采氣工程(多媒體6)氣井井筒與地面管流動(dòng)態(tài)預(yù)測 (1)

1、采氣工程系統(tǒng)采氣工程系統(tǒng)氣田氣田氣藏氣藏氣井系統(tǒng)氣井系統(tǒng) 氣嘴 分離器分離器 地面管線地面管線 井筒井筒 氣層氣層 氣井示意圖氣井示意圖氣井系統(tǒng)課程主要內(nèi)容課程主要內(nèi)容1 1、天然氣性質(zhì)、天然氣性質(zhì)2 2、氣田儲(chǔ)量計(jì)算、氣田儲(chǔ)量計(jì)算 3 3、天然氣田的開發(fā)特點(diǎn)、天然氣田的開發(fā)特點(diǎn) 4 4、氣田開發(fā)設(shè)計(jì)與分析、氣田開發(fā)設(shè)計(jì)與分析 5 5、氣井產(chǎn)能、氣井產(chǎn)能6 6、氣井井筒和地面管流動(dòng)態(tài)預(yù)測、氣井井筒和地面管流動(dòng)態(tài)預(yù)測7 7、氣井生產(chǎn)系統(tǒng)與舉升工藝、氣井生產(chǎn)系統(tǒng)與舉升工藝8 8、氣井井場工藝、氣井井場工藝6.1干氣井井底壓力計(jì)算干氣井井底壓力計(jì)算6.2 氣液井?dāng)M單相流井底壓力計(jì)算氣液井?dāng)M單相流井底

2、壓力計(jì)算6.3 6.3 氣水同產(chǎn)井井底壓力計(jì)算氣水同產(chǎn)井井底壓力計(jì)算6.4 井筒中溫度分布預(yù)測方法井筒中溫度分布預(yù)測方法6.5 節(jié)流裝置處的壓力、溫度變化預(yù)測節(jié)流裝置處的壓力、溫度變化預(yù)測6.6 集輸氣管流計(jì)算集輸氣管流計(jì)算計(jì)算氣井井底壓力分靜止氣柱和流動(dòng)氣柱兩種計(jì)算方法計(jì)算氣井井底壓力分靜止氣柱和流動(dòng)氣柱兩種計(jì)算方法 。1 1、流動(dòng)氣柱、流動(dòng)氣柱氣體從井底沿油管流到井口，假定為穩(wěn)定流，取長度為氣體從井底沿油管流到井口，假定為穩(wěn)定流，取長度為dHdH的管段的管段為控制體，則根據(jù)能量方程可以寫出：為控制體，則根據(jù)能量方程可以寫出： （6.1) 6.1) 對(duì)于垂直管氣體流動(dòng)：（對(duì)于垂直管氣體流動(dòng)：

3、（1 1）從管鞋到井口沒有功的輸出，也沒）從管鞋到井口沒有功的輸出，也沒有功的輸入，即有功的輸入，即 =0=0；（；（2 2）動(dòng)能損失忽略不計(jì)，即）動(dòng)能損失忽略不計(jì)，即 ；則；則（6.16.1）式可以寫成：）式可以寫成： (6.2) (6.2)1 1、干氣井井底壓力計(jì)算、干氣井井底壓力計(jì)算0)(WLddWgdHddPdW0d022ddHfgdHdP標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)取為：標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)取為：Psc=0.101325 MPa, Tsc=293 K。qsc為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體流量，氣體流量，m3/d；則在管內(nèi)任意一點(diǎn)（則在管內(nèi)任意一點(diǎn)（P，T）下，下，代入（代入（6.2）式，并除以）式，并除以g=9.8，

4、整理后可得：整理后可得： 2411)293101325. 0(86400)86400/(dPZTqAqBscscgZTPZRTPMgg008314. 097.28dHdPZTfqdPPZTgsc03415. 010324. 1152222181 1、干氣井井底壓力計(jì)算、干氣井井底壓力計(jì)算考慮到井內(nèi)氣體向上流動(dòng)時(shí)，沿氣體方向壓力是逐漸遞減的，上考慮到井內(nèi)氣體向上流動(dòng)時(shí)，沿氣體方向壓力是逐漸遞減的，上式可略去負(fù)號(hào)，寫成積分形式為：式可略去負(fù)號(hào)，寫成積分形式為： (6.5) (6.5)（二）（二） 求解方法求解方法將井筒全長將井筒全長H H分成分成n n段，段長為；每一段中，段，段長為；每一段中，T

5、 T、Z Z用該段的平均值用該段的平均值，即，即T=T=常數(shù)，常數(shù)，Z=Z=常數(shù)，常數(shù)， 212103415. 010324. 112522218HHgppscdHPdZTfqdPPZT21521803415. 010324. 1PPgPdZTqZTHPdPsc1 1、干氣井井底壓力計(jì)算、干氣井井底壓力計(jì)算令：令：則：則：可積分得可積分得 5218210324. 1dZTqfCscZTHPdPgPPPC03415. 0212110324. 1252182212sscsedZTqfePpZTHsg03415. 01 1、干氣井井底壓力計(jì)算、干氣井井底壓力計(jì)算二、靜止氣柱二、靜止氣柱 對(duì)于靜止氣柱

6、，對(duì)于靜止氣柱，qsc=0,由由(6.5)式得出基本公式為式得出基本公式為 積分后得積分后得 P1 1、干氣井井底壓力計(jì)算、干氣井井底壓力計(jì)算wstsPPHogdHdPPZT03415. 0TZHgePPtsws03415. 0三、環(huán)形空間流動(dòng)氣柱 有效管徑(Effective Diameter) ：對(duì)于環(huán)形空間流動(dòng)： 值得提請(qǐng)注意的是，切勿將 直接替換壓力計(jì)算式中的d5 因環(huán)形空間流速 環(huán)形空間摩阻項(xiàng)：潤濕周長流通斷面4effd1212212244dddddddeff21224ddqvsc環(huán)形空間斷面流量dlddqddfPTZLdscw221221221810324. 1 521231222

7、12212effddddddddd5effd1 1、干氣井井底壓力計(jì)算、干氣井井底壓力計(jì)算第二節(jié)第二節(jié) 氣液井?dāng)M單相流井底壓力計(jì)算氣液井?dāng)M單相流井底壓力計(jì)算與油井相比較，氣液比遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于油井，流態(tài)屬霧流，即氣相是連續(xù)相，液相是分散相。對(duì)這類氣井，為簡化計(jì)算，將它視為均勻的單相流，稱之為擬單相流。在計(jì)算油管內(nèi)的壓力分布時(shí)，直接借鑒單相氣流的解題思路和步驟。對(duì)氣液比大于1780m3/m3的井，用此法處理的結(jié)果是令人滿意的。 第二節(jié)第二節(jié) 氣液井?dāng)M單相流氣液井?dāng)M單相流第三節(jié)第三節(jié) 氣水同產(chǎn)井井底壓力計(jì)算氣水同產(chǎn)井井底壓力計(jì)算 一、基本方程 Poettmaan&arpenter方法Hagedor

8、n & Brown方法Beggs-Brill方法，Aziz方法，OrkiszewshiHasan方法方法，zhmx方法 第三節(jié)氣水同產(chǎn)井第三節(jié)氣水同產(chǎn)井dvfdHdvvgdHdPmmmmmmm22 圖6.1 流態(tài)劃分圖第四節(jié)第四節(jié) 井筒中的溫度分布預(yù)測方法井筒中的溫度分布預(yù)測方法 Kirkpatridk方法，Shiu方法，Sagsr方法，蘇聯(lián)經(jīng)驗(yàn)法。 JPI預(yù)測方法 ：氣液同時(shí)向上流，取長為dl的微元控制體，假定為定常流 第四節(jié)第四節(jié) 井筒中的溫度分布井筒中的溫度分布 6.2 溫度分析示意圖連續(xù)性方程：能量方程： wm混合物的總質(zhì)量流量，kg/s；vm混合物流速；W控制體所作的功，Nm

9、/s；Qe外界傳給控制體的熱量，kcal/s； J熱功當(dāng)量，N.m/kcal；hm氣液混合物熱焓，kcal/g；井筒與水平面的夾角，（）。0dHdwm12121JgvdHdhdHdJWdHdQwmmem圖6.2 溫度分析示意圖第四節(jié)第四節(jié) 井筒中的溫度分布井筒中的溫度分布假定控制體不對(duì)外作功，即W=0；且地溫按線性分布，梯度為gT，油層中部深度溫度為T0，則H處對(duì)應(yīng)的地層溫度Te為：假定控制體與外界穩(wěn)定傳熱，則dQe為 U0總的傳熱系數(shù)，kcal/(m2s) 可以得出下列微分方程： HgTTTe0圖6.2 溫度分析示意圖dHTTUrdQete02AHgBATdHdTt02UrwCAtmpm01

10、TACgdHdqPdHdPwwChhBpmgggmpmlg第四節(jié)第四節(jié) 井筒中的溫度分布井筒中的溫度分布圖6.2 溫度分析示意圖第四節(jié)第四節(jié) 井筒中的溫度分布井筒中的溫度分布AHHTTTTegABAHgTgAHgBAT/111 110UrtfKKUUte11/ln/lncemcowbtantociKrrrKrrU 第五節(jié)第五節(jié) 節(jié)流裝置處的壓力、溫度變化預(yù)測節(jié)流裝置處的壓力、溫度變化預(yù)測 氣體通過氣嘴沒有位能變化，也沒有功的輸出或輸入，摩擦損失也可忽略不計(jì)，但動(dòng)能變化在此起重要作用。按此考慮，氣體穩(wěn)定流動(dòng)能量方程可以寫為 從工程熱力學(xué)的觀點(diǎn)分析：高壓氣體通過氣嘴，因孔道短流速急，可視為絕熱過程

11、。入口狀態(tài)與任一狀態(tài)之間的關(guān)系為 第五節(jié)第五節(jié) 節(jié)流處的壓力、溫度變化節(jié)流處的壓力、溫度變化0ududpkpp111)( 第五節(jié)第五節(jié) 節(jié)流裝置處的壓力、溫度變化預(yù)測節(jié)流裝置處的壓力、溫度變化預(yù)測 定義一個(gè)函數(shù)： 則得 第五節(jié)第五節(jié) 節(jié)流處的壓力、溫度變化節(jié)流處的壓力、溫度變化KKKPPPPKKZTdPqgvsc12121211213110066.42112121212KKKPPPPPPF 01221121212PPdPPPPdKKK11212KKKPP 為臨界流(Critical Flow)； 時(shí)，為非臨界流 相對(duì)密度為0.6的天然氣， 當(dāng)上游壓力P1和氣嘴開孔直徑一定時(shí)，一旦出口端面上的速

12、度達(dá)到音速，氣流的壓力波就不能反饋影響上游，氣嘴出口與入口之間的壓力差就不能再增大。此時(shí)，通過氣嘴的氣體流量達(dá)到最大值，既不能繼續(xù)增大，也不會(huì)降低為零，如圖6.3所示。 546. 0121KKKg12PP112KKK11212KKKPP第五節(jié)第五節(jié) 節(jié)流處的壓力、溫度變化節(jié)流處的壓力、溫度變化最大氣量公式： 圖6.3 關(guān)系圖11121212110066. 411213maxKKKKKKKZTdPqgv第五節(jié)第五節(jié) 節(jié)流處的壓力、溫度變化節(jié)流處的壓力、溫度變化通過節(jié)流裝置后的天然氣溫度可以按下述辦法計(jì)算。由真實(shí)氣體的狀態(tài)方程，在節(jié)流裝置上游進(jìn)口處有： 而節(jié)流裝置喉部，則為 天然氣節(jié)流裝置的流動(dòng)可

13、視為絕熱過程，則有 綜合以上三式，可導(dǎo)得天然氣過節(jié)流裝置喉部的溫度T2為 第五節(jié)第五節(jié) 節(jié)流處的壓力、溫度變化節(jié)流處的壓力、溫度變化1111RTZp2222RTZpkkpp22111211122)(TZZppTkk 第六節(jié)第六節(jié) 集輸氣管流計(jì)算集輸氣管流計(jì)算 對(duì)于一條等徑的水平輸氣管，如果管內(nèi)是純氣體，符合穩(wěn)定流動(dòng)條件，無功和熱的交換，且動(dòng)能可以忽略不計(jì)，則穩(wěn)定流動(dòng)能量方程可簡化為 通過變換并積分得 對(duì)任何標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)都適用的計(jì)算輸氣量的公式第六節(jié)第六節(jié) 集輸氣管流計(jì)算集輸氣管流計(jì)算022ddLfudP522022211005. 9dfLZTqPPscg5 . 0522215101496. 1Lf

14、ZTdPPPTqgscscsc 第六節(jié)第六節(jié) 集輸氣管流計(jì)算集輸氣管流計(jì)算 用計(jì)算輸氣量的公式計(jì)算輸氣量，計(jì)算值總比實(shí)際輸氣量大，對(duì)于長輸管線更為突出。為此，引進(jìn)效率系數(shù)(Efficiency Factor)的概念，并用符號(hào)E表示，其值小于1。具體數(shù)值可參照下表 第六節(jié)第六節(jié) 集輸氣管流計(jì)算集輸氣管流計(jì)算5 . 0522215101496. 1LfZTdPPPTqgscscsc氣體性質(zhì) 干 氣 套管氣 凝析油和氣 液相含量 Ml/(106m3) 0.1 7.2 800 Gal/(106Sef) 0.01340.963 106.996 E 0.92 0.77 0.66 2輸氣管內(nèi)的平均溫度 前兩

15、項(xiàng)表示管線與外界換熱，第三項(xiàng)表示焦耳-湯姆遜效應(yīng)，第四項(xiàng)反映管段的高差變化，第五項(xiàng)代表速頭。最后兩項(xiàng)數(shù)值太小，使用時(shí)可不計(jì)入。如果管段壓降較小，氣體膨脹產(chǎn)生的溫降也可忽略不計(jì)。則式(6.64)可以簡化為 ：第六節(jié)第六節(jié) 集輸氣管流計(jì)算集輸氣管流計(jì)算LLuueNLuuuuNLCuueuNLCgheNLPPueTTTTxKLxpKLxpKLxdKLxssLx1212112121111xxKLssLeTTTT13 輸氣管內(nèi)允許流速計(jì)算輸氣量應(yīng)該顧及氣體高速流動(dòng)產(chǎn)生的沖蝕作用。通常，管內(nèi)某點(diǎn)的流速達(dá)到18.2921.34m/s(6070ft/s)時(shí)，沖蝕作用十分明顯。產(chǎn)生沖蝕作用的流速稱為沖蝕流速(Erosinal Velocity)。精確估計(jì)較為困難，如果氣體中含有砂粒等固相顆粒，較低流速也會(huì)產(chǎn)生沖蝕。 1984年，Beggs提出計(jì)算沖蝕速度的公式 ue沖蝕速度，m/s；g氣體密度，kg/m3;C常數(shù)，C=122。第六節(jié)第六節(jié) 集輸氣管流計(jì)算集輸氣管流計(jì)算5 . 0geCu 根據(jù)ue，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的日輸氣量 qe日輸氣量，104m3/d;A輸氣管截面積，m2。 第六節(jié)第六節(jié) 集輸氣管流計(jì)算集輸氣管流計(jì)算5 . 05 . 0067. 24 .3484122gZTpepZTug5 . 0410164. 5gscs