§1自喷与气举 - 图文

§1.2 气—液混合物在垂直管中的流动规律

气举井和绝大多数自喷井的油管中流动的都是油-气-水三相混合物。对采油来讲，油、气、水混合物在油管中流动规律---多相垂直管流理论是研究自喷井、气举井生产规律的基本理论。为了掌握油井生产规律及合理地控制和调节油井工作方式，必然熟悉气—液混合物在油管中的流动规律。

多相垂直管流，由于其流体的非均质性和流动形态的多变性，目前还没有切实可用的严格的数学解。对这一类问题的研究大多数是从基本方程出发，利用实验资料进行相关分析和因次分析等来求得各参变量的近似关系。半个多世纪来已经提出了许多多相垂直管流的方法，但由于实验条件的限制和差异，以及研究过程中对某些因素的不同考虑，使得各种方法的使用范围、计算工作的繁简程度及计算结果各有不同。下面多相垂直管流的基本概念及应用较多、计算比较简便的方法作些介绍。

一. 气-液混合物在垂直管流中的流动特征：

1. 与单相液流的比较：

根据普通水力学的概念，液体在垂直管中流动时，油管中的压力平衡等式应为：

Pwf?PH?Pfr?Pwh （1.2-1）

式中：Pwf ——井底流动压力，它是原油从油层流到井底后的剩余压力，简称流压； PH ——井内静液柱压力； Pfr ——摩擦阻力；

Pwh ——井口油管压力 ，它是原油从油层流到井口的剩余压力，简称油压。 当Pt > Pb (饱和压力)时，油管中为单相液流（原油）流动；Pwf < Pb 时，油管内为气-液两相流动；当Pb > Pb > Pt 时，油管内便由单相液流变为气-液两相流动，即由单相流变为多相流。

单相垂直管流的能量来自液体的压力（井底流压），其能量消耗于克服重力及摩擦阻力。在单相水平管流中没有克服液柱重力的消耗；而有垂直管中，井底压力大部分消耗在克服液柱重力上。

多相垂直管流中，因液流中增加了气相之后，其流动形态（流态）与单相管流有很大差别，流动过程中的能量供给与消耗关系要复杂的多。油气流上升过程中，从油中不断分离出的溶解气参与膨胀和举升液体。因此多相垂直管流的能量来源除压能外，气体的膨胀能是个很重要的方面。一些溶解气驱油藏的自喷井，井底流压很低，主要就是依靠气体膨胀能来维持油井自喷。

实践表明，并非所有气体膨胀能量都可以有效地举油，这要看气体在举升系统中作功的条件，如油气在油管中的流动结构。油气在流动过程中分布状态不同，气体膨胀举油的条件不同，其流动规律也不同。

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在单相垂直管流中，由于液体压缩性很小，各个断面的体积流量和流速相同。在多相垂直管流中，沿井筒自下而上随着压力不断降低，气体不断从油中分出和膨胀，使混合物的体积流量和流速不断增大，而重度则不断减小。

多相垂直管流的压力损失除重力和摩擦阻力外，还有由于气体流速增加所引起的动能变化造成的损失。另外，在流动过程中，混合物密度和摩擦阻力沿程随气-液体积比、流速及混合物流动结构而变化。

图1.2-1 油气混合物的流动结构示意图

2. 油气混合物在垂直管中的流动结构—流动形态的变化：

油气混合物的流动结构是指流动过程中油、气的分布状态（如图1.2-1所示），与油、气体积比、流速及油、气界面性质有关。不同流动结构的混合物有各自的流动规律，因此可按其流动结构把混合物的流动分为不同的流动类型（简称为流型或流态）。通常把流动结构直接称为流型或流态。

在油井中，自下而上随着压力的降低，可能出现的流态依次为纯油流、泡流、段塞流、环流和雾流（如图1.2-2所示）。 (1) 纯油流：

在井筒中的压力高于饱和压力时，没有气体分离出来，只有纯油在流动，为纯油流。 (2) 泡流：

在井筒中，从低于饱和压力的深度起，溶解起开始从油中分离出来，此时由于气量少，压力高，气体都以小泡分散在液相中，气泡直径相对油管直径要小得多。这种结构的混合物的流动称为泡流。由于油、气密度的差异和泡流的混合物平均流速小，因此，在混合物向上流动的同时，气泡上升速度大于液体流速，气泡将从油中超越而过，这种气体超越液体的现象称为滑脱。

泡流的特点是：气体是分散相，液体是连续相；气体主要影响混合物密度，对摩擦阻力的影响不大；滑脱现象比较

图1.2-2 油气沿井筒喷 出时的流型变化示意图

严重。 (3) 段塞流：

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当混合物继续向上流动，压力逐渐降低，气体不断膨胀，小气泡合并成大气泡，直到

能够占据整个油管断面时，在井筒内将形成一段油一段气的结构（如图1.2-1b所示）。这种结构的混合物的流动称为段塞流。出现段塞流后，气泡托着油柱向上流动，气体的膨胀能得到较好的发挥和利用。但这种气泡举升液体的作用很象一个破漏的活塞向上推油，在段塞向上运动的同时，沿管壁还有油相对气泡向下运动。虽然如此，在油气段塞结构情况下，油、气间的相对运动要比泡流小，滑脱也小。一般自喷井内，段塞流是主要的。 (4) 环流：

随着混合物继续向上流动，压力不断下降，气体体积不断增大，炮弹状的气泡不断加长，逐渐由油管中间突破，形成油管中心是连续的气流而管壁为油环的流动结构，这种流动结构称为环流（如图1.2-1c所示）。在环流结构中，气液两相都是连续的，气体举油作用主要依靠摩擦携带。 (5) 雾流：

在油气混合物上升过程中，如果压力的下降使气体的体积流量增加到足够大时，油管中央流动的气流芯子将变得很粗，沿管壁流动的油环变得很薄，此时绝大部分油都以小油滴分散在气流中，这种流动结构称为雾流。

雾流的特点是：气体是连续相，液体是分散相；气体以极高的速度携带油滴喷出井口；油、气之间的相对运动速度很小；气相是整个流动的控制因素。

图1.2-2只是为了说明油井生产时各种流型在井筒中的分布和变化情况的示意图。实际上在同一口井内，不会出现如图所示的完整的流型变化。特别是在一口自喷井内不可能同时出现纯油流和雾流的情况。环流和雾流只是出现在混合物流速和气液比很高的情况下。因此，除某些高产凝析气井和含水气井外，一般油井都不会出现环流和雾流。

区分不同的流型并研究其流动规律，对于气—液两相垂直管流计算是十分重要的。但由于其流动的复杂性，不同研究者根据自己在实验中的观察和实验结果，在计算中对流型的描述和划分标准也不尽相同。

3. 滑脱损失：

多相垂直管流中，通常用来克服混合物液柱重力所消耗的能量远比其它能量消耗大。重力消耗的大小直接取决于井深和混合物的密度。而混合物的密度又与滑脱现象有关。

在气-液两相垂直管流中，由于气体和液体间的密度差而产生气体超越

图1.2-3 气液混合物流动时流过断面简化图

液体上升的现象称为滑脱。出现滑脱之后将增大气液混合物的密度，从而增大混合物的静水压头（即重力消耗）。因滑脱而产生的附加损失称为滑脱损失。

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二. 多相垂直管流压力分布的计算

流体在管内流动规律的研究都是从能量平衡入手，建立能量平能方程。其中最关心的是沿程的压力分布，也就是沿程的压力梯度。因为，知道压力梯度就可以知道系统各处的压差，从而据此计算流量，或者据流量来计算压差及各处压力。

由能量平衡方程可导出多相垂直管流沿程的压力梯度公式为：

dpdv?V2??g??v?f （1.2-2） dhdhD2

式中：P——压力，帕；

h——由油层中部算的混合物的高度； ?——流体密度（混合物密度），Kg/m3； g——重力加速度，m/s； V——混合物流速，m/s； f——混合物流动时的摩阻系数； D——油管直径，m。

利用式（1.2-2）便可以计算出多相垂直管流沿程的压力梯度。但由于多相垂直管流中每相流体的流动都受混合物物理参数（如密度、粘度等）的影响，且混合物密度和流速都随压力和温度而改变，故沿程压力梯度并不是常数。因此，多相垂直管流需要分段计算，并要预先求得相应的流体性质参数。然而，这些参数又是压力和梯度的函数，压力却又是计算中所要求的未知数。所以，多相垂直管流通常采用迭代法进行计算。有两种不同的迭代途径：

21. 按深度增量迭代的步骤（深度迭代法）：

（1）、已知任一点（井口或井底）的压力Po作为起点，任选一个合适的压力降?P作为计算压力的间隔。一般选?P=500～1000千帕，具体要根据流体量（井内油、气产量）、管长（井深）及流体性质来决定。

（2）、估计一个对应于?P的深度增量?h估，以便根据温度梯度估算该段下端的温度T1。 （3）、计算出该管段的平均温度T及平均压力P，并确定该T和P下全部流体性质参数（溶解油气比R，原油体积系数Bo，油、气、混合物粘度，气体密度ρg，及表面张力σ等）。

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