天然氣工程教程-第7章 管流及嘴流動態(tài)

1、第七章 管流及嘴流動態(tài)第一節(jié) 氣相管流的基本方程第二節(jié) 氣相管流壓降計算方法第三節(jié) 氣液兩相管流簡介第四節(jié) 氣體通過油嘴的流動第五節(jié) 排水采氣井兩相管流壓降優(yōu)化模型本章目的：確定pws、pwf當pR一定時，qsc由pwf直接控制，由ptf間接控制。地層流入動態(tài)：qscf(pwf)pR油管流動動態(tài)：井口壓力一定時，產量與井底壓力的關系。qscf(pwf)ptf井底壓力獲取方法： 下壓力計測量； 計算方法。第一節(jié) 氣相管流的基本方程一、氣體穩(wěn)定流動能量方程思路：流入和流出系統能量之和等于系統內部能量的變化。氣相管流能量變化示意圖注意：上式是針對單位質量流體的能量，各項單位分別是： E-內能，Jkg

2、 v-膨脹或壓縮功，Jkg v22-動能，Jkg gH-位能，Jkg q-熱交換，Jkg w-功交換，Jkg二、能量方程的表達式、積分式 技術功 流入和流出推動功膨脹功 Lw-摩阻能耗，Jkg思考題：摩阻能耗可逆否？、微分式用焓表示的微分式，用于計算井中溫度分布。3、梯度式注意：dHdLsin，1/ -與水平方向的夾角(dp/dL)-總梯度，Pam(dp/dL)el-舉升梯度，Pam (dp/dL)f-摩阻梯度，Pam(dp/dL)acc-加速度梯度，Pamf-摩阻系數舉升梯度:(dp/dL)el=gsin摩阻梯度 (dp/dL)f=fv2/2d加速度梯度 (dp/dL)f=vdv/dL三、雷

3、諾數Re和摩阻系數f、雷諾數Re定義：Re慣性力粘滯力gvdg SI單位制思考題：怎樣將SI單位轉換為法定單位？實用式關鍵：v(m/s)qsc(sm3/d), g)思路：vqscBg/(86400d2/4), g=Mgp/ZRTRe1.77610-2gqsc/gd、摩阻系數f定義：Moody：ff（Re，ed） Moody 摩阻系數模版 分區(qū) 層流 過渡流 紊流 光滑區(qū) 混合摩阻區(qū) 完全粗糙區(qū)實用摩阻系數公式(1)、Colebook公式是最基本的公式，它完全與Moody圖相同。但需迭代計算f(2)、Jain公式，不需迭代計算f。與Colebook公式相比，誤差1第二節(jié) 氣相管流壓降計算方法一、

4、井底靜壓計算、思路：(SI單位制)垂直管靜止氣柱的條件、穩(wěn)定流；、單相氣；、dw0，不做功；、qsc0，即v=0；、=0，即sindLdH2、靜止氣柱能量方程由上兩式得能量分析：僅存在重力項，摩阻項和動能項為零。應用條件：垂直，關井或qsc0思考題：怎樣求解上式，獲得pwsf(pts)？關鍵：怎樣對上式左邊積分。 ZTpf(p,T)3、平均溫度偏差系數法 (1)、公式推導假設：T和Z都用平均值，即T常數，Z常數。 具體值?。篢(Tts+Tws)/2, p(pts+pws)/2Zf(p,T) 或 Z(Zts+Zws)/2則靜止氣柱能量方程變?yōu)椋悍e分得：平均溫度偏差系數法靜止氣柱井底壓力計算公式:

5、(2)、應用舉例1) 已知pts，求pws。 思路：pws和Z都未知，用迭代法。計算步驟：、賦初值。pwsptsptsH/12192. eS1+S、計算T(Tts+Tws)/2、賦值pws0pws、計算p(pts+pws)/2、計算Zf(p,T) 或 Z(Zts+Zws)/2、計算SgH/ZT、計算新pws。pwsptseS、判斷pws0pws？成立則結束。否則轉至思考題：、怎樣繪制壓力計算框圖？、當溫度非線性升高時，采用什么計算方法才能提高精度？2)、已知pws，求pts計算公式：ptspwse-S思考題：其步驟和框圖是怎樣的？3)、已知pts，求壓力隨井深的分布計算思路：將井深N等分思考題

6、：其步驟和框圖是怎樣的？3、Cullende & Smith 法(1)、公式推導能量方程：被積函數IZTp推導思路：將上式左邊的積分用梯形法數值積分展開。二步梯形法。井深等分兩段：井深中點處的參數記為pms，Tms，Zms，Ims.ItsZtsTts/ptsImsZmsTms/pmsIwsZwsTws/pws計算示意圖 對上段油管：能量方程為: 曲面積A1梯形面積 (pmspts)(ImsIts)/2pmsptsgH/(ImsIts)對下段油管：能量方程為 : 曲面積A2梯形面積 (pwspms)(IwsIms)/2pwspmsgH/(IwsIms)(2)、應用舉例已知pts，求pws計算思路

7、：先迭代上段油管求pms。再迭代下段油管求pws。上段油管計算步驟：、賦初值pmsptsptsH/12192/2、計算Ztsf(Tts，pts)、計算ItsZtsTts/pts、計算Tms(Tts+Tws)/2、賦值pms0pms、計算Zmsf(Tms，pms)、計算ImsZmsTms/pms、計算新pms。pmspts0.03415gH/(ImsIts)、判斷pms0pms？不成立則轉至。下段油管計算步驟：、賦初值pwspmspmsH/12192/2、賦值pws0 pws、計算Zwsf(Tws，pws)、計算IwsZwsTws/pws、計算新pws。 pwspmsgH/(IwsIms)、判斷

8、pws0pws？成立則結束。否則轉至重復上述步驟。(3)、Cullende & Smith方法假設條件、穩(wěn)定流動；、單相氣；、dw0；、梯形法積分引入的誤差1、垂直管流動簡化dw0，vdv0，sindLdH氣體垂直管流動基本公式：(SI單位制)二、井底流壓計算舉例：說明動能可忽略已知：qsc50萬m3d，pwf30MPa， H3000m，d3，g求：pf?，Pacc?解：pf，Pacc2、實用垂直管流公式(1)、狀態(tài)換算：=Mp/ZRT， vqscBg/(86400d2/4), Bg=(psc/Tsc)(ZT/p)(2)、單位換算：dp:Pa=MPa。思考題：R？思考題：流動氣柱和靜止氣柱能量

9、方程的差別何在？微分式： 積分式：思考題：和1.3241018是怎樣得的？(1)、流動氣柱平均溫度和偏差系數法假設條件、穩(wěn)定流動;、單相氣;、vdv0;、T常數;、Z常數;、f常數3、平均溫度偏差系數法(2)、公式推導假設: T和Z都用平均值，即T常數，Z常數: 具體值取：T(Ttf+Twf)/2, p(ptf+pwf)/2 Zf(p,T) 或 Z(Ztf+Zwf)/2公式：思考題：當qsc0時上式簡化成什么公式？、應用(1)、靜止氣柱(qsc0)：由pts計算pws關井：油管和套管都是靜止氣柱。由pts或pcs計算pws。當油管生產時，套管環(huán)空與井底相連，套管環(huán)空中為靜止氣柱。由pcs計算p

10、wf。當套管生產時：油管與井底相連，油管中為靜止氣柱。由pts計算pwf。思考題：井中存在液柱怎么辦？(2)、流動氣柱(qsc0)：由ptf計算pwf思考題：當油管生產時，從套管和油管的氣柱計算pwf時，誰精度高？(3)、應用舉例已知ptf求pwf, 計算步驟：、賦初值pwfptfptfH/12192、計算T(Ttf+Twf)/2、賦值pwf0pwf、計算p(ptf+pwf)/2 、計算Zf(p,T), gf(p,T), Re ff(Re,e/d) 、計算SgH/ZT 、計算新pwf。 、判斷pwf0pwf？成立則結束。否則轉至。計算示例 三、注氣井注氣能量方程:思考題：注氣井井口ptf是否一

11、定大于pwf？ 主要受什么控制？怎樣控制？注意：摩阻壓降方向與采氣井的相反控制pF 大小的因素： d和qsc的大小注氣井的間斷現象： 在某一注氣量下，摩阻壓降等于重力壓降時，積分能量方程中的分母為0，在這段井筒內總壓降為0。四、凝析氣的修正思路：能量方程(SI單位制)上式適用于單相流。對氣液擬單相流應修正、v、。、修正相對密度思路：相對密度定義式為wMw分子量Mwmwnt(mgmo)(ngno)關鍵：流體質量mg、mo對應摩爾數ng、no方法：討論1m3油，氣油比為R(m3m3)。 則在標準狀態(tài)下： Vo1m3(油)，VgRm3(氣) mgscVggR (密度：mV) moostVo1000o

12、 ngmg/Mggg nomo/Mo1000o/Mo相對密度: w(Rg830o)/(R24040o/Mo)思考題：當R時，wg嗎？對油氣水三相流動，怎樣推導m？、修正兩相Z系數(三種方法)(1)、ZmpVnTRT。用實驗求取(2)、干氣校正圖(3)、復合氣體法。用w計算Zmf(p，T，w)、流量校正：qTqscqoqEQ qEQ-1m3油氣化后的體積 qEQno24040o/Mo noKmol1m3(油)第三節(jié) 氣液兩相管流簡介重要性：四川89是有水氣藏，是氣水同產井實驗裝置：國內 大慶陳家瑯、長慶、中原、四川廣漢國外 美國Tulsa、法國、挪威一、垂直兩相管流流型（流態(tài)）1、氣液兩相流：氣

13、體和液體兩相混合物的同時流動。舉例：凝析氣井、濕氣井、水汽、水驅2、流態(tài)定義：氣液相間界面結構氣液兩相流典型流型 3、流態(tài)分類：泡流-液相連續(xù)，氣相以小泡分散；段塞流-液相連續(xù)，氣泡幾乎堵塞管子；過渡流-從液相連續(xù)向氣相連續(xù)過渡，不穩(wěn)定；環(huán)霧流-液相以液滴形式分散在連續(xù)氣相中的氣液混合流動，存在氣芯和液膜。在一些井中可能只存在一種或幾種流態(tài)。二、兩相管流特性參數兩相流特點：存在流態(tài)和滑脫、滑脫：氣相比液相流動快靜液中氣泡上升靜液中氣泡上升速度流動時的滑脫速度氣液流動示意圖 、持液率定義：HL單位管長液相體積單位管長總體積VLVT討論：當HL0，單相氣流 當HL01， 氣液兩相流 當HL1， 單

14、相液流思考題：持液率與當地壓力和 溫度是否有關？持液示意圖 、表觀速度定義：假設某相單獨充滿管子流動時的速度，即： vsgqgA。 vsLqLA。 vsg- 氣相表觀速度 vsL- 液相表觀速度、無滑脫持液率定義：氣液不存在滑脫時的持液率。實際是不存在的。表達式：LqL(qLqg)vsL(vsLvsg)、氣液混合物密度 mLHLg(1HL) 無滑脫混合物密度： nLLg(1L)、真實速度vgqgAg qg(1-HL)AvLqLAL qLHLA、混合物速度定義：vm(qLqg)A vsLvsg、滑脫速度定義：氣液相真實速度之差。表達式：vsvgvL vsg(1-HL)vsLHL當vs0時：HLL

15、、持液率的求法(1)、滑脫模型：由vs定義式計算 vsvsg(1-HL)vsLHL泡流：段塞流和過渡流：環(huán)霧流：vs0(2)、漂移通量模型推導上式：氣相從0L的時間為tLvg。液相進入的體積為VLqLtAvsLt三、兩相流基本方程1、基本方程(dp/dL)-總梯度，Pam(dp/dL)el-舉升梯度,Pam (dp/dL)el=mgsin(dp/dL)f-摩阻梯度，Pam (dp/dL)f=fmmvm2/2d(dp/dL)acc-加速度梯度，Pam (dp/dL)acc=mvmdvm/dL =C(dp/dL) Cmvmvsg/p fm-兩相摩阻系數 C-動能因子未知數：(dp/dL)、m、fm

16、。計算(dp/dL)，歸結為求HL、fm注 意：HLf(p，T)；fmf(p，T)思考題：當有公式能計算出HL、fm時，怎樣求解上式？2、基本解法已知ptf求pwf(1)、長度疊加法 思路：將上式差分,取pconst，迭代求解H，直到HHw 、取pconst； p1ptf，H0；gT(TwfTtf)/Hw、計算pp1p/2、假設H200、讓H0H、計算TTtf(HH/2)gT、計算p、T下的物性參數、速度等參數； 計算HLf(p，T)和fmf(p，T)求解步驟：、計算新H、判斷H0H？成立轉下步。否則轉重復計算。、HHH，p1p1p、判斷HHw？成立則結束。否則轉重復計算。求解步驟(續(xù))：(2

17、)、壓力疊加法取Hconst，迭代求解p思考題：寫出步驟、框圖？四、Hagedon & Bown法思考題：怎樣計算HL、fm？1986年Bown來華講學1、特點：不分流態(tài)，由實驗井的數據擬合求出HL2、實驗：Tulsa 校內打一口井氣液混流示意圖 (1)計算HL。將HL用三個無因次圖繪出。無因次參數氣相速度數: 液相速度數:3、結果管徑數:液體粘度數:(2)計算fm。仍用Jain公式。 但Remnvmdm持液率系數圖 修正系數圖 Nl與CNl關系圖 計算示例圖 第四節(jié) 氣體通過氣嘴的流動一、概述1、作用：節(jié)流降壓，控制產量2、分類： 地面氣嘴: 油嘴、針形閥； 井下氣嘴:井下安全閥-采油樹損壞時關井井底氣嘴-井底降壓不易生成水合物單流閥-用于注入井防止回流3、地面氣嘴用途、保持井的穩(wěn)定許可產量；、保證足夠回壓控制出砂，降低生產壓差；、保護地面設備，降壓至輸壓；、防止水錐，控制qsc水錐臨界流量；、氣藏管理，如全氣藏各井產量分配。4、特點：、長度短，重力和摩阻項不計；、面積很小，動能不可忽略。嘴流示意圖 二、氣嘴流量公式、推導思路(SI單位制)：得：引入絕熱可逆過程：積分得：2、流態(tài)劃分-臨界壓力比 思考題：當p2p1下降時，qsc是否一直上升？臨界流示意圖 原因：當壓力p2小于p