多相管流中流體摩阻計算的精準性分析

多相管流中流體摩阻計算的精準性分析

1流體摩阻計算方法隨著原油和天然氣從幾千米深層采集，大多數(shù)油氣井不是獨立流動的，而是氣、液相、油、氣和水的三相流的。多相流的研究對于整個油田生產系統(tǒng)的分析和設計以及原油輸送的設計具有重要意義。多相管流已經成為石油工程領域中一個重要的研究對象,其研究內容主要是工藝計算,而工藝計算的重點是溫降和壓降。由于多相流的復雜性,目前在壓降計算方面多采用以試驗為基礎的經驗式或半經驗式。常見的如Duns-Ros(1963)法,Hagedorn-Brown(1965)法,Orkiszewski(1967)法,Aziz-Govier-Fogarasi(1972)法,Beggs-Brill(1973)法等,都被石油工業(yè)所廣泛采用。在上述各種方法中,流體摩阻計算是極為重要同時也是最為困難的,是影響各壓降預測模型精準性的要素。因此對多相管流摩阻計算的分析研究無疑是十分必要的。1.1壓力、pa上式中,為流體密度,kg/m3;v為流速,m/s;z為深度,m;P為壓力,Pa;g為重力加速度,9.81m/s2;為井斜角,(°);f為摩阻系數(shù);D為管子內徑,m。式中包括:因舉高液體而克服重力所需的壓力勢能、流體沿管路的摩阻損失和流體因加速而增加的動能。2計算多相流的摩擦阻的性能2.1摩阻-ros法和其他1961年Duns和1963年Duns-Ros的壓降計算方法,是繼Poettmann-Carpenter方法之后,對石油工業(yè)界有重要影響的又一種方法。規(guī)定靜壓梯度就是管段按體積平均的流體密度,然后從大量的實驗數(shù)據(jù)中,分別對三個主要的流態(tài)域(泡流、段塞流、霧流)提出計算管壁摩阻的相關式。Ros提出:可以把泡流和段塞流這兩個區(qū)域同樣地進行處理,因為二者都涉及到一個連續(xù)的液相。仿照Fanning公式,取摩阻壓差:式中,為摩阻壓差,Pa;為Ros阻力系數(shù),無因次。在霧流區(qū),氣相是連續(xù)的,氣體與管壁之間發(fā)生摩擦,因此摩阻壓差應以氣相的速度來計算。仍然仿照Fanning公式取摩阻壓差。Duns-Ros方法主要適合氣液兩相垂直管流。其覆蓋所有的流動范圍,但是主要針對于霧流。在工程上可以達到很好的精度,它更適用于較短的管段,而對深度或壓差很大的井,必須進行一連串的分段計算。該法對于低流量的高粘油情況不準確,因此應用于稠油時應注意。這種方法最適用于氣舉井的穩(wěn)態(tài)性預測,對于所有的自噴條件都有較好的精度,但對于低流量、高粘度的油的情況不適用,如稠油。2.2油、氣、水、混合物流動模型1965年Hagedorn和Brown針對油、氣、水混合物在鉛直管中的流動,基于單相流體的機械守恒定律,得出壓力梯度計算公式。上式中,為油、氣、水混合物在管段上的總壓差,Pa;為管段的位置高差,m;為就地混合物的有效密度,kg/m3;為阻力系數(shù),無因次;為產油量,m3/s;為伴隨每生產1m3地面脫氣原油的油、氣、水的總質量,kg/m3;D為管子的直徑,m;為就地混合物的平均流速,m/s。在此方法中,Hagedorn和Brown采用的就地混合物的有效密度上式中,為就地混合物的有效空隙率,m3/m3;為就地混合物的有效持液率,m3/m3;為就地氣相的密度,kg/m3;為就地液相的密度,kg/m3。Hagedorn和Brown規(guī)定:油、氣、水、混合物的流動阻力系數(shù)的規(guī)律與單相流動的相同,可以由單相流動的阻力系數(shù)與雷諾數(shù)之間的關系求得,只是雷諾數(shù)的計算要選擇下式:上式中為就地液相粘度,Pa·s;為就地氣相粘度,Pa·s。Hagedorn-Brown為發(fā)展適合于長管的流動模型,以氣液兩相滑脫為基礎(滑移模型)建立了經驗性的相關式。但其在應用中一直有較高的精度,滑移模型方法在水平多相流動中得到了廣泛的應用。2.3摩阻壓力梯度和空氣流量的計算方法1967年總結已有的方法,將壓力梯度按不同流動型態(tài)采用已有或自己總結出的計算公式進行計算。泡狀流用Griffith方法,段塞流中的密度項用Griffith-Wallis方法,摩阻壓力梯度用Orkiszewski方法,段塞流與霧狀流的過渡區(qū)和霧狀流均用Duns-Ros方法。壓力梯度:上式中,為管段的摩阻壓力梯度,Pa/m;為在該管段的平均壓力和平均溫度下,氣相的體積流量,m3/s;A為管子的斷面積,m2;為管段的平均壓力,Pa。其中的計算比較復雜,它與流動型態(tài)有關。在這個計算方法中,氣液多相流動的流動型態(tài)被分為泡狀流、段塞流、過渡型態(tài)和霧狀流四種。氣液混合物密度和摩阻壓力梯度因流動型態(tài)而不同,因此,計算中首先要判斷流動型態(tài)。(1)泡沫流的摩阻壓力梯度7式中,為單相液體的沿程阻力系數(shù),無因次;為在該管段的平均壓力和平均溫度下,液相的平均流速,m/s。(2)液體分布系數(shù)式中,為單相液體的沿程阻力系數(shù),無因次;為液體分布系數(shù),無因次;為在該管段的平均壓力和平均溫度下,液相的體積流量,m3/s;為氣泡上升速度,m/s;(3)過渡型摩阻壓力梯度段的阻塞流和霧流式中,LM為霧狀流界限數(shù),無因次;LS為段塞流界限數(shù),無因次;為氣相速度準數(shù)。(4)兩相流壓力降模型方法式中,為單相氣體的沿程阻力系數(shù),無因次;為在該管段的平均壓力和平均溫度下,氣相的折算速度,m/s。Orkiszewski開始把反映兩相流動機理的氣泡舉升速度概念用于油氣垂直管兩相流壓力降的計算方法中。他完整地給出了流動形態(tài)判別方法,并率先對每個流型單獨進行了計算。至此,流動形態(tài)模型法作為計算兩相氣液流動壓力降的方法,在石油工業(yè)界的應用已經形成。Orkiszewski方法已被證明是計算兩相流壓力降的可靠方法之一。2.4流動型鋼的劃分1972年,Aziz-Govier-Fogarasi在Govier等人研究的基礎上,提出了比Duns-Ros更確切、簡單的流動形態(tài)分布圖。以Nx,Ny為坐標參數(shù),由試驗確定流動型態(tài)的界限N1,N2,N3(N1、N2、N3均為Ny的函數(shù)),將流動型態(tài)劃分為泡狀流、段塞流、過渡流和環(huán)霧流4種流型。這種分布圖流型轉變界線明確,有表達式,計算機處理方便。通過這種形態(tài)圖識別流型被證明是較好的方法之一。他們對泡狀流和段塞流也提出了新的相關規(guī)律。當流動型態(tài)屬于環(huán)狀流和霧狀流時,他們推薦采用Duns-Ros方法。對于過渡型流態(tài),他們建議使用DunsRos的內插法。(1)密度的查計算諾數(shù)式中為沿程阻力系數(shù),無因次,可用以下雷諾數(shù)由Moody圖查得。式中,為流動狀態(tài)下,液相的密度,kg/m3;為氣液混合物的平均流速,m/s;為液體的粘度,Pa·s(2)段塞流磨坊壓力梯度式中,為持液率;其中用的值查Moody圖可得。(3)過渡式摩阻壓力梯度必須同時使用段塞流和環(huán)狀流、霧流的公式,然后進行線形加權。(4)環(huán)形流和霧狀流的摩擦壓力梯度當流動型態(tài)處于環(huán)狀流和霧狀流時,可以采用DunsRos方法按第Ⅲ區(qū)進行計算。2.5管流與流之間的內插法優(yōu)化1973年Beggs和Brill基于由均相流動能量守恒方程式所得出的壓力梯度方程式,在聚丙烯管上,用空氣和水進行實驗的基礎上提出的。在每種實驗情況下,調節(jié)不同的氣體流量和觀察流型,并測量持液率和壓力梯度。實驗中包含了全部流型,并依據(jù)氣液分布狀況和流動特性分類。其特點是:1)按歸并后的三類流型建立流型分布圖,并在分離流和間歇流之間增加了過渡區(qū),處于過渡區(qū)的流動采用內插法。2)先按水平管流計算,然后采用傾斜校正系數(shù)校正成相應的傾斜管流。3)既可適用于垂直管流和傾斜管的上坡與下坡流動。這是目前在傾斜氣液兩相管流方面比較全面的研究成果。摩阻壓力梯度:(15)式中,為混合物的平均流速,m/s;為混合物密度,kg/m3。對水平管得到持液率計算結果進行傾斜校正,即可得到管傾斜情況下的計算結果,從而計算混合流的平均密度。傾斜校正系數(shù)與傾斜角、無滑脫持液率、弗魯?shù)聰?shù)及流體速度有關。Beggs和Brill利用實驗結果研究了兩相流阻力系數(shù)與無滑脫氣液兩相流阻力系數(shù)的比值和持液率和無滑脫持液率之間的關系。依據(jù)實驗結果得出了氣液兩相流阻力系數(shù)的計算方法和相關式,從而計算摩阻損失的影響。沿程阻力系數(shù)為:式中,為“無滑脫”的沿程阻力系數(shù);為指數(shù)式中,為混和物的平均流速,m/s;為管段入口的體積含液率。另外,(17)式中,。當1<Y<1.2時,應適用下式求s,Beggs-Brill方法適用于各種角度的管線,井中油管和環(huán)空管,斜井時建議使用。3流體物性參數(shù)的標準誤差評價Lawson和Brill評價了Hagedorn-Brown方法、Fancher—Brown方法、Duns-Ros方法、PoettmannCarpenter方法、Baxendell-Thomas方法和Orkiszewski方法。Vohra等評價了Beggs-Brill方法、Chierici等的方法和Aziz等的方法。他們在評價這九種方法時,都是用的相同的726口井的數(shù)據(jù)和相同的流體物性參數(shù)的常規(guī)方法,評價工作從五個方面(生產氣液比、生產水油比、液相的折算速度、管徑和脫氣原油的相對密度)來比較平均百分誤差和標準誤差。表1列出了具體的平均百分誤差和標準誤差的數(shù)值。從表中可以看出,以平均百分誤差來看,最好的方法是Hagedorn-Brown和Fancher—Brown,以標準誤差來看,最好的方法是Hagedorn-Brown和BeggsBrill。由于在做比較時使用的井數(shù)不一致,結論上存在一定的不足,因此必須使用大量的數(shù)據(jù)對各種方法進行嚴格的評價。4不同模型的對比實驗結果(1)多相管流中對流體摩阻計算方法的評價研究是十分必要的,是多相管流壓降預測當中的一個重要環(huán)節(jié)。其計算結果直接影響壓降計算的準確程度。(2)眾多以試驗為基礎的經驗或半經驗式如DunsRos(1963)法,Hagedorn-Brown(1965)法,Orkiszewski(1967)法,Aziz-Govier-Fogarasi(1972)法,Be