又会吸收一部分热量，这两部分热量的计 算比较复杂。 T h 焦耳-汤普逊系数： p h
多相管流理论与计算
2 公式中各项参数取值
(1) 井底油温 t1s (2) 地温梯度
一般认为 =0.03℃／m (3) 距井底高度 h
取某一点至油层中部的距离
KDh GC GC 1 e t t1s h KD
井底油温也就是油层温度
多相管流理论与计算
(3) 总传热系数
井筒外部不同位置的岩层性质 亦不同，井筒内的流体流型又 有变化，所以严格地说，总传 热系数值应该是一个变量，认
为其变化与平均值之间的差值 不大，取实测平均值即可 [ 实测 在 21 ～ 25kJ ／ (m2· h· ℃) 左右 ] 。 因此，计算时可按常数考虑。
K—kJ/(m2.h. ℃) K—kcal/(m2.h. ℃)
油损失热量为
dq GCdt
C为原油 比热
C＝2.1kJ／kg.℃ C＝0.5kcal／kg.℃
根据热量守恒
K t ts Ddh GCdt
地层温度与深度的关系
ts t1s h
多相管流理论与计算
联立上述公式可得
K lh GC GC t t1s h 1 e K l
Kl—kcal/(m.h. ℃)
G — kg/h Kl —kcal/(m.h. ℃)
Kl
1 G 1.1573 5.4246exp( ) 1000
多相流领域的数值计算方法及应用
多相流领域的数值计算方法及应用随着工业化和科技的不断进步，多相流领域的研究和应用越来越受到重视。
物料在流动过程中会与其他物料或界面发生相互作用，这种复杂的流动状况被称为多相流。
多相流涉及到固体、液体和气体等不同物态的介质，因此其研究和应用需要使用复杂的数值计算方法。
一、多相流的特点多相流的研究和应用过程中涉及到很多行业，比如化工、能源、航空航天等领域。
多相流介质的物理性质不同，具有以下几个特点：1. 相互作用强烈不同相态的物料之间会发生相互作用，例如固体微粒在液体中的漂浮、液滴在气体中的破裂等。
2. 物料运动混乱多相流介质的物料运动速度和方向较难预测，因此多相流的运动模式通常非常复杂。
3. 传递规律复杂多相流介质中不同物料的传递规律复杂，例如液滴的运动、未熔化固体在熔体中的运动等。
4. 可能存在相变多相流介质因为具有不同物态的物料，因此可能存在相变现象，例如气体在液体中的溶解等。
二、多相流的数值计算方法多相流的复杂性使得其研究和应用需要结合各种学科，比如计算流体力学（CFD）、材料科学、传热学等。
在多相流的计算过程中，有两个重要的假设：连续介质假设和相间界面模型。
1. 连续介质假设连续介质假设认为多相流介质可以像单相流一样，被视为连续的流体。
在这种假设下，物理量如质量、动量、能量等可以通过微分方程来描述，以求解其全场的运动学性质。
2. 相间界面模型多相流中不同相态物质的相互作用，使得相界面的存在成为一大难点。
通过相间界面模型对相变的过程和相界面的运动进行数值模拟，从而模拟多相流介质中不同物理量的分布和传递规律。
目前，常见的多相流计算方法包括欧拉方法、拉格朗日方法和欧拉-拉格朗日复合方法。
3. 欧拉方法欧拉方法模拟多相流介质中的物理量在时间和空间上的分布规律。
该方法将不同相态之间的相互作用描述为源项，通过物理量的守恒方程，来求解多相流介质内各物理量的分布规律。
4. 拉格朗日方法拉格朗日方法着重于对多相流介质中物体的运动轨迹进行跟踪和计算。
多相管流摩阻计算方法综述
１６ 年 Ｈ ｇ ｄ ｒ Ｂ ｏ ９５ ａ ｅ ｏｎ和 ｒｗｎ针对油、气、水混合物 在铅直管 中的流动， 基于单相流体的机械守恒定律 ， 得出
压力 梯度计 算 公式 。
ｌ 一 Ａ Ｐ
卸
（ ＋ｒ ） ｒ
体摩阻计算是极为重要 同时也是最为困难 的， 是影响各压
降预 测模 型精 准性 的要 素 。 因此对 多相 管流 摩 阻计 算 的分 析研 究无 疑是 十分 必要 的【 ３ 】 。 １１多相 管流 的压 力 梯度 基本 方程 【 ． ４ ｄ ｐ 源自＝ｐｇｓ ｍ ＋厂Ｄ ２＋
（） １
是继Ｐｏ ｔ ｎ —Ｃ ｒｅ ｔｒ 法之 后 ， 石 油工业 界有 重 ｅｔ ｍａ ｎ ａｐ ｎ ｅ方 对
要 影响 的又一 种方 法 。
随着原 油 、 气从几 千 米深 的地 层 中采 出 ， 多数 油 气 大 井 已经 不是 单相 流动 而 是 出现 了气 、 相或 油 、 、 液 气 水三
到很好 的精度 ， 它更适用于较短的管段 ， 而对深度或压差
很 大 的井 ， 必须 进行 一 连串 的分段 计算 。 该法 对于 低流量
上式中， 为流体密度 ， ｇ ｍ 为流速， ｓ Ｚ Ｐ ｋ ／ ；Ｖ ｍ／ ； 为
的高粘油情况不准确， 因此应用于稠油时应注意。 这种方
５ ５ ｝ ｃ ｏ ｆ ＾ ｎ ｕ ｓ
规定静压梯度就是管段按体积平均的流体密度 ， 然后
从大量 的实验 数据 中 ，分别 对三 个 主要 的流态 域 （ 泡流 、 段塞 流 、雾流 ）提 出计 算管 壁摩 阻 的相 关式 。Ｒ ｓ 出 ： ｏ提 可 以把 泡流和 段塞 流这 两个 区域 同样地 进行 处理 ， 因为二 者都 涉及 到 一个 连续 的液 相 。 照 Ｆ ｎ ｉｇ 式 ， 摩 阻 仿 ａｎｎ 公 取
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
采油工程第二章自喷与气举采油
绘制曲线B的各参数的变化
2.油管直径的选择
不同油管直径对产量的影响
注：在某种条件下，大直径 油管不一定比小直径油管的产量高
油压较低时（pt1），大 直径油管的产量比小直径 的要高；
油压较高时(pt2)，大直 径油管的产量比小直径的 要低。
原因：大直径管中滑脱损 失使总损失增大。
3.预测油藏压力变化对产量的影响
①根据设定的一系列产量Q，分 别从油层和分离器开始计算出 油嘴处的一系列的油压和回压。
②将满足回压低于油压一半（油 嘴临界压力比近似取0.5）的点绘 制成pt-Q的曲线B.
③油嘴直径d一定，绘制临界流 动下油嘴特性曲线G；(油嘴的参 数曲线)
④油管曲线B与油嘴特性曲线G 的交点C即为该油嘴下的产量与 油压。
4d 2 R 0.5
Pt
对于含水井： q
4d 2 R 0.5
Pt 1
f 0.5 w
以上的油嘴流动等式有很强的经验性， 与油田条件有关，因而在实际运用中
应根据油田的具体情况进行校正， 得到适合本地区的计算公式
当油嘴直径与气油比一定时，产量Q和 井口压力pt成线性关系。但只有满足 油嘴的临界流动，整个生产系统才能 稳定生产，即使回压有所变化，油井
而油嘴直径又很小， 因而，混合物流经 油嘴时流速极高， 可能达到临界流动
图2-19 嘴流示意图
临界流动：流体的流 速达到压力波在流体介 质中的传播速度，即声 波速度时的流动状态
质量流量
根据热力学理论，气体
流动的临界压力比为：
喷管后压力
k
Pc 2 k1 P1 k 1
G f (P2 / P1) 关系
采油方法：将流到井底的原油采到地面
所用的工艺方式和方法。方法和方式。
油气集输复习材料 (2)
《油气集输》综合复习资料一、填空题1、国家对商品原油的质量要求是：_____、_____和_____。
2、油井回压是集输系统的_______压力，自喷井回压应为油井油压的_0.4~0.5_倍，否则集输系统工况的变化将影响_______的稳定。
3、多元体系的相特性不同于一元体系，其饱和蒸汽压的大小和_______与_______有关，通常把泡点压力称为该多元混合物的_______。
4、油气分离的基本方式基本上可分为_____、_____和_____三种。
5、油气分离器按外形一般分为_____和_____。
6、油气分离中起_______和_______分离作用的部件称除雾器，除雾器应能除去气体中携带的粒径为_______微米的油雾。
7、按管路内流动介质的相数，集输管路可分为_____、_____和_____。
8、流型模型把两相流流型划分为：_____、_____和_____。
9、形成稳定乳状液必须具备的条件：_____、_____和_____。
10、电脱水只适宜于_____型乳状液，且进入电脱水器中的乳状液含水率要求不超过30％，否则易产生_____现象。
11、原油稳定的方法基本上可分为：_____和_____两类。
12．集输系统由那些工艺环节组成： _____ 、 _____ 、 _____ 、 _____ 、 _____ 。
13．理想体系中平衡常数Ki= _____ ,它是 _____ 和 _____ 的函数。
14．某油田采用三级分离，一级分离压力为0．9Mpa（绝对），末级分离压力为0．1MPa(绝对)，各级间压力比R为 _____ 。
15．气液两相流的处理方法有 _____、 _____ 和 _____ 三种模型。
16．弗莱尼根关系式在计算倾斜气液两相管流的压降时认为：由爬坡引起的高程附加压力损失与 _____ 成正比。
17．原油和水构成得乳状液主要有两种类型： _____ 乳状液和 _____ 乳状液。
PIPESIM在气举优化设计上的应用介绍
PIPESIM在气举优化设计上的应用介绍
作者：王新芳
作者单位：斯伦贝谢公司
1.张继峰.王振松.吴剑.敬魏邻井气气举技术在苏丹六区油田的应用[会议论文]-2007
2.倪斌.何帆.丁亮.祝万斌气举采油工艺技术在石西油田的应用[会议论文]-2007
3.钟海全.李颖川.刘永辉.荣宁.ZHONG Haiquan.LI Yingchuan.LIU Yonghui.RONG Ling气举井组及油田优化配气方法研究[期刊论文]-钻采工艺2005,28(5)
4.冯琦中原油田气举采油工艺技术[会议论文]-2007
5.牛瑞云国内外气举技术标准简介[会议论文]-2007
6.钟海全.李颖川.刘永辉多相管流计算方法对气举工艺设计影响分析[会议论文]-2007
7.张泽华.沈建新.白晓飞.刘卫东.任丽俊气举采油技术在塔里木油田的研究与应用[会议论文]-2007
8.雷宇.李勇.索美娟.雷丽吐哈油田气举采油技术[会议论文]-2007
9.付道明.吴晓东.魏旭光.吴修利.张博.FU Dao-ming.WU Xiao-dong.WEI Xu-guang.WU Xiu-li.ZHANG Bo阿尔及利亚Zarzaitine油田气举工艺优化[期刊论文]-天然气工业2009,29(10)
10.李勇气举采油工艺新技术[会议论文]-2007
本文链接：/Conference_6533430.aspx。
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流压
E2,% 9.20
E3,% 11.45
6.61 8.19
12.56 10.60
12.82 12.14
15.07 11.54
8.25 10.11
17.55 12.78
5.46 8.01
14.23 10.85
油压
RPF 1.43
E1, ,% E2, ,% E3,% RPF -9.40 12.03 16.70 1.35
多相管流计算方法
2007·全国 气举技术研讨会
A类－不考虑滑脱及流型划分。混合物密度由生产气液比计算，
也就是假定气液具有相同的速度，此类计算方法仅需两相 流的摩阻系数计算关系式。
B类－考虑滑脱，不做流型划分。仅需要两相流持液率和摩阻系
数计算关系式。此类方法考虑了气液在管内的不同流速， 该方法需要提供预测液相在任意位置所占管内截面积的分 数，对于各种流型采用相同的持液率和摩阻系数关系式。
Gray Hagedorn&Brown（mod-D&R）
Duns & Ros Orikiszwski Beggs & Brill（Std/mod） Mukherjee & Brill
Ansari
2007·全国 气举技术研讨会
类型 A B B C C C C C
机理模型
单相气体管流模型
2007·全国 气举技术研讨会
中国石油·吐哈
多相管流计算方法对气举 工艺设计影响分析
2007·全国 气举技术研讨会
钟 海 全 (博士)
西南石油大学 2007.9
汇报内容
2007·全国 气举技术研讨会
多相管流计算方法 多相管流评价模型 多相管流计算方法优选 气举工艺设计分析
多相管流计算方法
Hagedorn&Brown (HB) HB修正模型(HBR) Orkiszewski(ORK) Duns&Ros(DR) Beggs&Brill(BB) BB修正模型(BBR) GRAY ANSARI Mukherjee&Brill(MB)
0.00 -0.29 6.74 10.44 0.00
2.42 -18.51 19.95 20.20 1.18
多相管流计算方法优选
2007·全国 气举技术研讨会
测试流压，MPa
40
30
GRAY
20
10
0 0
40
10
20
30
40
计算流压，MPa
30
BB
20
10
0
0
10
20
30
40
计算流压，MPa
测试油压，MPa
含水率/％
0~93
0~25 2102~3105 10.47~29.1 2.30~22.0
多相管流计算方法优选 2007·全国 气举技术研讨会
管流 方法
ANSARI
E1,% 7.51
HBR 2.08
DR 11.24
ORK 9.58
BBR 13.99
HB -2.22
BB 16.88
GRAY 1.35
MB 13.39
多相管流计算方法 多相管流评价模型 多相管流计算方法优选 气举工艺设计分析
多相管流评价模型
2007·全国 气举技术研讨会
压力平均相对误差E1表示模型预测结果的整体偏差：
E1
1 n
n j 1
pxj pmj pmj
压力绝对平均相对误差E2表示模型预测结果平均误差 ：
E2
RPF可能的最小值为0，仅当管流关系式各项 误差绝对值都最小时为0，最大值为3，仅当各项 误差绝对值都最大时为3。RPF越接近0表示其计 算方法相对性能越佳，越接近3表示其性能越差。
汇报内容
2007·全国 气举技术研讨会
多相管流计算方法 多相管流评价模型 多相管流计算方法优选 气举工艺设计分析
体积含液率小于0.00001，视为单相气体流动。
序号 1 2 3 4 5 6
模型 Moody AGA Panhandle 'A' Panhandle 'B' Weymouth Cullender-Smith
适用流体 气体 气体 气体 气体 气体 气体
误差小于5％
汇报内容
2007·全国 气举技术研讨会
2007·全国 气举技术研讨会
多相管流计算方法优选
2007·全国 气举技术研讨会
油气井测试数据范围
变量
流压-井口 压力测试
变量
流压-井口 压力测试
测试井次
53
井斜角/deg
产液量/m3/d 3.38 ~362.6
井深/m
产气量/104 m3/d 0.622~19.6 实测流压/MPa
气液比/m3/m3 112.04~18544 实测油压/MPa
2007·全国 气举技术研讨会
多相管流计算方法
2007·全国 气举技术研讨会
Beggs- Brill和Mukherjee–Brill及其修正 模型方法考虑了井斜角，其它都是基于垂直 流动。因此，上述两种方法也可以用于注入 井和丘陵地带地面管线管流计算。其它方法 对于定向井（大斜度）多相管流应谨慎使用， 并且不应用于注入井多相管流计算。
0.18 -1.90 8.86 11.29 0.28
1.77 -15.62 17.27 16.95 1.95
2.00 -13.39 18.10 19.66 2.17
2.35 19.38 21.18 17.29 2.37
0.73 7.38 13.7 19.78 1.67
3.00 -23.05 24.15 19.07 2.88
测试油压，MPa
25
20
GRAY
15
10
5
0 0
25
5
10
15
20
5
0
0
5
10
15
20
25
计算油压，MPa
测试流压，MPa
汇报内容
2007·全国 气举技术研讨会
多相管流计算方法 多相管流评价模型 多相管流计算方法优选 气举工艺设计分析
气举工艺设计分析
1 n
n j 1
pxj pmj pmj
压力标准误差E3表示计算结果的离散程度：
E3
2
1
n 1
n j1
pxj pmj pmj
E1
多相管流评价模型
2007·全国 气举技术研讨会
3
RPF
E j E j min
j1 E j max E j min
C类－考虑滑脱并划分流型。不仅需要两相流持液率和摩阻系数
计算关系式，而且需要预测流型的方法，只要确定了流型， 就能确定相应的持液率和摩阻系数计算关系式，加速度压 降梯度的方法也可以确定。
多相管流计算方法
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9
方法 Fancher & Brown Hagedorn & Brown