油气井流体力学 第3章 固液两相流动
第3章井筒流动动态
d d P hm gsin m vmd dm v Z fmd mv 2 m 2
(2)多相垂直管流压力分布计算步骤 1)按深度增量迭代的步骤
①已知任一点(井口或井底)的压力作为起点，任选一个 合适的压力降作为计算的压力间隔；
②估计一个对应的深度增量⊿H； ③计算出该管段的平均温度及平均压力 ，并确定在该
倾斜多相管流断面1和断面2的流体的能量平衡关系为：
U 1 m 1 sg i m n Z 2 1 2 P 1 v V 1 q U 2 m 2 sg i m n Z 2 2 2 P 2 v V 2
d m U m v sd i g n d v Z ( P ) d V 0 q
简化后得： V d m P v m s dg i d v n d Z w l 0
流上升过程中其压力低于饱和压力后，油中溶解的天然 气开始从油中分离出来，油管中便由单相液流变为气-液 两相流动。
(2)气液混合物在垂直管中的流动结构—流动型态的 变化
流动结构（流型）：流动过程中油、气的分布状态。
流型与油气体积比、流速及油气的界面性质有关。
①纯液流：井筒压力大于饱和压力，天然气溶解在原油中。
个流型区，在分离流与间歇流之间增加了过渡区。
图7 Beggs-Brill流型分布图
表2 Beggs-Brill法流型判别
判别条件 EL 0.01时NFrL1 EL 0.01时NFrL2
EL 0.01,L2 NFrL3 0.01EL 0.4时L3 NFrL1 EL 0.4时L3 NFrL4
②泡流：井筒压力稍低于饱和压力时，溶解气开始从油中
分离出来，气体都以小气泡分散在液相中，气泡直径相对 于油管直径要小很多。这种结构的混合物的流动称为泡流。
液固两相流体力学的基础理论与应用
液固两相流体力学的基础理论与应用概述液固两相流体力学是研究液体和固体之间相互作用和运动规律的一门学科。
它主要涉及流体的力学性质、流体的运动规律以及流动介质的相互作用等方面内容。
本文将介绍液固两相流体力学的基础理论和应用。
基础理论流体力学基础液固两相流体力学起源于流体力学的基础理论。
流体力学是研究流体静力学和流体动力学的学科。
其中，静力学研究流体在静止状态下的力学性质，动力学研究流体在运动状态下的力学性质。
在液固两相流体力学中，需要研究流体在流动状态下与固体之间的相互作用，以及固体对流体流动的影响。
液固两相流模型液固两相流模型是研究液体和固体之间相互作用的数学模型。
其中，最常用的模型有欧拉-拉格朗日两相流模型和欧拉-欧拉两相流模型。
•欧拉-拉格朗日两相流模型：欧拉描述了流体的宏观运动规律，拉格朗日描述了固体的微观运动规律。
该模型将流体和固体描述为两个不同的参考系，通过求解两个参考系中的运动方程来研究液固两相流的运动规律。
•欧拉-欧拉两相流模型：该模型将流体和固体都描述为宏观参考系中的连续介质，通过求解两种连续介质的运动方程来研究液固两相流的运动规律。
该模型适用于流体与固体之间有明显相互作用的情况。
流态和相态的判定在液固两相流体力学中，流态和相态的判定是研究的重点之一。
流态指的是流体流动的状态，可以分为层流和湍流两种。
相态指的是流体在液相和气相之间的转变状态，可以分为液相、气相和两相共存三种。
•层流：流体在流动过程中，流线之间是平行且不交错的，流体粒子的相对运动是有序的。
层流流动的条件是：粘性力占主导地位，流速较低，管道直径较小。
•湍流：流体在流动过程中，流线之间交错和混乱，流体粒子的相对运动是无序的。
湍流流动的条件是：惯性力占主导地位，流速较高，管道直径较大。
•液相：流体以液态存在，分子间相互作用力较大。
•气相：流体以气态存在，分子间相互作用力较小。
•两相共存：流体中同时存在液相和气相。
应用液固两相流体力学的研究和应用涉及众多领域，下面介绍其中几个重要的应用。
固液两相流与颗粒流的运动理论及实验研究
固液两相流与颗粒流的运动理论及实验研究近年来，固液两相流和颗粒流在许多工业领域中被越来越多地使用，是一种重要的热物理现象。
本文从固液两相流和颗粒流的运动理论及实验研究的角度出发，首先对固液两相流的本质概念进行简要总结，然后梳理固液两相流的运动规律，从宏观到微观，探究多种流体的运动机制，并讨论颗粒流的运动特性。
固液两相流是指存在两个可独立存在的,具有不同性质的相组成的流体,在对流量和力学环境下运动的一种物理现象。
从动力学角度来看，固液两相流被分为固体和液体两个不同的部分，它们分别受到不同的重力和粘性力的作用，具有不同的驱动力，形成的运动状态也不同。
例如，在重力下，具有质量和形状不同的固体颗粒会因为重力、粘性和空气阻力等因素而产生不同的运动轨迹。
此外，受重力作用，液体中悬浮的颗粒或气泡也会发生运动。
宏观角度观察固液两电流，可以把其分为湍流和非湍流两种状态。
从湍流出发，可以得到熵递减原理，颗粒在运动过程中，湍流驱动力会使其运动轨迹发生变化；从非湍流出发，推导出固液两相流的克服斯特林运动方程，运动状态受到温度、粘度和速度的影响。
在此基础上，可以建立宏观的固液两相流与颗粒流的运动模型，形成作用域，提出关于粒子流动的约束条件。
微观角度来观察固液两相流和颗粒流，主要是考察颗粒的表面活性和分布以及流体粘性和密度等因素对固液两相流运动的影响。
比如，液体介质中流动的固体颗粒表面活性会使整个流体受到表面力的作用，这会改变流体的结构，形成新的液体流动模式。
此外，液体中的颗粒的分布特性也影响着其流动状态，研究表明，颗粒的粒度和粒径等因素会影响到它们的悬浮状态、运动路径以及湍流性能。
最后，流体粘性影响着液体中固体颗粒的运动，当粘度系数增大时，颗粒会运动受阻，粒径较小的颗粒会遇到更大的阻力，使得它们的流动路径发生变化。
基于对固液两相流及颗粒流运动的理解，研究者利用实验室条件对其进行了大量的测试和实验研究，探究固液两相流的流动特性、粘度、湍流性能以及颗粒的分布、动力学性质等。
固液两相流与颗粒流的运动理论及实验研究
固液两相流与颗粒流的运动理论及实验研究随着流体力学与工程技术的发展，固液两相流与颗粒流的运动理论及实验研究也受到了广泛关注。
本研究旨在通过研究固液两相流与颗粒流的运动规律，以及该运动规律在工程应用中的应用，为深入理解固液两相流与颗粒流的运动机理提供理论支持。
一、固液两相流的运动机理固液两相流是由两种或多种相（固相和液相）组成的复杂流体系统，例如水和悬浮颗粒等。
固液两相流的运动机理主要受制于固相和液相的物理和化学性质，其运动行为受到流体流动、物理和化学作用的影响。
因此，在尺度上的运动规律拥有较大的变化，而且与尺度有关。
在宏观尺度上，固液两相流的运动机理主要受流体流动作用的影响，它的运动受到流体的静力、动力学和热力学三个层次的影响。
它由流体的压力梯度、粘度分布和外力作用所决定，同时受到流体温度与湿度等气象条件的影响。
在微观尺度上，固液两相流的运动受到物理和化学作用的影响，其物理作用主要有流体的内部变形、内部磨擦、液-固相间的表面张力以及液-固相间的多种相互作用等；其化学作用主要有液-固相间的溶质运移、化学反应等物理-化学过程。
二、颗粒流的运动机理颗粒流是由种类多样的颗粒组成的流体，这些颗粒的大小形状不同。
颗粒流的运动机理也是复杂的，受制于流体流动、物理和化学作用等多种因素的影响。
颗粒流的运动机理以流体流动为基础，由颗粒间的碰撞和相互作用以及颗粒与流体的相互作用的复合作用决定。
颗粒流的运动主要受到流体的压力分布、粘度分布、内部流速分布以及外力和激励力的影响。
颗粒流微观运动机理主要受到流体内部变形作用、颗粒间碰撞作用、颗粒间表面张力作用及溶质运移作用等多种物理和化学作用的影响，同时还受到气象条件的影响。
三、固液两相流与颗粒流的工程应用固液两相流与颗粒流的工程应用在实际工程中广泛存在，被广泛应用于冶金、陶瓷、石油、医药、化工、环境等行业的技术中。
固液两相流在化工工业中的应用十分广泛，常见的有气体-液体混合物的解离技术，比如油水分离；在陶瓷工业中，利用固液两相流技术可以研制出优质、高性能的陶瓷材料；在冶金工业中，固液两相流技术可以有效地把铁与煤粉混合物分离，从而获得高品位的铁粉；在石油工业中，固液两相流技术可以用来净化石油中的杂质；在环境保护中，固液两相流技术可以有效地去除水中的有害物质等。
油气井流体力学教学课件气液两相流动
两相流动基础
定义和分类
讲解两相流动的定义和分类， 为后续的学习做好铺垫。
基本特性
介绍两相流动的基本特性，帮 助学生理解其与单相流动的区 别。
方程式和数学模型
探讨两相流动的基本方程式和 数学模型，帮助学生掌握分析 两相流动的基本方法。
气液两相流动实例分析
1
油气井应用
以油气井为例，分析气液两相流动的
数学模型和计算方法
2
实际应用，帮助学生了解其实际背景 和重要性。
讲解气液两相流动的数学模型和计算
方法，帮助学生学会分析并计算流体
力学问题。
3
影响因素
探究影响油气井气液两相流动的因素， 帮助学生理解问题本质和提升专业能 力。
常用工具与技术
常用工具和软件
简要介绍气液两相流动的 常用工具和软件，方便学 生初步了解仪器设备和软 件平台。
实验技术
说明常用的气液两相流动 实验技术，帮助学生学会 实践操作。
应用指导
指导学生在实践中如何应 用工具和技术，帮助他们 学会独立思考和解决问题。
总结与展望
基本知识点和理论
总结气液两相流动的基本知识 点和理论，为学生巩固和深化பைடு நூலகம்学习内容。
未来发展方向
展望气液两相流动领域的未来 发展方向，为学生提供前瞻性 的宏观视角。
学习提示
提醒学生在学习和实践中需注 意的问题和方法，促使学生在 软硬实战中成长。
油气井流体力学教学课件 PPT气液两相流动
这是一份关于油气井流体力学和气液两相流动的教学课件。我们会介绍基本 概念和原理，并分析两相流动的数学模型和实际应用。欢迎来到本次讲座！
概述
基本概念
介绍油气井流体力学的基本概念，为后续学习做好铺垫。
油气井流体力学教学课件固液两相流动
固相颗粒的大小和种类多 样，使流动变得复杂多变。
固液两相流动常常出现不 均匀分布的情况。
3 相互作用
固相颗粒会对液体产生阻 力，影响流动的速度和特 性。
固液两相流动的数学模型
固液两相流动的数学模型包括连续介质方程、动量方程、能量方程等，用于 描述流体和颗粒之间的相互作用。
固液两相流动的基本特性
固液两相流动的基本特性包括固相体积分率、固相颗粒大小、固相颗粒的种 类和性质，以及两相流动的分类和性质。
固液两相流动的流态
固液两相流动存在不同的流态，包括静止态、层流态、不稳定态等。流态的转换是固液两相流动研究的重要课 题。
固液两相流动的基本性质
固液两相流 计算方法等。
固液两相流动的应用
固液两相流动在石油工程中有着广泛的应用，例如油井压裂、泥浆循环等。此外，固液两相流动的研究也为其 他工程领域提供了重要的参考。
结论
通过学习固液两相流动的基本理论，我们可以更好地理解油气井中流体的运 动规律，并为提高油气井的生产效率做出贡献。展望未来，固液两相流动的 研究将在石油工程中发挥更重要的作用。
油气井流体力学教学课件 PPT固液两相流动
油气井流体力学教学课件PPT：固液两相流动. 介绍固液两相流动，数学模型， 基本特性，流态和应用。
什么是固液两相流动
固液两相流动指的是同时存在固体微粒和液体的流动现象，常见于石油工程中的油井中。
固液两相流动的特点
固液两相流动具有以下特点：
1 复杂性
2 非均匀性
油气井流体力学教学课件气液两相流动
混合物速度
vm Q / A (vG vL ) / A (0.15 0.85) /(3.14 0.0252 / 4) 60 33.9m / s
第五章 气液两相流动
第二节 气液两相流动基本方程式
2.1 基本参数 〖例〗气液混合物在内径25mm的管道内流动，气体和液体的体积流量分别为 0.85m3/min和.15 m3/min，由高速摄影测得气泡的速度为50m/s，试求体积 含气率、截面含气率、液相的速度以及气相和液相的折算速度、漂移速度。
第五章 气液两相流动
第一节 多相混合物特征
1.2 多相混合物流动图例
多相流在油气储运工程中的应用
气
油
水
第五章 气液两相流动
第一节 多相混合物特征 第二节 气液两相流动基本方程式 第三节 气液两相流动流型和流型图 第四节 气液两相流动压力降
第五章 气液两相流动
2.1 基本参数
第二节 气液两相流动基本方程式
第五章 气液两相流动
第三节 气液两相流动流型和流型图
汽泡状沸
垂
腾终止线
直
管
液
体
受
热
沸
腾
上
升
汽泡状沸 腾开始线
过热蒸汽线 蒸干线
第五章 气液两相流动
第三节 气液两相流动流型和流型图
L
J
2 L
G2 (1
L
x)2
G
J
2 G
G2x2
G
垂直上升管流型分布图
第五章 气液两相流动
第三节 气液两相流动流型和流型图
第五章 气液两相流动
第一节 多相混合物特征
固液两相流模型
固液两相流模型固液两相流模型是研究固体颗粒在液体中运动和传递的流体力学模型。
在工程领域中，固液两相流模型被广泛应用于颗粒输送、颗粒分离、颗粒沉降等过程的设计和优化。
本文将介绍固液两相流模型的基本原理、常用模型和应用领域。
固液两相流模型的基本原理是基于质量守恒、动量守恒和能量守恒的基本方程。
在固液两相流中，固体颗粒和液体之间存在着相互作用力，包括颗粒与颗粒之间的相互作用力和颗粒与液体之间的相互作用力。
这些相互作用力会影响颗粒的运动和传递过程。
在固液两相流模型中，常用的模型包括离散元模型（DEM）、多相流模型和颗粒流模型。
离散元模型是一种基于颗粒之间相互作用力的模型，通过追踪每个颗粒的运动和相互作用，来模拟固液两相流的行为。
多相流模型是一种基于连续介质假设的模型，将固体颗粒和液体视为连续介质，通过求解连续介质的质量守恒、动量守恒和能量守恒方程，来模拟固液两相流的行为。
颗粒流模型是一种介于离散元模型和多相流模型之间的模型，将颗粒视为离散元，将液体视为连续介质，通过求解离散元的运动方程和连续介质的守恒方程，来模拟固液两相流的行为。
固液两相流模型在许多领域中有着广泛的应用。
在矿山工程中，固液两相流模型被用于研究矿石的输送和分离过程，以提高矿石的回收率和降低能耗。
在化工工程中，固液两相流模型被用于研究颗粒在反应器中的运动和传递过程，以提高反应器的效率和产品质量。
在环境工程中，固液两相流模型被用于研究颗粒在水体中的沉降和悬浮过程，以评估水体的污染程度和设计水处理设备。
总之，固液两相流模型是研究固体颗粒在液体中运动和传递的流体力学模型。
通过基本原理和常用模型，可以模拟和预测固液两相流的行为。
固液两相流模型在工程领域中有着广泛的应用，可以用于颗粒输送、颗粒分离、颗粒沉降等过程的设计和优化。
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928(9)(0.49)(0.25) 18 58
25
第三章 环空固液两相流动
第二节
岩屑传输率
例3.3 计算传输效率，岩屑直径0.25in，比重2.6(21.6-lbm/gal)。粘土钻井液密 度为9.01bm/gal，其环空返速为120ft/min(2.0ft/s)，环空尺寸为10×5in。分别 用Moore、Chien、Walker和Mayes关系式求解。从旋转粘度计上读得参数如上 表。假定岩屑直径及厚度均约为0.25in。
K
510 (30) 152 eq cp 0.74 511
23
第三章 环空固3.3 计算传输效率，岩屑直径0.25in，比重2.6(21.6-lbm/gal)。粘土钻井液密 度为9.01bm/gal，其环空返速为120ft/min(2.0ft/s)，环空尺寸为10×5in。分别 用Moore、Chien、Walker和Mayes关系式求解。从旋转粘度计上读得参数如上 表。假定岩屑直径及厚度均约为0.25in。
v sl vT FT 1 va va
传输率为正值时，岩屑被携带到地面。当颗粒沉降速度为零时，岩屑平 均速率与平均环层速率相等，岩屑传输率为整数。随着颗粒沉降速度的 增加，传输率减小，岩屑在环空向地面传输途中浓度增大。所以，岩屑 传输率是钻井液携岩能力的量度。
16
第三章 环空固液两相流动
第二节
24 f N Re
4
第三章 环空固液两相流动
第一节
1.1 牛顿流体 形状 球体 八面体 圆球度 1.0 0.85
颗粒沉降速度
立方体
圆柱体 h=r/15 h=r/10 h=r/3 h=r h=2r h=3r h=10r h=20r
0.81
0.25 0.32 0.59 0.83 0.87 0.96 0.69 0.58
10×5in。分别用Moore、Chien、Walker和
Mayes关系式求解。从旋转粘度计上读得参数如右 表。假定岩屑直径及厚度均约为0.25in。 解：Moore 模式
200
300 600
22
30 50
稠度系数K和流性指数N根据300转和600转的粘度计读数求得：
50 n 3.32 log 0.74 30
va
对于粘土在水中悬浮问题，推荐使用塑性粘度代替表观粘度。在颗粒雷诺 数小于100时：
a v sl 0.0075 d f s
36800 ds a d f s
2
s f 1 1 f
10
第三章 环空固液两相流动
第一节 1.4 Moore关系式 颗粒沉降速度
n
1 1 n 2 d 2 d1 K n a 144 0.0208 va s f v sl 1.54 d s f
当流核雷诺数≤3时，流体处于层流状态，
8
第三章 环空固液两相流动
第一节 1.2 非牛顿流体 颗粒沉降速度
9
第三章 环空固液两相流动
第一节 1.2 非牛顿流体 颗粒沉降速度
d s g ( s f ) g (d s / 6)
2 3
gd s g (s f ) 6
微粒直径必须大于
g 10.4( s f )
s f v sl 2.19 h f
14
与
第三章 环空固液两相流动
第一节 颗粒沉降速度 1.6 Walker和Mayes关系式
则用于确定颗粒雷诺数的表观粘度由下式得到：
s a 479 s
s 7 .9 h ( s f )
s
g 10.4ds ( s f )
例2 泥浆密度为9lbm/gal，胶凝作用力为5lbm/100sqft，沙砾比重为2.6。试计 算能在钻井液中悬浮的沙砾的最大直径。
g 5 ds 0.038in 10.4( s f ) 10.42.6(8.33) 9.0
岩屑传输率
预测岩屑传输率的各种方法对比
17
第三章 环空固液两相流动
第二节
岩屑传输率
各种 方法 预测 岩屑 传输 效率 的误 差直 方图
18
第三章 环空固液两相流动
第二节
岩屑传输率
Moore 和 Chien 关系式 预测下 滑速度 的误差 直方图
19
第三章 环空固液两相流动
第二节
岩屑传输率
通过提高泥浆泵排量可以降低环空泥浆平均密度，从而提高岩屑传输效率。 但是，随着泥浆泵排量增加到达一定值后，井底压力会随着流量的增加而 增大，这是因为在环空产生了过大的磨擦压力损失。同时，由于钻柱中的 过大摩擦压力损失，钻头处的喷射冲击力开始随着流量的增大而降低。因 此，存在一个最优化流量，在该流量下，钻进每英尺理论费用最小。
13
第三章 环空固液两相流动
第一节 颗粒沉降速度 1.6 Walker和Mayes关系式
Walker和Mayes提出了用磨擦系数来求滑脱速度的关系式，适用于圆片。
s f 2 gh f 2 v sl f
颗粒雷诺数大于100时，认为流动模式是紊流，并假定f=1.12，则：
颗粒沉降速度
A ds / 4
2
1 2 E K f v s1 2
F f AEK
s f ds f 3.57 2 v s1 f
d v s1 1.89 s f
s f f
颗粒沉降速度公式可用于雷诺数小于0.1的情况。
环空返速为120ft/min(2ft/s)时的表观牛顿粘度为：
1 n
K d 2 d1 a 144 va
2 1/ n 152 10 5 0.0208 144 2
n
0.26
2 1/ 0.74 0.0208
数学模型的建立
传输方式和通用方程 模拟结果
2
第三章 环空固液两相流动
第一节 1.1 牛顿流体
重力W、浮力Fbo和粘性阻力F平衡
颗粒沉降速度
F W Fbo ( s f ) gVs ( s f ) g (d s / 6)
3
粘性阻力F与球形颗粒的沉降速度之间的关系(stokes)
5
第三章 环空固液两相流动
第一节 颗粒沉降速度 1.1 牛顿流体 例1 钻井液的密度为8.33lbm/gal，粘度为1cp，含沙量约为1%（体积分数）。如果 钻井液停止循环30分钟，将有多少砂砾沉降到井底？假定砂砾的平均粒径为 0.0025in，圆球度为0.81，比重为2.6,沙砾沉降物的孔隙度为0.4 。 解： 2 2
20
第三章 环空固液两相流动
第二节
岩屑传输率
岩屑传输优化结果实例
21
第三章 环空固液两相流动
第二节
调整流体性 质（粘度、 密度）及增 加环空返速 可增大岩屑 传输效率。 在多数情况 下，使用低 粘度流体可 实现每英尺 的理论费用。 岩屑传输率
泥浆粘度对优化岩屑传输效率和降低每英尺费用的影响实例
22
=电机速度 × 1.03
s
=刻度盘读数 × 1.066
雷诺数小于100时
v sl 0.0203 s
d s s
f
15
第三章 环空固液两相流动
第二节
岩屑传输率 岩屑向地面运移的速度为流体流动速度和颗粒沉降速度之差。 传输速度：颗粒相对于地面移动的速度
vT v a v sl
传输率为传输速度与平均环空返速之比：
6
s f ds f 3.57 2 v s1 f
第三章 环空固液两相流动
第一节
1.1 牛顿流体
颗粒沉降速度
7
第三章 环空固液两相流动
第一节 颗粒沉降速度 1.1 牛顿流体 例1 钻井液的密度为8.33lbm/gal，粘度为1cp，含沙量约为1%（体积分数）。如果 钻井液停止循环30分钟，将有多少砂砾沉降到井底？假定砂砾的平均粒径为 0.0025in，圆球度为0.81，比重为2.6,沙砾沉降物的孔隙度为0.4 。 解：
既然雷诺数介于3～300之间，则求解正确。故在环空流速2.0ft/s、岩屑 下滑速度为0.49ft/s条件下的岩屑传输效率为：
FT
2.0 0.49 0.755 or 75.5% 2.0
26
第三章 环空固液两相流动
第二节
岩屑传输率
例3.3 计算传输效率，岩屑直径0.25in，比重2.6(21.6-lbm/gal)。粘土钻井液密 度为9.01bm/gal，其环空返速为120ft/min(2.0ft/s)，环空尺寸为10×5in。分别 用Moore、Chien、Walker和Mayes关系式求解。从旋转粘度计上读得参数如上 表。假定岩屑直径及厚度均约为0.25in。
vs1
138d s ( s f )
138(0.025) 2.6(8.33) 8.33 1.15 ft/s 1
N Re
928 f vs1d s
928(8.33)(1.15)(0.025) 222. 1
3.572.6(8.33) 8.330.025 0.108 2 8.33(1.15)
F 3d s v s1
1 ds v (s f )g 则颗粒沉速为： s1 18
vs1 138d s ( s f )
2
2
（工程单位）
适用于雷诺数小于0.1的流动
N Re