垂直多相管流是指流動過程中油、氣的分布狀態, 它與油氣體積比、流速及油氣的界面性質有關。不同流動結構的混合物有各自的流動規律, 因此, 可按其流動結構把混合物的流動分為不同的流動類型, 簡稱流型或流態。
基本介紹
- 中文名：垂直多相管流
- 外文名：Vertical multiphase flow
- 學科：採油工程
- 流態：純油流、泡流、段塞流、環流霧流
- 特徵：隨著流動不斷變化
- 基礎：垂直單相管流
流動特徵,流動型態的變化,壓力梯度的計算,
流動特徵
當油井的井口壓力高於飽和壓力時, 井內沿垂直管流動著的是單相原油, 其流動規律與水力學中單相垂直管流的規律完全相同。
原油從油層流到井底後具有的壓力(簡稱流壓) , 既是地層油流到井底後的剩餘壓力,同時又是垂直向上流動的動力。如果流壓足夠高, 在平衡了相當於井深的靜液柱壓力和克服流動阻力之後, 在井口尚有一定的剩餘壓力(稱油管壓力) , 則原油將通過油管和地面管線流到計量站。根據水力學的概念, 此時油管中的壓力平衡方程式應為:
式中
pwf———井底流動壓力;
pH———井內靜液柱壓力;
pfr———摩擦阻力;
pwh———井口油管壓力。
單相垂直管流的能量來自液體的壓力( 井底流壓) , 其能量消耗於克服重力和摩擦阻力,而且大部分消耗在克服液柱重力上。
當自噴井的井底壓力低於飽和壓力時, 則整個油管內都是氣—液兩相流動。當井底壓力高於飽和壓力而井口壓力低於飽和壓力時, 油流上升到其壓力低於飽和壓力的某一高度之後, 油中溶解的天然氣開始從油中分離出來, 油管中便由單相液流變為油- 氣兩相流動。液流中增加了氣相之後, 其流動型態( 流態) 與單相垂直管流有很大差別, 流動過程中的能量供給和消耗關係要複雜得多。油氣流上升過程中, 從油中不斷分離出溶解氣參與膨脹和舉升液體。氣- 液兩相垂直管流的能量來源除壓能外, 氣體膨脹是很重要的方面。一些溶解氣驅油藏的自噴井流壓很低, 主要靠氣體膨脹來維持油井自噴。氣舉井則主要是依靠從地面供給的高壓氣來舉升液體。
實踐表明, 並非所有的氣體膨脹能量都可以有效地舉油, 這要看氣體在舉升系統中做功的條件, 如油氣在油管中的流動結構。油氣在流動過程中的分布狀態不同, 氣體膨脹舉油的條件不同, 其流動規律也不同。
在單相垂直管流中, 由於液體壓縮性很小, 各個斷面的體積流量和流速相同。在多相垂直管流中, 沿井筒自下而上隨著壓力不斷降低, 氣體不斷從油中分出和膨脹, 使混合物的體積流量和流速不斷增大, 而密度則不斷減小。
多相垂直管流的壓力損失除重力和摩擦阻力外, 還有由於氣流速度增加所引起的動能變化造成的損失。另外, 在流動過程中, 混合物密度和摩擦阻力沿程隨氣—液體積比、流速及混合物流動結構而變化。
流動型態的變化
油氣混合物的流動結構是指流動過程中油、氣的分布狀態, 它與油氣體積比、流速及油氣的界面性質有關。不同流動結構的混合物有各自的流動規律, 因此, 可按其流動結構把混合物的流動分為不同的流動類型, 簡稱流型或流態。
在井筒中從低於飽和壓力的深度起, 溶解氣開始從油中分離出來, 這時, 由於氣量少, 壓力高, 氣體都以小氣泡分散在液相中, 氣泡直徑相對於油管直徑要小很多。這種結構的混合物的流動稱為泡流。
由於油、氣密度的差異和泡流混合物的平均流速小, 因此, 在混合物向上流動的同時, 氣泡上升速度大於液體流速, 氣泡將從油中超越而過, 這種氣體超越液體的現象稱為滑脫。泡流的特點是: 氣體是分散相, 液體是連續相;氣體主要影響混合物密度, 對摩擦阻力的影響不大; 滑脫現象比較嚴重。混合物繼續向上流動的過程中, 壓力逐漸降低, 氣體不斷膨脹。
小氣泡將合併成大氣泡, 直到能夠占據整個油管斷面時, 在井筒內將形成一段油、一段氣的結構。這種結構的混合物的流動稱為段塞流。出現段塞後, 氣泡托著油柱向上流動, 氣體的膨脹能得到較好的發揮和利用。但這種氣泡舉升液體的作用很象一個破漏的活塞向上推油。
在段塞向上運動的同時, 沿管壁還有油相對於氣泡向下流動。雖然如此, 在油氣段塞結構情況下, 油氣間的相對運動要比泡流小, 滑脫也小。通常, 自噴井內, 段塞流是主要的。
隨著混合物繼續向上流動, 壓力不斷下降, 氣相體積繼續增大, 泡彈狀的氣泡不斷加長, 逐漸由油管中間突破。形成油管中心是連續的氣流而管壁為油環的流動結構, 這種流動稱為環流。在環流結構中, 氣液兩相都是連續的, 氣體舉油作用主要是靠摩擦攜帶。
在油氣混合物繼續上升過程中, 如果壓力下降使氣體的體積流量增加到足夠大時, 油管中央流動的氣流芯子將變得很粗, 沿管壁流動的油環變得很薄。此時, 絕大部分油都呈小油滴狀分散在氣流中, 這種流動結構稱為霧流。霧流的特點是: 氣體是連續相, 液體是分散相; 氣體以極高的速度攜帶油滴噴出井口, 油氣之間的相對運動速度很小; 氣相是整個流動的控制因素。
綜上所述, 油井中可能出現的流態自下而上依次是: 純油流、泡流、段塞流、環流和霧流。
上圖只是說明了油井生產時各種流型在井筒中的分布和變化的情況。實際上, 在同一口井內, 不會出現如圖所示的完整的流型變化, 特別是不可能同時存在純油流和霧流。環流和霧流一般只出現在混合物流速和氣液比很高的情況下。因此, 除某些高產凝析氣井和含水氣井外, 一般油井都不會出現環流和霧流。
區別不同的流型並研究其流動規律, 對於氣- 液兩相垂直管流計算是十分重要的。但由於其流動的複雜性, 不同研究者根據自己在實驗中的觀察和實驗結果, 在計算中對流型的描述和劃分標準也不盡相同。
壓力梯度的計算
1979 年, 大慶石油學院水力學教研室陳家琅教授在前人工作的基礎上, 將氣液兩相流動的流動型態和滑脫損失等影響計入兩相阻力係數之中, 根據油田自噴井的生產數據, 得出了計算多相垂直流動壓力梯度的阻力係數法。壓力梯度基本方程如下:
式中
ρm ——— 計算管段的混合物平均密度, kg/ m3 ;
g——— 重力加速度, 9.807m/ s2 ;
λ——— 計算管段的摩阻係數, 無因次;
D——— 管徑, m;
vm——— 計算管段的混合物平均流速, m/ s 。
多相垂直管流的壓力分布可根據多相垂直管流的壓力梯度來計算。由於多相垂直管流中每相流體物理參數( 密度、粘度等) 及混合物密度和流速等都隨壓力和溫度而變, 因而沿程壓力梯度並不是常數。因此, 多相管流需要分段計算, 並預先求得相應段的流體物性參數。然而, 這些參數又是壓力和溫度的函式, 壓力卻又是計算中需要求的未知數。所以, 多相管流通常採用疊代法進行計算, 即深度疊代或壓力疊代。
1、按深度增量疊代的步驟
(1 ) 以任一點( 井口或井底) 的壓力po作為起點, 任選一個合適的壓力降Δp 作為計算壓力的間隔。一般選Δp = 500 ～ 1 000 kPa。具體數值應根據流體流量(油井的氣、液產量)、管長(井深) 及流體性質確定。
(2 ) 估計一個對應於Δp 的深度Δh , 以便根據溫度梯度估算該段下端的溫度Tl 。
(3 ) 計算出該管段的平均溫度T 及平均壓力p , 並確定在該溫度和壓力下的全部流體性質(溶解氣油比Rs、原油體積係數Bo 和粘度μo、氣體密度ρg、混合物粘度μm 及表面張力σ等)。
(4）計算該段的壓力梯度
(5 ) 計算對應於Δp 的該段管長(深度差) 為:
(6 ) 將第( 5) 步計算得的Δh 與第( 2 ) 步估計的Δh 進行比較, 若兩者之差超過允許範圍, 則以計算的Δh 作為估計值, 重複( 2 ) ～ ( 5 ) 的計算, 直到計算的與估計的Δh 之差在允許範圍ε0 內為止。
(7 ) 計算該段下端對應的深度Li 及壓力pi :
( 8) 以Li 處的壓力為起點, 重複第(2 ) ～ (7 ) 步, 計算下一段的深度Li+1 和壓力pi+1 , 直到各段的累加深度等於或大於管長( Ln ≥ L) 時為止。
