石油气液两相管流-Ch01-讲稿课件.ppt

1、多相管流理论与计算课程总学时：课程总学时：3232学时学时课程主体和基础内容：课程主体和基础内容：李宾飞李宾飞 张黎明张黎明 课程前沿及延伸部分：课程前沿及延伸部分：李明忠李明忠多相流在油气田开发中的应用（多相流在油气田开发中的应用（2-42-4学时）学时）李兆敏李兆敏泡沫流体流动规律研究及应用（泡沫流体流动规律研究及应用（2 2学时）学时）王卫阳王卫阳多相流测试技术（多相流测试技术（4 4学时）学时）课程安排课程安排 第一章第一章 概概 论论第一节 引言多相流理论多相流理论多相流体力学理论多相流体力学理论相相 相是体系中具有相同化学组成和物理性质的一部相是体系中具有相同化学组成和物理性质的一

2、部 分，分，与体系的其它均匀部分由界面隔开与体系的其它均匀部分由界面隔开多相流动体系多相流动体系 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管流多相多相流体在流体在管道管道中的流动中的流动Multiphase FlowMultiphase Flow多相流动多相流动 两相或两相以上的流体一同参与的流动两相或两相以上的流体一同参与的流动油水混合物：油水混合物：从相的角度从相的角度 区分为区分为 油相、水相油相、水相 从物质形态看从物质形态看同属液态同属液态 相相物质形态物质形态(气态、液态、固态气态、液态、固态)盐水：盐水：从相的角度划分只有从相的角度

3、划分只有 液相液相 从组分划分可分为：从组分划分可分为：水和水和NaCl 相相组分组分(指混合物中的各个成分指混合物中的各个成分)原油？原油？第一节 引言 水水-冰冰 液固两相流液固两相流 水水-水蒸汽水蒸汽 气液两相流气液两相流 泥浆泥浆 液固两相流液固两相流 油油-气气 气液两相流气液两相流 油油-气气-水水 气液液三相流气液液三相流 单工质单工质（相同化学成分）（相同化学成分）多工质多工质（不同化学成分）（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。的理论来反映多相流体流动规律。多相体系：

4、多相体系：水水-冰、水冰、水水蒸汽、泥浆、油气、油气水等水蒸汽、泥浆、油气、油气水等多相体系的类型多相体系的类型第一节 引言 热能工程：热能工程：锅炉系统、制冷系统、热管锅炉系统、制冷系统、热管 航天技术：航天技术：平衡温差、保护设备平衡温差、保护设备 核工业：核工业：汽液两相流动汽液两相流动 石油工业：石油工业：两相渗流计算、井控设计、采油工艺设计、两相渗流计算、井控设计、采油工艺设计、油气集输油气集输 化工行业：化工行业：工艺设计工艺设计 其它行业：其它行业：水利、粉状物管线输送水利、粉状物管线输送多相流应用领域多相流应用领域第一节 引言油气是深埋于地下的油气是深埋于地下的混合流体混合流体

5、矿藏，因此，油气藏的开发与矿藏，因此，油气藏的开发与开采离不开流体力学理论及其分枝开采离不开流体力学理论及其分枝多相流理论。多相流理论。举例来说，举例来说，油气井压力控制、油气管流计算、举升参数设计、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，工况分析、集输设计等，都离不开多相流的理论与计算方法。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一、多相流理论在石油工业中的地位和作用石油工程石油工程(油气井工程和油气田开发工程油气井工程和油气田开发工程)以及以及油气储运工油气储运工程程都与多相流理论有着极为密切

6、的联系。都与多相流理论有着极为密切的联系。钻井工程钻井工程：油气井压力控制油气井压力控制 (含气泥浆的压降计算含气泥浆的压降计算)采油工程采油工程：采油方式优化设计、采油设备的工况分析采油方式优化设计、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）（油气混合物在井筒中流动的压降和温度计算）储运工程储运工程：油气集输管线的设计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）（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压降和温度。一、多相流理论在石油工业中的地位和作用一、多相流理论在石

7、油工业中的地位和作用自喷采油示意图(1)油井能否自喷？油井能否自喷？(2)一定产量的油气混合物到一定产量的油气混合物到达井口时的剩余压力？达井口时的剩余压力？tpwftppptpwfptpp井口油压井口油压井底流压井底流压两相流压降两相流压降htpp htpp 自喷生产自喷生产机械采油机械采油(人工举升人工举升)自喷采油设计中的两相流计算自喷采油设计中的两相流计算 气举采油系统示意图气举采油系统示意图 依靠从地面注依靠从地面注入井内的高压气体入井内的高压气体与油层产出流体在与油层产出流体在井筒中混合，井筒中混合，利用利用气体的膨胀使井筒气体的膨胀使井筒中的混合液密度降中的混合液密度降低，低，将

8、流到井内的将流到井内的原油举升到地面。原油举升到地面。气举采油设计中的两相流计算气举采油设计中的两相流计算气举采油及井筒压力分布设计的原则设计的原则：最大限度地发挥油藏的潜最大限度地发挥油藏的潜力和地面设备的能力，获力和地面设备的能力，获得最高的产油量。得最高的产油量。tpwftppp气举采油设计中的两相流计算气举采油设计中的两相流计算常规有杆泵生产地面驱动螺杆泵生产有杆泵采油设计中的两相流计有杆泵采油设计中的两相流计算算 近年来，随着陆地油气资源的日趋减少，石油和天然气勘近年来，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探开发已转向广阔的

9、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。域，采用的是固定平台采油系统。1965 1965 年前，钻探活动一般年前，钻探活动一般小于小于90m 90m 水深。水下采油技术的发展不仅使深海石油开采成为水深。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，目前深水可能，同时大大降低了深海采油成本，目前深水(4001500(4001500米米)和超深水和超深水(超过超过15001500米米)海域的油气开发，已成为美国、英国、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。挪威、巴西等国竞相开展的热点。海洋及深水采油中的多相流计算海洋及

10、深水采油中的多相流计算典型的海洋采油系统典型的海洋采油系统固定平台张力腿平台半潜式平台海底管线海底管线浮式生产储油（浮式生产储油（FPSOFPSO）船）船 单点系泊单点系泊单点系泊单点系泊 但当水深达到但当水深达到2000ft(约约600m)时，其温度将下降至时，其温度将下降至40(4.4)左右。油气左右。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。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。流动保障流动保障 Flo

11、w Assurance海洋及深水采油中的多相流计算海洋及深水采油中的多相流计算“流动保障流动保障”确保油气的无阻塞流动并使系统的运行费用确保油气的无阻塞流动并使系统的运行费用达到最低。达到最低。Pipe-in-Pipe保温材料海洋及深水采油中的多相流计算海洋及深水采油中的多相流计算管线管束(flowline bundles)海洋及深水采油中的多相流计算海洋及深水采油中的多相流计算渤海平均水深渤海平均水深18m,最深最深83m 黄海平均水深黄海平均水深44m,最深最深140m 东海平均水东海平均水深深370m,最深最深2719m 南海平均水深南海平均水深1212m,最深最深5377m石油工业中的

12、多相流技术研究始于石油工业中的多相流技术研究始于1950年左右年左右,早期研究者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和油田实际生产 80年代初，计算机的引入极大地促进了多相流的发展年代初，计算机的引入极大地促进了多相流的发展二、多相流理论的研究简史控制方程（机理模型）物理现象流动机理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机理来预测多相流的流型80年代中期应用高新技术及仪器进行多相流的模拟试验，年代中期应用高新

13、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。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、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。激光多普勒测速仪、高速摄像机等。西安交通大学西安交通大学 动力工程多相流国家重点实验室动力工程多相流国家重点实验室 目前，目前，双流体瞬态模拟双流体瞬态模拟方法和精确描述物理现象的方法和精确描述物理现象的稳态机稳态机理模型理模型是多相管流研究的主要方法是多相管流研究的主要方法二、多相流理论的研究简史1、多相流问

14、题未得到解析解、多相流问题未得到解析解2、油气水三相流的研究不过深入、油气水三相流的研究不过深入3、水平井段变质量流动研究较少、水平井段变质量流动研究较少5、缺乏专用研究仪器、缺乏专用研究仪器4、缺乏向下流动的综合机理模型、缺乏向下流动的综合机理模型三、目前存在的问题 水平井示意图水平井示意图前次课回顾相的概念相的概念 相是体系中具有相同化学组成和物理性质的一相是体系中具有相同化学组成和物理性质的一部分部分 ，与体系的其它均匀部分有界面隔开，与体系的其它均匀部分有界面隔开相相物质形态物质形态(气态、液态、固态气态、液态、固态)例如：水-冰 液固两相流 水-水蒸气 气液两相流 泥浆 液固两相流

15、油-气 气液两相流 油-气-水 气液液三相流 单工质单工质多工质多工质相相组分组分(指混合物中的各个成分指混合物中的各个成分 )气液两相流基本概念气液两相流基本概念 气液两相流的模型气液两相流的模型 油藏流体高压物性的计算油藏流体高压物性的计算 多相流体的温度分布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垂直气液两相管流压降计算 水平气液两相管流水平气液两相管流压降计算压降计算 倾斜气液两相管流的压降计算倾斜气液两相管流的压降计算 专题讲座专题讲座课程主要内容课程主要内容 第二节第二节 气液两相管流的基本特征与研究方法气液两相管流的基本特征与研究方法细分散体系细分散体系 细小的液滴或

16、气泡均匀分散在连续相中细小的液滴或气泡均匀分散在连续相中 粗分散体系粗分散体系 较大的气泡或液滴分散在连续相中较大的气泡或液滴分散在连续相中 混合流动型混合流动型 两相均非连续相两相均非连续相 分层流动分层流动 两相均为连续相两相均为连续相 一、基本特征1 1气液两相流的分类气液两相流的分类 Gas-liquid two phase flowGas-liquid two phase flow体系中存在相界面体系中存在相界面 两相之间也存在力的作用，出现质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的分布情况多种多

17、样 两相流动中两相介质的分布两相流动中两相介质的分布状况称为流型状况称为流型 两相流动中存在滑脱现象两相流动中存在滑脱现象 相间速度的差异称为滑脱相间速度的差异称为滑脱，滑脱将产生附加的能量损失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，质量流量不变沿程流体体积流量有很大变化，质量流量不变2 气液两相流的基本特征气液两相流的基本特征一、基本特征垂直气液两相流流型 水平气液两相流流型多相流体的主要流型多相流体的主要流型一、基本特征不能简单地用层流或紊流来描述气液两相流不能简单地用层流或紊流来描述气液两相流水平或倾斜流动不是轴对称的水平或倾斜流动不是轴对称的由于相界面的存在增加了研究的复

18、杂性由于相界面的存在增加了研究的复杂性总能量方程中应考虑与表面形成的能量问题总能量方程中应考虑与表面形成的能量问题多相流动中各相的温度、组分的浓度都不是均匀的，多相流动中各相的温度、组分的浓度都不是均匀的，相之间有传热和传质相之间有传热和传质各相流速不同，出现滑脱问题，是多相流研究的核心各相流速不同，出现滑脱问题，是多相流研究的核心与重点与重点3.研究气液两相流应注意的几个问题研究气液两相流应注意的几个问题一、基本特征1.经验方法经验方法 从气液两相流动的物理概念出发，或者使用从气液两相流动的物理概念出发，或者使用因次分析法，或者根据流动的基本微分方程式，得到反映因次分析法，或者根据流动的基本

19、微分方程式，得到反映某一特定的两相流动过程的一些无因次参数，然后依据实某一特定的两相流动过程的一些无因次参数，然后依据实验数据整理出描述这一流动过程的经验关系式。验数据整理出描述这一流动过程的经验关系式。优点：优点：使用方便，在一定使用方便，在一定条件下能取得好的结果条件下能取得好的结果缺点：缺点：使用有局限性，且使用有局限性，且很难从其中得出更深层次很难从其中得出更深层次的关系的关系穆迪（Moody）图 二、研究方法2 半经验方法半经验方法 根据所研究的气液两相流动过程的特点，采用根据所研究的气液两相流动过程的特点，采用适当的假设和简化，再从两相流动的基本方程式出发，求得描适当的假设和简化，

20、再从两相流动的基本方程式出发，求得描述这一流动过程的函数关系式，最后用实验方法确定出函数关述这一流动过程的函数关系式，最后用实验方法确定出函数关系式中的经验系数。系式中的经验系数。优点：优点：有一定的理论基础，应用广泛有一定的理论基础，应用广泛缺点：缺点：存在简化和假设，具有不准确性存在简化和假设，具有不准确性二、研究方法3 理论分析方法理论分析方法 针对各种流动过程的特点，应用流体力学针对各种流动过程的特点，应用流体力学方法对其流动特性进行分析，进而建立起描述这一流动过程方法对其流动特性进行分析，进而建立起描述这一流动过程的解析关系式。的解析关系式。优点：优点：以理论分析为基础，可以得到解析

21、关系式以理论分析为基础，可以得到解析关系式缺点：缺点：建立关系式困难，求解复杂建立关系式困难，求解复杂二、研究方法1.1.定义：定义：两相流动中两相介质的分布状况称为流型或两相流动两相流动中两相介质的分布状况称为流型或两相流动结构结构。流型是两相流的一个重要的研究方面流型是两相流的一个重要的研究方面 各相介质的体积比例各相介质的体积比例 介质的流速介质的流速 各相的物理及化学性质各相的物理及化学性质(密度、粘度、界面张力等密度、粘度、界面张力等)流道的几何形状流道的几何形状 壁面特性壁面特性 管道的安装方式管道的安装方式三、流动型态2.影响流型的因素第一类划分方法：根据两相介质分布的外形划分第

22、一类划分方法：根据两相介质分布的外形划分3.流型分类垂直气液两相流流型 水平气液两相流流型三、流动型态第二类划分方法：按流动的数学模型或流体的分散程度划分第二类划分方法：按流动的数学模型或流体的分散程度划分 分散流、间歇流和分离流三种分散流、间歇流和分离流三种 第一类划分方法较为直观第一类划分方法较为直观第二类划分方法便于进行数学处理第二类划分方法便于进行数学处理第一类划分方法第一类划分方法泡状流泡状流弹状流或团状流弹状流或团状流层状流层状流波状流波状流段塞流或冲击流段塞流或冲击流环状流环状流雾状流雾状流第二类划分方法第二类划分方法分散流分散流间歇流间歇流分离流分离流分离流分离流间歇流间歇流分

23、离流分离流分散流分散流三、流动型态4.流型图 描述描述(表示表示)流型变化及其界限的图。流型变化及其界限的图。把流型变换的实验数据把流型变换的实验数据加以总结归纳后，按照两个或多个主要的流动参数绘成曲线，加以总结归纳后，按照两个或多个主要的流动参数绘成曲线，便可以得到流型图。便可以得到流型图。贝克的流型分布图贝克的流型分布图阿齐兹阿齐兹-戈威尔戈威尔-福格拉锡流型分布图福格拉锡流型分布图三、流动型态第三节第三节 气液两相流动的特性参数气液两相流动的特性参数一、流量质量流量质量流量:单位时间内流过过流断面的流体质量，单位时间内流过过流断面的流体质量，kg/slgGGG体积流量体积流量:单位时间内

24、流过过流断面的流体体积，单位时间内流过过流断面的流体体积，m3/slgQQQ二、流速实际速度实际速度(velocity):单位相面积所通过的该相体积流量单位相面积所通过的该相体积流量,m/s 气相实际速度气相实际速度gggAQv 液相实际速度液相实际速度lllAQv lgAAAgggQG lllQG gAlA折算速度折算速度(superficial velocity):又称表观流速，又称表观流速，假定管道全被一相占据时的流动速度假定管道全被一相占据时的流动速度,m/s气相折算速度气相折算速度AQvgsg液相折算速度液相折算速度AQvlsl两相混合物两相混合物(平均平均)速度速度sgsllgmv

25、vAQQv混合物的质量速度混合物的质量速度AGgggAvQ lllAvQ AvQsggAvQsll二、流速滑差滑差(滑脱速度滑脱速度)Slip velocity Slippage velocity气液两相实际速度之差气液两相实际速度之差。lgsvvvv滑动滑动(滑移滑移)比比 Slip ratio气相实际速度与液相实际速度之比。气相实际速度与液相实际速度之比。lgvvS 三、滑差和滑动比三、滑差和滑动比质量含气率：质量含气率：单位时间内流过过流断面的混合物总质量单位时间内流过过流断面的混合物总质量G中气相质量所占的份额。中气相质量所占的份额。glggGGGGGxglllGGGGGx1四、含气率

26、与含液率四、含气率与含液率质量含液率：质量含液率：单位时间内流过过流断面的混合物总质量中单位时间内流过过流断面的混合物总质量中液相质量所占的份额。液相质量所占的份额。体积含气率：体积含气率：单位时间流过过流断面两相流体单位时间流过过流断面两相流体(混合物混合物)总总体积体积Q中气相所占的份额。中气相所占的份额。lgggQQQQQ体积含液率：体积含液率：单位时间流过过流断面两相流体单位时间流过过流断面两相流体(混合物混合物)总总体积体积Q中液相所占的份额。中液相所占的份额。lgllQQQQQ1四、含气率与含液率四、含气率与含液率与x间的关系lglggxxxQQQ1gllggGGGx1lllQG

27、gggQG 四、含气率与含液率四、含气率与含液率真实含气率真实含气率(void fraction):又称又称截面含气率截面含气率或或空隙率空隙率，为任一流动截面内气相面积占总面积的份额为任一流动截面内气相面积占总面积的份额(气相面气相面积与管道总面积之比积与管道总面积之比)。AAg真实含液率真实含液率(liquid holdup):又称又称截面含液率截面含液率或或持液率持液率，为任一流动截面内液相面积占总面积的份额为任一流动截面内液相面积占总面积的份额(液相面液相面积与管道总面积之比积与管道总面积之比)AAHlllgAAAgAlA四、含气率与含液率四、含气率与含液率 ,时当glvvlgglgl

28、ggllgggglggQQQvvQQQvQvQvQAAA ,glvv一般地，SvvQQQQQQvvQQQlglgglglgg)1(与与的比较的比较 四、含气率与含液率四、含气率与含液率lgglgglggLLLLALALAVVVlgglgglggAAALALALAVVV快关阀法测量真实含气率：易于实现，只能得到平均值，快关阀法测量真实含气率：易于实现，只能得到平均值，且不能在线测量。且不能在线测量。gVlVgLlL快关阀示意图快关阀示意图真实含气率的简单测量真实含气率的简单测量 Ag Al L 四、含气率与含液率四、含气率与含液率流动密度流动密度:单位时间内流过过流断面的混合物质量与体单位时间内

29、流过过流断面的混合物质量与体 积之比。积之比。QG/lgggllglQQQQGG)1(五、流动密度与真实密度真实密度：真实密度：在流道上取微段，微段内两相流体的质量在流道上取微段，微段内两相流体的质量 与容积之比与容积之比 lgllggllggAAALALALA)1(Ag Al L ,)(则时无滑脱当glvvglvv 一般地，lg)1(lg)1(lg)1(glvv 流动密度与真实密度的比较lg)1(五、流动密度与真实密度第一章小结相的定义相的定义气液两相流流型的两类划分方法气液两相流流型的两类划分方法气液两相流的基本特征气液两相流的基本特征两相流的主要研究方法两相流的主要研究方法流型、流型图流

30、型、流型图流量（质量、体积）流量（质量、体积）流速（实际速度、折算速度、混合物速度）流速（实际速度、折算速度、混合物速度）滑脱速度、滑动比滑脱速度、滑动比含气率与含液率含气率与含液率(质量、体积、真实质量、体积、真实)及其相互关系及其相互关系密度（流动密度与真实密度）密度（流动密度与真实密度）前次课回顾相的概念相的概念 相是体系中具有相同化学组成和物理性质的一相是体系中具有相同化学组成和物理性质的一部分部分 ，与体系的其它均匀部分有界面隔开，与体系的其它均匀部分有界面隔开相相物质形态物质形态(气态、液态、固态气态、液态、固态)例如：水-冰 液固两相流 水-水蒸气 气液两相流 泥浆 液固两相流

31、油-气 气液两相流 油-气-水 气液液三相流 单工质单工质多工质多工质相相组分组分(指混合物中的各个成分指混合物中的各个成分 )体系中存在相界面体系中存在相界面 两相之间也存在力的作用，出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的分布情况多种多样 两相流动中两相介质的分两相流动中两相介质的分布状况称为流型布状况称为流型 两相流动中存在滑脱现象两相流动中存在滑脱现象 相间速度的差异称为滑脱相间速度的差异称为滑脱，滑脱将产生附加的能量损失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，质量流量不变沿程流体体积流量有很大变化，质量流量不变气液两相流的基本特征气液两相流的基本特征前次课回顾垂直气液两相流流型 水平气液两相流流型多相流体的主要流型多相流体的主要流型前次课回顾