重庆气矿多相管流排水采气新技术课件.ppt

1、1井筒多相管流及排水采气井筒多相管流及排水采气新工艺技术新工艺技术钟海全钟海全西南石油大学2007.82 典型油气田生产系统典型油气田生产系统 井筒气相管流井筒气相管流 井筒多相管流井筒多相管流 工程常用两相管流模型工程常用两相管流模型 气举排水采气技术气举排水采气技术 柱塞气举排水采气柱塞气举排水采气 球塞气举排水采气球塞气举排水采气 分体式柱塞气举排水采气分体式柱塞气举排水采气3典型油气田生产系统典型油气田生产系统4典型油气井生产系统典型油气井生产系统气体气体完井方式完井方式油嘴油嘴井下安全阀井下安全阀油管油管地面管线地面管线增压机增压机分离器分离器产层产层液体液体井下油嘴井下油嘴5油气井

2、生产系统中压力损失油气井生产系统中压力损失D DP1 = PR PwfsD DP2 = Pwfs PwfD DP3 = PUSV PDSVD DP5 = Pwf PtfD DP6 = Ptf PDSCD DP7 = PDSC PRBD DP9 = Psep PCDD DP8 = PRB PsepD DP4 = PUWC PDWC6油气井生产系统中温度变化油气井生产系统中温度变化D DT3 = TUSV TDSVD DT1 = TR TwfsDTDT2 = Twfs TwfD DT6 = Ttf TDSCD DT7= TDSC TRBD DT9 = Tsep TCDD DT5 = Twf Ttf

3、D DT8 = TRB TsepD DT4 = TUWC TDWC7 典型油气田生产系统典型油气田生产系统 井筒气相管流井筒气相管流 井筒多相管流井筒多相管流 工程常用两相管流模型工程常用两相管流模型 气举排水采气技术气举排水采气技术 柱塞气举排水采气柱塞气举排水采气 球塞气举排水采气球塞气举排水采气 分体式柱塞气举排水采气分体式柱塞气举排水采气8将气相管流考虑为稳定将气相管流考虑为稳定的一维问题。在管流中取一的一维问题。在管流中取一控制体，以管子轴线为坐标控制体，以管子轴线为坐标轴轴z z，规定坐标轴正向与流，规定坐标轴正向与流向一致。定义管斜角向一致。定义管斜角为坐为坐标轴标轴z z与水平

4、方向的夹角。与水平方向的夹角。v+dvz+dzdzzp+dpwpvzgAdz 稳定一维气相流动稳定一维气相流动9连续方程连续方程 由质量守恒得连续性方程由质量守恒得连续性方程0dzvAd（1）动量方程动量方程 作用于控制体的外力应等于流体的动量变化作用于控制体的外力应等于流体的动量变化sinwdvgAdzpAp dp ADdzAdzdt 重力沿重力沿z轴分量轴分量压力压力管壁摩擦阻力管壁摩擦阻力动量变化动量变化10dzdvvADgdzdpwsin242vfwDvfDDDADwww244/22 管壁摩擦应力管壁摩擦应力摩阻项可表示为摩阻项可表示为 简化得压力梯度方程简化得压力梯度方程重力压降梯度

5、重力压降梯度摩阻压降梯度摩阻压降梯度动能压降梯度动能压降梯度11 单相管流摩阻系数单相管流摩阻系数Moody 摩阻系数图版摩阻系数图版 摩摩阻阻系系数数f对对比比粗粗糙糙度度e/D雷诺数雷诺数ReD完全粗糙管区完全粗糙管区光滑管光滑管层流层流f64/Re临界区临界区过渡过渡区区12vDNRe雷诺数表示流体惯性力与粘滞剪切力之比值，它是雷诺数表示流体惯性力与粘滞剪切力之比值，它是判判别层流与紊流的重要参数别层流与紊流的重要参数。通常认为，层流与紊流的分界。通常认为，层流与紊流的分界雷诺数为雷诺数为21002300。 雷诺数雷诺数 Jain摩阻系数公式摩阻系数公式9 . 0Re25.21lg214

6、. 11NDef管壁粗糙度的取值较困难，因其值不可直接测量。管壁粗糙度的取值较困难，因其值不可直接测量。可可根据测试的压力梯度计算其摩阻系数，由根据测试的压力梯度计算其摩阻系数，由Moody图反求有图反求有效的效的e/D值。值。新油管推荐新油管推荐e=0.016 mm (0.0006in）。）。 13根据井口参数计算井底静压或流压；根据井口参数计算井底静压或流压；已知输气管线两端压力计算其输气能力；已知输气管线两端压力计算其输气能力；一般的问题是根据管子两端压力或流量中的两个参一般的问题是根据管子两端压力或流量中的两个参数计算另一个参数；数计算另一个参数；由于气相管流压力梯度方程目前还不能直接

7、用解析由于气相管流压力梯度方程目前还不能直接用解析显式表示压力，所以发展了多种不同程度简化和近显式表示压力，所以发展了多种不同程度简化和近似的方法。似的方法。气体管流压降计算气体管流压降计算14根据井口参数计算井底压力，取坐标根据井口参数计算井底压力，取坐标z沿井轴向下为沿井轴向下为正，井口正，井口z=0。垂直井：测深垂直井：测深L等于垂深等于垂深H，90，sin=1；斜直井：斜直井：sin=H/L定向井：分段处理，定向井：分段处理， sini=Hi/Li关井静气柱：关井静气柱： 摩阻摩阻项项和动能项压力梯度均为零。和动能项压力梯度均为零。垂直井静气柱总压降梯度即为重位压降梯度。垂直井静气柱总

8、压降梯度即为重位压降梯度。gdzdpRTZpRTZpMgg97.2828.97gpgdpgdzRTZ分离变量积分分离变量积分静气柱压力计算静气柱压力计算15dzRTZgpdpwswhppHg097.28由于由于T，p，Z是沿井深变化的，为了便于直接积分，是沿井深变化的，为了便于直接积分，采用采用井筒平均温度和平均压力计算平均井筒平均温度和平均压力计算平均Z值值，积分得，积分得 ZRTgHppgwhws97.28lnTZHwhswhwsgepepp/03418. 016仍以井口为计算起点，沿井深向下为仍以井口为计算起点，沿井深向下为z的正向，与的正向，与气体流动方向相反。气体流动方向相反。忽略动

9、能压降梯度忽略动能压降梯度，垂直气井的压，垂直气井的压力梯度方程为：力梯度方程为：Dvfgdzdp22 任意流动状态（任意流动状态（p,T）下的气体流速可表示为：）下的气体流速可表示为：2141101. 029386400DZpTqABqBvvscgscgsc气井井底流压计算气井井底流压计算1722603418. 01032. 103418. 0pDqTZTZpDfTZpdzdpscggwswhppHgscdzTZdpDpTZqfp0522603418. 0/1032. 11将将v代入并化简：代入并化简：分离变量积分分离变量积分5221822/110324. 1DeTZqfeppSscSwhw

10、f油管内流动油管内流动D即为油管内径；油套环空流动有：即为油管内径；油套环空流动有：D5=(=(套管内径套管内径- -油管外径油管外径) )3 3( (套管内径套管内径+ +油管外径油管外径) )2 218设水平输气管线其流动方向与水平方向一致，设水平输气管线其流动方向与水平方向一致，无高无高程变化故不存在重位压降。忽略动能压降程变化故不存在重位压降。忽略动能压降,故总压降梯故总压降梯度为摩擦压降梯度度为摩擦压降梯度Dvfdzdp22分离变量积分分离变量积分 522022211005. 9DfLTZqppscg水平输气管线压降水平输气管线压降19对于含有重烃的凝析气井，在油管的举升过程中会部分

11、冷对于含有重烃的凝析气井，在油管的举升过程中会部分冷凝成液相，形成气液两相流动。由于这类气井的气液比很高且凝成液相，形成气液两相流动。由于这类气井的气液比很高且紊流程度严重，气液两相混合较为均匀，紊流程度严重，气液两相混合较为均匀，可视为均匀的单相流可视为均匀的单相流（称为拟单相流）。（称为拟单相流）。凝析气井的产出物包括三部分：即经地面分离器分离出的凝析气井的产出物包括三部分：即经地面分离器分离出的干气、凝析油罐逸出的凝析气和凝析油干气、凝析油罐逸出的凝析气和凝析油。当井底流压接近凝析。当井底流压接近凝析气的上露点压力，油管内可能存在液烃。气的上露点压力，油管内可能存在液烃。若气液比大于若气

12、液比大于1780m3（标）（标）/ m3，可近似考虑为单相气体流动，可近似考虑为单相气体流动。计算井底流动压力。计算井底流动压力须对须对和和作相应的修正作相应的修正。凝析气的修正凝析气的修正20凝析气总气量的修正凝析气总气量的修正TSGoEGTGqqq qq100024.04gEGoqM44.291.03oooMoogoggwMRR/24040830TGSGTGTGSGSGgqqqq复合气相对密度考虑凝析油物性和含量的综合影响，修正公式为复合气相对密度考虑凝析油物性和含量的综合影响，修正公式为21许多自喷井在井口都要安装节流装置许多自喷井在井口都要安装节流装置油嘴，用油嘴，用于控制气井的产量。

13、有多种情况要求限制气井的产量，于控制气井的产量。有多种情况要求限制气井的产量，包括防止底水锥进和地层出砂，通过调节油嘴的大小控包括防止底水锥进和地层出砂，通过调节油嘴的大小控制井口压力以满足地面设备的耐压要求或防止生成水合制井口压力以满足地面设备的耐压要求或防止生成水合物。物。节流部件种类很多，包括井口油嘴或针形阀，安装节流部件种类很多，包括井口油嘴或针形阀，安装在油管鞋附近的井下油嘴，油管上部的井下安全阀在油管鞋附近的井下油嘴，油管上部的井下安全阀(SSSV)，气举阀的气孔等。当气流通过这些流通截面突，气举阀的气孔等。当气流通过这些流通截面突缩部件时，其流动规律基本一致，可概括为嘴流。缩部件

14、时，其流动规律基本一致，可概括为嘴流。 气体嘴流动态气体嘴流动态22下图示意圆形孔眼的油嘴，若上游压力下图示意圆形孔眼的油嘴，若上游压力p1保持不变，气保持不变，气体流量（标准状态下）将随下游压力体流量（标准状态下）将随下游压力p2的降低而增大。但当的降低而增大。但当p2达到某值达到某值pc时，流量将达到最大值即临界流量。若时，流量将达到最大值即临界流量。若p2再进再进一步降低时，流量也不再增加。一步降低时，流量也不再增加。p2p1dqpc/p1p2/p1qsc 嘴流示意图嘴流示意图 嘴流动态关系嘴流动态关系 23“临界流临界流”是流体在油嘴吼道里被加速到声速时的流动状态。是流体在油嘴吼道里被

15、加速到声速时的流动状态。在临界流状态下，油嘴下游压力变化对气井产量没有影响，因为在临界流状态下，油嘴下游压力变化对气井产量没有影响，因为压力干扰向上游的传播不会快于声速。因此，为了预测嘴流动态压力干扰向上游的传播不会快于声速。因此，为了预测嘴流动态即产量与节流压降的关系，必须确定是否为临界流状态。即产量与节流压降的关系，必须确定是否为临界流状态。根据热力学原理，临界压力比为根据热力学原理，临界压力比为:1112kkckpp11212kkkpp为临界流；否则为非临界流。为临界流；否则为非临界流。k为气体为气体绝热指绝热指数数由气体嘴流等熵原理，流量与压力比的关系为下式，由气体嘴流等熵原理，流量与

16、压力比的关系为下式，对于亚临界流状态：对于亚临界流状态： kkkgscppppkkZTdpq11221211211408. 0将将 代入上式便可得临界流嘴流最大产气量。代入上式便可得临界流嘴流最大产气量。 12121kkppk24节流后天然气温度节流后天然气温度由状态方程，节流上游进口处有由状态方程，节流上游进口处有1111pZ RT节流下游出口处有节流下游出口处有2222pZ RT天然气通过节流装置的流动可视为绝热过程天然气通过节流装置的流动可视为绝热过程1212kkpp节流下游天然温度节流下游天然温度1212112kkpZTTpZ25 典型油气田生产系统典型油气田生产系统 井筒气相管流井筒

17、气相管流 井筒多相管流井筒多相管流 工程常用两相管流模型工程常用两相管流模型 气举排水采气技术气举排水采气技术 柱塞气举排水采气柱塞气举排水采气 球塞气举排水采气球塞气举排水采气 分体式柱塞气举排水采气分体式柱塞气举排水采气26井筒多相流流动特性井筒多相流流动特性大多数的井筒流动是两相流（油气、油水）或三大多数的井筒流动是两相流（油气、油水）或三相流（油气水）。油井井筒内的相流（油气水）。油井井筒内的总压差主要是用来克总压差主要是用来克服流体的重力、摩擦损失以及相间的滑脱损失服流体的重力、摩擦损失以及相间的滑脱损失。影响。影响油气井生产情况的参数有：油管直径、流量、气液比、油气井生产情况的参数

18、有：油管直径、流量、气液比、含水率、流体密度、流体粘度、压力、温度。含水率、流体密度、流体粘度、压力、温度。流流动动方方向向 泡流泡流 段塞流段塞流 环雾流环雾流气液两相流主要流型气液两相流主要流型27井筒多相流流动特性井筒多相流流动特性泡流泡流 气体以小气泡形式分布于原油中。此时气体以小气泡形式分布于原油中。此时气体是分散相，液体是气体是分散相，液体是连续相连续相；气体主要影响混合物密度，对摩擦阻力的影响不大；滑脱；气体主要影响混合物密度，对摩擦阻力的影响不大；滑脱现象（在混合物向上流动中，气体超越液体的现象）比较严重。现象（在混合物向上流动中，气体超越液体的现象）比较严重。段塞流段塞流 原

19、油中析出大量气体，小气泡合并成大气泡，气团占据了油管原油中析出大量气体，小气泡合并成大气泡，气团占据了油管的大部分通道面积，的大部分通道面积，油气混合物呈气团和液柱在油管中交替流动油气混合物呈气团和液柱在油管中交替流动。此时气体的膨胀对液体的举升发挥了很好的作用，滑脱较小；油井此时气体的膨胀对液体的举升发挥了很好的作用，滑脱较小；油井的生产不均衡，有压力脉动的现象。的生产不均衡，有压力脉动的现象。环雾流环雾流 气量继续增多时，气泡上下扩展，突破了气团间的液柱，气量继续增多时，气泡上下扩展，突破了气团间的液柱，液体液体被挤向管壁，沿管壁向上运动，油管中心是连续的气流而管壁为油被挤向管壁，沿管壁向

20、上运动，油管中心是连续的气流而管壁为油环环。此时气、液两相都是连续的，气体举油主要是靠摩擦携带。此时气、液两相都是连续的，气体举油主要是靠摩擦携带。28井筒多相流能量损失井筒多相流能量损失当井深一定时，重力消耗的大小取决于混合物的密度，而混当井深一定时，重力消耗的大小取决于混合物的密度，而混合物的密度与滑脱现象有关。出现滑脱之后将增大混合物的密度，合物的密度与滑脱现象有关。出现滑脱之后将增大混合物的密度，从而增大混合物的重力消耗。因滑脱而产生的附加压力损失称为从而增大混合物的重力消耗。因滑脱而产生的附加压力损失称为滑脱损失。若以油柱表示能量损失，则油气混合物沿井筒流动时滑脱损失。若以油柱表示能

21、量损失，则油气混合物沿井筒流动时总的能量损失总的能量损失H为为 H=Hm+Hf+HS油气混合物油气混合物重力消耗重力消耗摩阻损失摩阻损失滑脱损失滑脱损失气体流量与能量损失关系气体流量与能量损失关系H,mV，L/s管长管长1m，管内径，管内径73mm，液体流量为液体流量为2.4L/s。1VHmHs2VHf3VHHmHs随气体流量的增加而随气体流量的增加而降低。这是因为气体流量增加，降低。这是因为气体流量增加，滑脱损失和混合物的密度减小。滑脱损失和混合物的密度减小。摩擦损失随气体流摩擦损失随气体流量的增加而增加。量的增加而增加。HmHs随气体流量的增加而随气体流量的增加而降低。这是因为气体流量增加

22、，降低。这是因为气体流量增加，滑脱损失和混合物的密度减小。滑脱损失和混合物的密度减小。29井筒多相流计算模型井筒多相流计算模型要准确分析多相管流的流动特征是比较困难的，大多要准确分析多相管流的流动特征是比较困难的，大多采用现场试验和实验室模拟的方法，结合试验资料进行分析采用现场试验和实验室模拟的方法，结合试验资料进行分析来找出各变量的近似关系，从而得出较为实用的计算公式。来找出各变量的近似关系，从而得出较为实用的计算公式。应用较广泛的多相管流的相关式主要有：应用较广泛的多相管流的相关式主要有：右边各方法中右边各方法中仅仅Beggs- Brill和和Mukherjee - Brill方法方法考虑

23、了井斜角，其它都是基于考虑了井斜角，其它都是基于垂直流动。垂直流动。因此，上述两种方因此，上述两种方法也可以用于注入井和丘陵地法也可以用于注入井和丘陵地带地面管线管流计算。其它方带地面管线管流计算。其它方法对于定向井多相管流应谨慎法对于定向井多相管流应谨慎使用，并且不应用于注入井多使用，并且不应用于注入井多相管流计算。相管流计算。 Hagedorn and BrownDuns and RosGrayOrkizewskiAziz et alBeggsBrillsMukherjee-BrillFancher and BrownHasan-Kabir 机理模型机理模型30A类类不考虑滑脱及流型划分不

24、考虑滑脱及流型划分。混合物密度由输入气液比计。混合物密度由输入气液比计算，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。仅需两相流的摩阻系数计算关系式。B类类考虑滑脱，不做流型划分考虑滑脱，不做流型划分。仅需要两相流持液率和摩。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内截面积的分数，对于各种流型采用相同的持液率和

25、摩阻系数关系式。摩阻系数关系式。C类类考虑滑脱并划分流型考虑滑脱并划分流型。不仅需要两相流持液率和摩阻。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。系式，加速度压降梯度的方法也可以确定。井筒多相流计算模型分类井筒多相流计算模型分类31序号序号方法方法类型类型1Fancher and BrownA类类2Hagedorn and BrownB类类3GrayB类类4Duns and RosC类类5O

26、rikiszwskiC类类6Aziz et al.C类类7Beggs and BrillC类类8Mukherjee and BrillC类类9Hasan-Kabir机理模型机理模型32OGWM软件管流计算方法软件管流计算方法序号序号方法方法适用条件适用条件1单相气体修正单相气体修正气井、凝析气井气井、凝析气井2Hagendorn-Brown(1963)垂直油井、含水气井垂直油井、含水气井3Orkiszewski(1967)垂直油井垂直油井4Duns-Ros垂直油井垂直油井5Mukherjee-Brill(1985)垂直井、定向井或地面管线垂直井、定向井或地面管线6Beggs-Brill(197

27、3)垂直井、定向井或地面管线垂直井、定向井或地面管线7持液率优化模型持液率优化模型(SPE35612)测试压力数据优化压降模型测试压力数据优化压降模型8无滑脱无滑脱分析滑脱压降分析滑脱压降9Aziz (1992)垂直油井、含水气井垂直油井、含水气井10Hasan-Kabir(1985)垂直油井、含水气井垂直油井、含水气井11Gray(1978)凝析气井、高气液比井凝析气井、高气液比井12Ansari机理模型机理模型(1990)垂直油井、含水气井垂直油井、含水气井33 典型油气田生产系统典型油气田生产系统 井筒气相管流井筒气相管流 井筒多相管流井筒多相管流 工程常用两相管流模型工程常用两相管流模

28、型 气举排水采气技术气举排水采气技术 柱塞气举排水采气柱塞气举排水采气 球塞气举排水采气球塞气举排水采气 分体式柱塞气举排水采气分体式柱塞气举排水采气34工程常用两相管流模型工程常用两相管流模型Hagedorn-Brown（1965）Gray（1978）Orkiszewski（1967）Beggs-Brill（1973）Mukherjee-Brill（1985）Duns-Ros(1963年年)Hasan-Kabir（1988）Ansari模型模型35Hagedorn-Brown模型模型Hagedorn-Brown (1965)针对垂直井中油气水三相流动，针对垂直井中油气水三相流动，基于单相流体

29、和机械能守恒定律，建立了压力梯度模型；基于单相流体和机械能守恒定律，建立了压力梯度模型；并在装有并在装有1、11/4、11/2英寸油管的英寸油管的457m深的试验井中，以深的试验井中，以10、30、35和和110mPa.s的油、天然气和水混合物进行了大量的的油、天然气和水混合物进行了大量的现场试验，通过反算持液率，提出了用于各种流型下的两现场试验，通过反算持液率，提出了用于各种流型下的两相垂直上升管流压降关系式。此压降关系式不需要判别流相垂直上升管流压降关系式。此压降关系式不需要判别流型，适用于产水气井流动条件。型，适用于产水气井流动条件。 2mmmmsin2GdpgfdzD36 Gray模型

30、模型 Gray模型（模型（1978年）适用于凝析油气井，曾与年）适用于凝析油气井，曾与108口井口井的资料进行了比较。其结果表明比干气井的预测结果好。的资料进行了比较。其结果表明比干气井的预测结果好。为从少量的凝析油数据系统中获得的气体体积分数，为从少量的凝析油数据系统中获得的气体体积分数，构成一个反映反转现象的简化模型，与相对密度、压力、构成一个反映反转现象的简化模型，与相对密度、压力、温度相关。温度相关。22tgLccmfcm112if GgGdpdhdhdgg Dg VD2051 exp2.31411BNNR37Orkiszewski模型模型 Orkiszewski（1967）采用采用1

31、48口油井实测数据，对比口油井实测数据，对比分析了多个气液两相流模型，对其中最好的关系式与他对分析了多个气液两相流模型，对其中最好的关系式与他对段塞流的研究结合起来，提出了一种综合段塞流的研究结合起来，提出了一种综合Griffith泡流和段泡流和段塞流与塞流与Dons-Ros的环雾流和过渡流算法的垂直多相管流相的环雾流和过渡流算法的垂直多相管流相关式，通常适合于直井多相流计算。关式，通常适合于直井多相流计算。RosRos和和DunsDuns雾状流雾状流RosRos和和DunsDuns过渡流过渡流密度项对密度项对GriffithGriffith和和WallisWallis公式作了修正，公式作了修

32、正，摩阻项用摩阻项用OrkiszewskiOrkiszewski方法方法段塞流段塞流GriffithGriffith和和WallisWallis泡流泡流选用方法流型38Beggs-Brill模型模型 Beggs-Brill(1973年年)根据均相流动能守恒方程式得出根据均相流动能守恒方程式得出了压力梯度方程，并在直径了压力梯度方程，并在直径1 、11/2 长长13.7m的倾斜透的倾斜透明管中用水和空气进行了大量的实验，得出了不同倾斜明管中用水和空气进行了大量的实验，得出了不同倾斜管道中气液两相流动的持液率和阻力系数的相关规律。管道中气液两相流动的持液率和阻力系数的相关规律。 -900+900管

33、段倾角管段倾角00.185MPa压力梯度压力梯度00.87持液率持液率25.4、38.1mm管子内径管子内径0.250.67MPa管段平均压力（绝）管段平均压力（绝）0 00.0019m0.0019m3 3/s/s液体流量液体流量0 00.098m0.098m3 3/s/s气体流量气体流量变化范围参数39Mukherjee-Brill模型模型 Mukherjee和和Brill（1985）在）在Beggs和和Brill（1973）研）研究工作的基础上，改进了实验条件，对倾斜管两相流的流究工作的基础上，改进了实验条件，对倾斜管两相流的流型进行了深入研究，提出了更为适用的倾斜管（包括水平型进行了深入

34、研究，提出了更为适用的倾斜管（包括水平管）两相流的流型判别准则和应用方便的持液率及摩阻系管）两相流的流型判别准则和应用方便的持液率及摩阻系数经验公式。数经验公式。M-B持液率只是控制流型的三个无因次参数持液率只是控制流型的三个无因次参数的函数。的函数。 5622GVL1234LLVexpsinsinccNHcccc NN14LL3LgN 14LLVSLNvg14LGVSGNvg无因次液相粘度无因次液相粘度 无因次液相速度无因次液相速度 无因次气相速度无因次气相速度 40Duns-Ros(1963年年)对影响垂直两相管流中的对影响垂直两相管流中的13个变量按个变量按定理进行定理进行了因次分析，以

35、质量、长度和时间作为基本量纲。对因次分析确立的了因次分析，以质量、长度和时间作为基本量纲。对因次分析确立的10个无因次量进行了深入研究，总结出四个无因次量个无因次量进行了深入研究，总结出四个无因次量（无因次气相速度、（无因次气相速度、无因次液相速度、无因次液相粘度、以及无因次管径）无因次液相速度、无因次液相粘度、以及无因次管径）能比较全面的描能比较全面的描述两相管流现象。述两相管流现象。并在实验室中以长并在实验室中以长10m，直径，直径1.26in-5.6in的垂直管进的垂直管进行了约行了约4000次气液两相管流实验，持液率通过放射示踪迹技术测得次气液两相管流实验，持液率通过放射示踪迹技术测得

36、，获，获得了约得了约2万个数据点，总结得出了流态分布图。万个数据点，总结得出了流态分布图。 DUNS-ROS模型模型 I区含气泡流、弹状流和部分沫状流区含气泡流、弹状流和部分沫状流 II区含段塞流和沫状流的剩余部分区含段塞流和沫状流的剩余部分 III区为雾状流区为雾状流 41Hasan-Kabir模型模型 Hasan和和Kabir（1988年）利用水动力学原理，通过对年）利用水动力学原理，通过对气液两相流动形态转变的机理性分析，得出了每一种流动气液两相流动形态转变的机理性分析，得出了每一种流动形态的判别依据，提出了确定每一流动形态的判别依据和形态的判别依据，提出了确定每一流动形态的判别依据和方

37、法。进而给出了相应的压力梯度计算方法。该方法的流方法。进而给出了相应的压力梯度计算方法。该方法的流动形态分为泡流、段塞流、搅动流和环状流四种。动形态分为泡流、段塞流、搅动流和环状流四种。 2mm mmmm msin2fvdvdpgvdzDdzHasan&Kabir指出，对于垂直气液两相管流来说，指出，对于垂直气液两相管流来说，除除了环状流以外了环状流以外，重位压力梯度在总压力梯度中始终是主要，重位压力梯度在总压力梯度中始终是主要的，而加速压力梯度一般很小，可以忽略不计。的，而加速压力梯度一般很小，可以忽略不计。42Ansari模型模型由多相管流压降梯度关系式可知，在计算压力梯度由多相管流压降梯

38、度关系式可知，在计算压力梯度时需要知道混合物的密度、两相摩阻系数，而混合物的时需要知道混合物的密度、两相摩阻系数，而混合物的密度是持液率密度是持液率HL的函数，因此，两相流持液率的函数，因此，两相流持液率HL和两和两相摩阻系数相摩阻系数fm是两相管流计算的两个重要参数。是两相管流计算的两个重要参数。Ansari等在前人研究的基础上等在前人研究的基础上建立了井筒中气液两相的流动型建立了井筒中气液两相的流动型态判别方法，并对各种流动型态的流动机理和特点进行态判别方法，并对各种流动型态的流动机理和特点进行了分析，建立了描述泡状流、段塞流和环状流流动特性了分析，建立了描述泡状流、段塞流和环状流流动特性

39、的模型的模型。安萨瑞利用。安萨瑞利用1775口油井的实测数据，对其方法口油井的实测数据，对其方法进行了检验。进行了检验。43 典型油气田生产系统典型油气田生产系统 井筒气相管流井筒气相管流 井筒多相管流井筒多相管流 工程常用两相管流模型工程常用两相管流模型 气举排水采气技术气举排水采气技术 柱塞气举排水采气柱塞气举排水采气 球塞气举排水采气球塞气举排水采气 分体式柱塞气举排水采气分体式柱塞气举排水采气44 气液两相管流滑脱损失气液两相管流滑脱损失 气液两相管流中，由于气体和液体间的物性差而产气液两相管流中，由于气体和液体间的物性差而产生气体超越液体上升，气液混合物的密度增大，增大混生气体超越液

40、体上升，气液混合物的密度增大，增大混合物的静水压头（即重力消耗），导致井底回压增高。合物的静水压头（即重力消耗），导致井底回压增高。这种附加的压力损失即为滑脱损失。通常采用两相管流这种附加的压力损失即为滑脱损失。通常采用两相管流压降与无滑脱压降之差计算。压降与无滑脱压降之差计算。 ppppDDD无滑脱气举排水采气技术气举排水采气技术45气举排水采气技术气举排水采气技术随着高气液比油气井地层能量和地层产能的逐渐降随着高气液比油气井地层能量和地层产能的逐渐降低，连续气举井的注气量不断增高，气举效率随之大幅低，连续气举井的注气量不断增高，气举效率随之大幅降低。降低。其核心问题是在低压条件下，常规气举

41、过程中气其核心问题是在低压条件下，常规气举过程中气液两相流的液体滑脱现象日趋严重。液两相流的液体滑脱现象日趋严重。由于液体的大量回由于液体的大量回落，增大了井底回压，降低了地层的生产压差，造成了落，增大了井底回压，降低了地层的生产压差，造成了常规气举井产量下降，生产极不稳定，甚至水淹停产，常规气举井产量下降，生产极不稳定，甚至水淹停产，生产形势日趋困难。寻求可靠实用的接替举升配套技术生产形势日趋困难。寻求可靠实用的接替举升配套技术并形成其生产力，已成为油气田提高采收率迫切需要解并形成其生产力，已成为油气田提高采收率迫切需要解决的瓶颈问题。决的瓶颈问题。 问题的提出问题的提出46 典型油气田生产

42、系统典型油气田生产系统 井筒气相管流井筒气相管流 井筒多相管流井筒多相管流 工程常用两相管流模型工程常用两相管流模型 气举排水采气技术气举排水采气技术 柱塞气举排水采气柱塞气举排水采气 球塞气举排水采气球塞气举排水采气 分体式柱塞气举排水采气分体式柱塞气举排水采气47柱塞气举排水采气柱塞气举排水采气柱塞柱塞减震器弹簧减震器弹簧油管限位机构油管限位机构排放阀排放阀总阀总阀捕捉器捕捉器放空阀放空阀电缆电缆放喷管放喷管三通三通旁通阀旁通阀控制屏控制屏48 典型油气田生产系统典型油气田生产系统 井筒气相管流井筒气相管流 井筒多相管流井筒多相管流 工程常用两相管流模型工程常用两相管流模型 气举排水采气技

43、术气举排水采气技术 柱塞气举排水采气柱塞气举排水采气 球塞气举排水采气球塞气举排水采气 分体式柱塞气举排水采气分体式柱塞气举排水采气49 优势是利用柱塞固体界面的作用显著降低液体滑脱优势是利用柱塞固体界面的作用显著降低液体滑脱损失、以提高举升效率；损失、以提高举升效率； 优势是注采过程稳定，便于配气和生产管理。优势是注采过程稳定，便于配气和生产管理。 将上述两种气举方式组合起来，发挥各自的优势，将上述两种气举方式组合起来，发挥各自的优势，以适应低压、低效井复杂的开采条件，达到有效降耗增以适应低压、低效井复杂的开采条件，达到有效降耗增液的目的。液的目的。 球塞气举排水采气球塞气举排水采气50球塞

44、气举的特点球塞气举的特点能显著降低液体滑脱，提高举升效率和油能显著降低液体滑脱，提高举升效率和油(气气)藏的采收率；藏的采收率；对低压井具有很强的适应性，可用于斜井、定向井举升含砂液、对低压井具有很强的适应性，可用于斜井、定向井举升含砂液、高气液比、高凝油、稠油和乳化液等复杂流体；高气液比、高凝油、稠油和乳化液等复杂流体；采用钢丝绳投捞固定阀，易实现连续和间歇生产方式的转换；采用钢丝绳投捞固定阀，易实现连续和间歇生产方式的转换；改变操作条件（注气量、注气压力和投球频率等）易实现自动改变操作条件（注气量、注气压力和投球频率等）易实现自动化管理，易适应地层产能的变化；化管理，易适应地层产能的变化；

45、防止油管结蜡，便于注入化学剂有利于防腐和防垢。防止油管结蜡，便于注入化学剂有利于防腐和防垢。U型双管柱受套管尺寸的限制（型双管柱受套管尺寸的限制（7套管限于套管限于2 3/8 油管油管; 51/2 套管限于套管限于1.9油管）；油管）；51球塞气举装置52球塞连续气举实验架53 典型油气田生产系统典型油气田生产系统 井筒气相管流井筒气相管流 井筒多相管流井筒多相管流 工程常用两相管流模型工程常用两相管流模型 气举排水采气技术气举排水采气技术 柱塞气举排水采气柱塞气举排水采气 球塞气举排水采气球塞气举排水采气 分体式柱塞气举排水采气分体式柱塞气举排水采气54分体式柱塞气举排水采气分体式柱塞气举排

46、水采气活塞筒活塞筒减震器弹簧减震器弹簧油管限位机构油管限位机构排放阀排放阀总阀总阀捕捉器捕捉器放空阀放空阀电缆电缆放喷管放喷管三通三通旁通阀旁通阀控制屏控制屏球球55分体式柱塞气举排水采气分体式柱塞气举排水采气普通柱塞气举需要较长的关井时间，才能使柱塞回落到井普通柱塞气举需要较长的关井时间，才能使柱塞回落到井底。底。较长的关井时间，不但影响产量，而且驱使井中液体回流较长的关井时间，不但影响产量，而且驱使井中液体回流入地层，对近井地带产生伤害。入地层，对近井地带产生伤害。分体式柱塞由两部分组成：一分体式柱塞由两部分组成：一个空心圆柱体和一个圆球。个空心圆柱体和一个圆球。生产时让两部分在不同时间下

47、落，生产时让两部分在不同时间下落，从而可以使气体先后从球的两侧和空心圆柱筒的内部通过。一从而可以使气体先后从球的两侧和空心圆柱筒的内部通过。一旦圆柱筒到达井底限位总程，将与小球发生撞击，球就会进入旦圆柱筒到达井底限位总程，将与小球发生撞击，球就会进入圆柱的内腔。圆柱的内腔。这时，气体就只能在圆柱体的底部运动，而不能这时，气体就只能在圆柱体的底部运动，而不能穿过圆柱体，运动的气流产生了推动力，就会推动这个带有小穿过圆柱体，运动的气流产生了推动力，就会推动这个带有小球的圆柱体向上运动，从而把液体举升到地面。球的圆柱体向上运动，从而把液体举升到地面。到达地面时，到达地面时，防喷管内铜棒撞击小球，使小

48、球与圆柱体分离，小球就会下落，防喷管内铜棒撞击小球，使小球与圆柱体分离，小球就会下落，然后再打开柱塞接收器释放空心圆柱，这样就完成了一次循环。然后再打开柱塞接收器释放空心圆柱，这样就完成了一次循环。这样的一次循环只需要这样的一次循环只需要510s的关井时间，比较常规柱塞气举，的关井时间，比较常规柱塞气举，产量有较大的提高。产量有较大的提高。56分体式柱塞气举排水采气分体式柱塞气举排水采气分体式柱塞气举工作示意图分体式柱塞气举工作示意图57分体式柱塞气举排水采气分体式柱塞气举排水采气在在2002年年10 月，南德克萨斯州油田安装了分体式柱月，南德克萨斯州油田安装了分体式柱塞举升系统后，产量增加并

49、一直持续稳产塞举升系统后，产量增加并一直持续稳产, 大约新增产气大约新增产气量量8501416m3/d 。在西德克萨斯油田，在西德克萨斯油田，在其中一口井上，用分体式柱塞在其中一口井上，用分体式柱塞替换原来的常规柱塞，使得油井大约每天增产替换原来的常规柱塞，使得油井大约每天增产2832m3。在。在此之后，又对此油田的另外此之后，又对此油田的另外10 口井进行改装。这口井进行改装。这10 口井口井中，有中，有8 口井是由普通柱塞举升方式改装成的，另外口井是由普通柱塞举升方式改装成的，另外2 口口井原来是自喷井。经过改装后，井原来是自喷井。经过改装后，这这10 口井比较改装前每口井比较改装前每天产气量增加天产气量增加33980m3/d。58敬请各位专家批评指正！敬请各位专家批评指正！