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。
垂直管流实验报告+数据处理+思考
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
5 0.062 0.021 0.080
650
0.89 10’’10 段 塞 流
6 0.060 0.013 0.080
475
7 0.050 0.008 0.081
500
8 0.052 0.007 0.081
500
9 0.052 0.007 0.081
500
10 0.051 0.008 0.081
550
之间的相对运动速度很小；气相是整个流动的控制因素。
0.28 10’’06 段 塞 流
0.26 10’’19 段 塞 流
0.26 10’’06 段 塞 流
0.27 10’’01 段 塞 流
0.27 10’’09 段 塞 流
0.27 10’’04 段 塞 流
0.28 09’’97 段 塞 流
0.27 09’’86 段 塞 流
0.28 10’’11 段 塞 流
号
型
1 0.067 0.02 0.081
550
0.98 10’’42 段 塞 流
2 0.062 0.022 0.080
600
0.96 10’’29 段 塞 流
3 0.064 0.021 0.079
625
0.93 10’’62 段 塞 流
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。
油气水多相管流预测方法研究
摘要 ：为解决常 用多相流计 算方法对现场 实测 井预测存在较 大偏差的问题 ，运 用室 内实验与拟 合检验相 结合的方法 ，开展 了油气水 多相管流 系统性 实验研 究。对流型预 测模 型及其 中 ２种 具有持 液率计 算能力的预测模 型 （Ｂｅｇｇｓ—Ｂｒｉｌｌ、Ｍｕｋｈｅｒｊｅｅ—Ｂｒｉｌ１）进 行检验后 发现 ，最适合 的流 型预 测 方 法 为 Ｍｕｋｈｅ ｒｉｅｅ—ＢｒｉⅡ模 型 ，其 准 确 性得 到 进 一 步 验 证 ；明 确 持 液 率 预 测 的 准确 性 是 压 降预 测 的 关 键 因素 。 重 新 拟 合 得 到 的预 测新 模 型 ，经 现 场 实 测 数 据 检 验 表 明 ，其 平 均 相 对误 差 为 ５．０８％，较其他模型预测精度 至少提 高 ３个百分点 ，表 明新预 测模 型具有较 高的精度 与可靠 性。新模 型能够为 实际油 气井的生产设 计提 供理论参考 。 关键 词 ：多相 流 ；流型 ；压降预 测 ；持 液率 中 图 分 类 号 ：ＴＥ３１２ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编号 ：１００６—６５３５（２０１８）０２－００７０－０６
０ 引 言
多 相管 流 的研 究 已经 有 ３０多 年 的历 史 ，研 究 得 到 的多 相管 流预 测方 法有 二 十几种 ，被 广泛 应 用 的多相 流计 算 方法 接近 １０种 。多相 管流 预测 方 法 按 导 出原 理可 分为 半 经验 、经验 模 型 和 机 理模
型 。。Ｊ。尽管如此 ，多相管流还存在很多不完善和 亟 待解 决 的 实 际 问题 。早 前 ，由 于 实 验 条 件 有 限 （介 质 、流 量 范 围 、测 量 仪 器 精 度 等 ），能 在 油 、 气 、水 三相 流基 础 上 得 到 的 多相 流 计 算 方 法 较 少 。 近 年来 ，中国著 名科 研 院所开 始侧 重 于稠 油多相 流 动 方 面 的研 究 ｊ，直 接 忽 略 了 对 常 规 黏 度 原 油 与
多相流技术在凝析气管道输送中的应用
多相流技术在凝析气管道输送中的应用近年来，随着环境友好型能源的发展，在凝析气输送中采用多相流技术已逐渐受到关注。
凝析气是从天然气中提炼出来的一种有利的可再生能源，其能源密度要比煤、燃料油高得多，可以给大型火力发电厂或涡轮发电机组提供较高的热效率。
与传统的气体输送相比，多相流技术可以有效减少污染，降低能源消耗，减少温度差异。
因此，多相流技术在凝析气输送中的应用越来越受到重视，具有重要的实际意义。
首先，多相流技术具有较低的能耗，可以有效地提高凝析气的输送效率。
多相流技术主要是将凝析气经过气液混合、加热、压缩等过程进行输送，可以起到省能的作用，其中的加热和压缩可降低温度差，减少需要投入的能量。
另外，多相流技术还能够将输送流程简化，可以将多个设备结合在一起，减少环节，缩短输送距离，节省能源。
其次，多相流技术可以降低污染，降低碳排放。
采用多相流技术的管道系统的输送可以有效地控制废气排放，大大减少污染环境的机会，从而有效地减少碳排放量。
此外，多相流技术还可以延长管道的使用寿命，减少对现有管道的改造，进一步降低碳排放。
再者，多相流技术可以促进人类社会的可持续发展。
采用多相流技术，可以提高凝析气的质量，提高气体输送的效率，降低环境污染，消除能源危机，使社会的经济发展和环境保护可以更好的协调发展，为保护环境和可持续发展做出贡献。
综上所述，多相流技术在凝析气输送中的应用具有重要实际意义。
多相流技术可以降低能耗、降低污染、减少温度差异，可以有效地促进人类社会的可持续发展，成为当今可再生能源发展的重要技术手段和保护环境的有效措施。
鉴于以上优势，政府应该加大对多相流技术的投入，加强政策支持，推动凝析气的应用，促进凝析气的全面发展，更好地服务于日益增长的能源消费需求，打造环保型的能源输送体系，谱写人类可持续发展的新篇章。
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。
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多相管流计算方法对气举工艺设计影响分析
作者：钟海全， 李颖川， 刘永辉
作者单位：钟海全,刘永辉(西南石油大学)， 李颖川("油气藏地质及开发工程"国家重点实验室)
1.王新芳PIPESIM在气举优化设计上的应用介绍[会议论文]-2007
2.牛瑞云国内外气举技术标准简介[会议论文]-2007
3.钟海全.李颖川.刘永辉.喻欣单管球塞气举与球塞助喷实验研究[会议论文]-2007
4.王强.罗文银.曹祥元.劳胜华气举采油技术在让那若尔油田的应用[会议论文]-2007
5.刘德基.温伟豪.王良.马帅帮投捞式气举工作筒的研制及应用[会议论文]-2007
6.李松岩.李兆敏.林日亿.LI Song-yan.LI Zhao-min.LIN Ri-yi泡沫举升排酸过程井筒压力温度数学模型研究[期刊论文]-西南石油大学学报（自然科学版）2009,31(2)
7.陈武.卞超锋.朱其佳.尹先清.梅平涠洲12-1油田油井结垢机理研究[期刊论文]-油气田环境保护2006,16(3)
8.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
9.郑满圈.张子胜.张建军.王维忠柱塞增强腔室气举技术[会议论文]-2004
10.张丽娜.王小尚.张荷玲.杜绪联新型油水两相水平管流流型分类方法[期刊论文]-油气储运2006,25(10)
本文链接：/Conference_6533053.aspx。