气井管流及节流动态优秀PPT.ppt

单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,*,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,*,单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,,单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,,*,气井管流及节流动态,本 章 主 要 内 容,第一节 气相管流的基本方程,,第二节 气相管流压降计算方法,,第三节 气液两相管流简介,,第四节 气体通过油嘴的流动,,第五节 产水采气井两相管流压降优化模型,本章目的：确定pws、pwf,,当pR一定时，qsc由pwf直接控制，间接由ptf控制地层流入动态：qsc＝f(pwf)pR,,油管流动动态：井口压力一定时，产量与井底压力的关系qsc＝f(pwf)ptf,,方法：井下压力计测量，计算方法,本章难点重点,难点,,管流的基本能量方程,,静止气柱井底压力计算原理和方法,,流动气柱井底压力计算原理和方法,,多相管流计算,,嘴流的流态,重点,,管流主要压力损失项,,静止气柱井底压力计算基本方法和步骤,,流动气柱井底压力计算基本方法和步骤,,嘴流的流态划分和相应的流量与压力的关系,基本概念,井口流出曲线：某一已知地层压力下井口流压与产量的关系〔反映地层压力一定时的气井井口产能特性）.,第一节 气体稳定流动能量方程,一、气体稳定流动能量方程,,思绪：整个系统的能量变化的代数和为零。

流入和流出系统能量之和等于系统内部能量的变化z,z+dz,L,H=Lsinθ,θ,,式中：ΔE----内能变化，J／kg,,ΔPν----膨胀或压缩功，J／kg,,Δ(u2/2)----动能变化，J／kg,,gΔH----位能变化，J／kg,,q----系统热量损失，J／kg,,w----外界对系统作功，J／kg,,二、能量方程的表达式,微分式,,,,Lw：气体流经管道、阀门和其它管件，由于摩阻产生的能量损失，J/kg,,在忽略作功时，并考虑沿管轴向下为正，上式可写成压力梯度的形式：,重力梯度,加速度梯度,摩阻梯度,三、按动量方程计算推导,,思绪,,作用于控制体的外力应等于流体的动量变化,,外力,,质量力〔重力〕沿管轴的分力,,压力变化,,管壁摩擦阻力〔与气体流向相反）,,如果取从井底向上为计算方向,,动量变化,单位面积上的摩擦力,,把质量力、压力变化和管壁摩擦力代入,总压降梯度,重力压降梯度,动能压降梯度,摩阻压降梯度,摩阻系数f的定义：,,,,摩阻系数是一无因次量，反映管壁剪切应力对摩阻压降的影响程度Moody：f＝f〔Re，e／d）,四、单相管流摩阻系数f,四、单相管流摩阻系数f,摩阻系数是雷诺数和相对粗糙度的函数。

１、雷诺数Re,,定义：Re＝惯性力／粘滞力＝ρguD／μg SI单位制,,思考题：怎样将SI单位转换为法定单位？,实用式,关键：u(m/s)→qsc(sm3/d)，μg (Pa.s)→(mPa.s),,思绪：,四、单相管流摩阻系数f,mPa.s,m,m3/d,2、两个基本概念,绝对粗糙度e,,按比例均匀分布和筛选过的紧密压实的砂粒平均突出的高度,,相对粗糙度,,绝对粗糙度e与管子内径D的比值,3、摩阻系数图,Moody 摩阻系数,,分区：,,层流,,过渡流,,紊流:,,光滑区,,混合摩阻区,,完全粗糙区,4、实用摩阻系数公式,,(1)、Colebrook公式是最基本的公式需迭代计算f，适用于紊流的光滑管、过渡区及完全粗糙区2)、Jain公式，不需迭代计算f与Colebrook公式相比，误差在1％第二节 气相管流压降计算方法,一、井底静压计算,,１、思绪：(SI单位制)，取沿井筒向下为z轴正方向,２、垂直管井底静压计算简化条件,,u=0，θ=90°，sinθ=1,,气体垂直管流动基本公式：(SI单位制),,二、静止气柱,,1.静止气柱计算能量方程,,由上两式得,,,,,,,,能量分析：仅存在重力项，摩阻项和动能项为零。

应用条件：垂直，关井或qsc＝0,,思考题：怎样求解上式，获得pws＝f(pts)？,,关键：怎样对上式左边积分ZT／p＝f〔p，T）,2、平均温度偏差系数法,(1)、公式推导,,假设：,,T和Z都用平均值，即T＝常数，Z＝常数具体值取：T＝(Tts+Tws)/2,,,p＝(pts+pws)/2,,或 Z＝(Zts+Zws)/2,则静止气柱能量方程变为：,,,,,积分得：,,平均温度偏差系数法静止气柱井底压力计算公式：,,(2)、应用举例,,1) 已知pts，求pws思绪：pws和Z都未知，用迭代法计算步骤：,,①、赋初值pws0＝pts＋ptsH/12192,,②、计算平均参数,,③、赋值pws0＝pws,,④、计算,,⑤、计算,,⑥、计算,,⑦、计算新的pws，pws＝ptseS,,⑧、判别｜pws0－pws｜＜ε？成立则结束否则转至③重复迭代计算,思考题：,,①、框图是怎样的？,,②、当温度非线性高时，采用什么算法才能提高精度？,,2)、已知pws，求pts,,计算公式：pts＝pwse-S,,思考题：其步骤和框图是怎样的？,,3)、已知pts，求压力随井深的分布,,计算思路：将井深N等分,,思考题：其步骤和框图是怎样的？,3、Cullendeγ & Smith 法〔梯形积分）,(1)、公式推导,,能量方程：,,,,,,被积函数I＝ZT／p,,推导思路：将上式左边的积分用梯形法数值积分展开。

二步梯形法，将井深等分两段：,,井深中点处的参数记为pms，Tms，Zms，Ims.,,Its＝ZtsTts/pts,,Ims＝ZmsTms/pms,,Iws＝ZwsTws/pws,,A1,A2,,对上段油管：,,能量方程为:,,,,,＝曲面积A1≈梯形面积,,＝(pms－pts)(Ims＋Its)/2,,pms＝pts＋0.03415γgH/(Ims＋Its),,对下段油管：,,能量方程为 :,,,,＝曲面积A2≈梯形面积,,＝(pws－pms)(Iws＋Ims)/2,,pws＝pms＋0.03415γgH/(Iws＋Ims),,(2)、应用举例,,已知pts，求pws,,计算思路：先迭代上段油管求pms再迭代下段油管求pws,,上段油管计算步骤：,,①、赋初值pms＝pts＋ptsH/12192/2,,②、计算Zts＝f(Tts，pts),,③、计算Its＝ZtsTts/pts,,④、计算Tms＝(Tts+Tws)/2,,⑤、赋值pms0=pms,,⑥、计算Zms＝f(Tms，pms),,⑦、计算Ims＝ZmsTms/pms,,⑧、计算新pmspms＝pts＋0.03415γgH/(Ims＋Its),,⑨、判别｜pms0－pms｜＜ε？不成立则转至⑤。

下段油管计算步骤：,,①、赋初值pws＝pms＋pmsH/12192/2,,②、赋值pws0 ＝ pws,,③、计算Zws＝f(Tws，pws),,④、计算Iws＝ZwsTws/pws,,⑤、计算新pwspws＝pms＋0.03415γgH/(Iws＋Ims),,⑥、判别｜pws0－pws｜＜ε？成立则结束否则转至②重复上述步骤2)、Cullendeγ & Smith方法假设条件,,①、稳定流动；,,②、单相气；,,③、dw＝0〔不考虑外力做功）；,,④、梯形法积分引入的误差1、垂直管流动简化条件，取沿井筒向下为z轴正 方向，忽略动能压力梯度,,dw＝0，udu≈0，sinθ=1,,气体垂直管流动基本公式：(SI单位制),三、流动气柱,,举例：说明动能可忽略,,知：qsc＝50万m3／d，pwf＝30MPa，,,H＝3000m，d＝3"，γg＝0.65,,求：Δpf＝?，ΔPacc＝?,,解：Δpf＝2.49MPa，ΔPacc＝0.00155MPa,2、实用垂直管流公式,(1)、状态换算：,,ρ=Mp/ZRT,,u＝qscBg/(86400πD2/4),,Bg=(psc/Tsc)(ZT/p),,(2)、单位换算：dp:[Pa]==>[MPa]。

思考题：R＝？,,,,,,,思考题：流动气柱和静止气柱能量方程的差别在何处？,微分式：,积分式：,,,,,,,思考题：0.03415和1.324×10－18是怎样得的？,3、平均温度偏差系数法,(1)、公式推导,,假设：,,T和Z都用平均值，即T＝常数，Z＝常数:,,具体值取：T＝(Ttf+Twf)/2, p＝(ptf+pwf)/2,,Z＝f(p,T) 或 Z＝(Ztf+Zwf)/2,公式:,,,,思考题：当qsc＝0时上式简化成什么公式？,,(2)、流动气柱平均温度和偏差系数法假设条件,,①、稳定流动;,,②、单相气;,,③、vdv＝0;,,④、T＝常数;,,⑤、Z＝常数;,,⑥、f＝常数,过渡流--从液相连续向气相连续过渡，不稳定,,第五节 产水采气井两相管流压降优化模型,,③、dw＝0〔不考虑外力做功）；,,Iws＝ZwsTws/pws,,⑩、判断H≤Hw？成立则结束Moody：f＝f〔Re，e／d）,,三、按动量方程计算推导,,泡流--液相连续，气相以小泡分散,,思考题：怎样将SI单位转换为法定单位？,,思考题：怎样求解上式，获得pws＝f(pts)？,,思考题：当qsc＝0时上式简化成什么公式？,,计算思路：先迭代上段油管求pms。

地层流入动态：qsc＝f(pwf)pR,,⑦、计算新的pws，pws＝ptseS,,Bg=(psc/Tsc)(ZT/p),４、运用,(1)、静止气柱(qsc＝0)：由pts计算pws,,关井：油管和套管都是静止气柱由pts或pcs计算pws思考题：井中存在液柱怎么办？,当油管生产时，套管环空与井底相连，套管环空中为静止气柱由pcs计算pwf当套管生产时：油管与井底相连，油管中为静止气柱由pts计算pwf2)、流动气柱(qsc≠0)：由ptf计算pwf,,思考题：当油管生产时，从套管和油管的气柱计算pwf时，谁精度高？,(3)、应用举例,,已知ptf求pwf,,,计算步骤：,,①、赋初值pwf＝ptf＋ptfH/12192,,②、计算T＝(Ttf+Twf)/2,,③、赋值pwf0＝pwf,,④、计算p＝(ptf+pwf)/2,,⑤、计算Z＝f(p,T),,,μg＝f(p,T), Re,,f＝f(Re,e/d),,⑥、计算S＝0.03415γgH/ZT,,⑦、计算新pwf⑧、判别｜pwf0－pwf｜＜ε？成立则结束否则转至③,5 Cullender & Smith方法,公式推导,,能量方程：,上段油管:,,Pmf＝Pwh＋0.03415gH/(Imf＋Iwh),,,下段油管:,,Pwf＝Pmf＋0.03418 gH/(Iwf＋Imf),四、水平输气管压降,水平输气管：流动方向为水平方向，无高程变化，故其压力梯度为：,,,,于是水平输气管压降计算式为：,qsc：产量m3/d，L：水平管长度、m，d：水平管内径、m,水平管摩阻压降图例,相同长度水平管线摩阻压降,摩阻压降,产气量,d3,d2,d1,d1

五、凝析气的修正,思绪：能量方程(SI单位制),,,,,,,,,上式适用于单相流对气液拟单相流应修正ρ、v、μ１、修正相对密度,思绪：,,相对密度定义式为γw＝Mw／28.97,,分子量Mw＝mw／nt＝(mg＋mo)／(ng＋no),,关键：,,流体质量mg、mo,,对应摩尔数ng、no,,方法：讨论1m3油，气油比为R(m3／m3)则在标准状态下:,,Vo＝1m3(油)，Vg＝Rm3(气),,mg＝ρscVg＝1.205γgR (密度：ρ＝m／V),,mo＝ρostVo＝1000γo,,ng＝mg/Mg＝1.205γgR/28.97γg,,＝R/24.04,,no＝mo/Mo＝1000γo/Mo,,相对密度:,,γw＝(Rγg＋830γo)/(R＋24040γo/Mo),思考题：,,①当R→∞时，γw→γg吗？,,②对油气水三相流动，怎样推导γm？,,２、修正两相Z系数(有三种方法),,(1)、Zm＝pV／nTRT用实验求,,(2)、干气校正图,,(3)、复合气体法用γw计算Zm＝f(p，T，γw),,３、流量校正：,,qT＝qsc＋qoqEQ,,qEQ----1m3油气化后的体积,,qEQ＝no24.04＝24040γo/Mo,,no＝Kmol／1m3(油),第三节 气液两相管流简介,重要性：四川89％是气水气田，40.2％是气水井,,实验装置：,,国内,,有大庆陈家琅、长庆、中原、四川广汉,,国外,,Tulsa、法国、挪威,一、垂直两相管流流型〔流态）,,1、气液两相流：,,气体和液体两相混合物的同时流动。

举例：凝析气井、湿气井、水汽、水驱,,2、流态定义：气液相间界面结构,,3、流态分类：,,泡流--液相连续，气相以小泡分散,,段塞流--液相连续，气泡几乎堵塞管子,,过渡流--从液相连续向气相连续过渡，不稳定,,环雾流--液相以液滴形式分散在连续气相中的气液混合流动，存在气芯和液膜,,在一些井中可能只存在一种或几种流态二、两相管流特性参数,两相流特点：存在流态和滑脱,,,１、滑脱：气相比液相流动快静液中气泡上升静液中气泡上升速度＝流动时的滑脱速度,,２、持液率,,定义式：HL＝单位管长液相体积／单位管长总体积＝VL／VT,,,讨论：当HL＝0，单相气流,,当HL＝0－1， 气液两相流,,当HL＝1， 单相液流,,思考题：持液率与当地压力和温度是否有关？,③、保护地面设备，降压至输压；,,方法：井下压力计测量，计算方法,,对于一般天然气，绝热指数K取1.,,有大庆陈家琅、长庆、中原、四川广汉,,①、赋初值pwf＝ptf＋ptfH/12192,,当油管生产时，套管环空与井底相连，套管环空中为静止气柱单流阀--用于注入井防止回流,,与Colebrook公式相比，误差在1％求：Δpf＝?，ΔPacc＝?,,思绪：将上式差分,取Δp＝const，迭代求解ΔH，直到ΣΔH≥Hw,,相对密度定义式为γw＝Mw／28.,,②、赋值pws0 ＝ pws,,＝R/24.,,则静止气柱能量方程变为：,,vsg----气相表观速度,,＝(pws－pms)(Iws＋Ims)/2,,⑩、判断H≤Hw？成立则结束。

３、表观速度,,定义：假设某相单独充满管子流动时的速度定义式：vsg＝qg／AvsL＝qL／Avsg----气相表观速度,,vsL----液相表观速度,４、无滑脱持液率,,定义：气液不存在滑脱时的持液率实际是不存在的定义式：λL＝qL／(qL＋qg),,＝vsL／(vsL＋vsg),５、气液混合物密度,,ρm＝ρLHL＋ρg(1－HL),,无滑脱混合物密度：,,ρn＝ρLλL＋ρg(1－λL),,６、真实速度,,vg＝qg／Ag,,＝qg／(1-HL)A,,vL＝qL／AL,,＝qL／HLA,,７、混合物速度,,定义式：vm＝(qL＋qg)／A,,＝vsL＋vsg,,８、滑脱速度,,定义：气液相真实速度之差定义式：vs＝vg－vL,,＝vsg／(1-HL)－vsL／HL,,当vs＝0时：HL＝λL,９、持液率的求法,(1)、滑脱模型：,,由vs定义式计算,,vs＝vsg／(1-HL)－vsL／HL,泡流：,,,,,,段塞流和过渡流：,,,,,,环雾流：vs＝0,,(2)、漂移通量模型：,,推导上式：,,气相从0～L的时间为t＝L／vg液相进入的体积为VL＝qLt＝AvsLt,三、两相流基本方程,1、基本方程,(dp/dL)--总梯度，Pa／m,,(dp/dL)el--举升梯度,Pa／m,,(dp/dL)el=ρmgsinθ,,(dp/dL)f---摩阻梯度，Pa／m,,(dp/dL)f=fmρmvm2/2d,(dp/dL)acc---加速度梯度，Pa／m,,(dp/dL)acc=ρmvmdvm/dL,,=C(dp/dL),,,C＝ρmvmvsg/p,,,fm---两相摩阻系数,,C---动能因子,,未知数：(dp/dL)、ρm、fm。

计算(dp/dL)，归结为求HL、fm,,注 意：HL＝f(p，T)；fm＝f(p，T),,思考题：当有公式能计算出HL、fm时，怎样求解上式？,2、基本解法,已知ptf求pwf,,(1)、长度叠加法,,思绪：将上式差分,取Δp＝const，迭代求解ΔH，直到ΣΔH≥Hw,长度叠加法步骤：,①、取Δp＝const；,,p1＝ptf，H＝0；gT＝(Twf－Ttf)/Hw,,②、计算p＝p1＋Δp/2,,③、假设ΔH＝200,,④、让ΔH0＝ΔH,,⑤、计算T＝Ttf＋(H＋ΔH/2)gT,⑥、计算p、T下的物性参数、速度等参数；,,计算HL＝f(p，T)和fm＝f(p，T),,⑦、计算新ΔH,,⑧、判别｜ΔH0－ΔH｜＜ε？成立转下步否则转④重复计算⑨、H＝H＋ΔH，p1＝p1＋Δp,,⑩、判断H≤Hw？成立则结束否则转②重复计算2)、压力叠加法,,取ΔH＝const，迭代求解Δp,,思考题：写出步骤、框图？,四、Hagedoγn & Bγown法,思考题：怎样计算HL、fm？,,1986年Bγown来华讲学,,1、特点：,,不分流态，由实验井的数据拟合求出HL,,2、实验：,,Tulsa校内打一口井,3、结果,(1)计算HL。

将HL用三个无因次图绘出无因次参数,,气相速度数:,,,,液相速度数:,管径数:,,,,液体粘度数:,(2)计算fm仍用Jain公式但Rem＝ρnvmd／μm,第四节 气体通过气嘴的流动,,一、概述,,1、作用：节流降压，控制产量,,2、分类：,,,地面气嘴: 油嘴、针形阀；,,井下气嘴:,,井下安全阀--采油树损坏时关井,,井底气嘴--井底降压不易生成水合物,,单流阀--用于注入井防止回流,3、地面气嘴用途,①、保持井的稳定许可产量；,,②、保证足够回压控制出砂，降低生产压差；,,③、保护地面设备，降压至输压；,,④、防止水锥，控制qsc＜水锥临界流量；,,⑤、气藏管理，如全气藏各井产量分配4、特点：,①、长度短，重力和摩阻项不计；,,②、面积很小，动能不可忽略二、气嘴流量公式,１、推导思路： SI单位制,,,,,得：,引入绝热可逆过程：,,,,积分得：,2、流态划分---临界压力比,思考题：当p2／p1下降时，qsc是否一直上升？,缘由：当压力p2小于pc后，气嘴下游存在激波，使p2不可能小于pc，而是p2＝pc,气嘴的流态,,亚临界流：气嘴流量随下游压力变化。

临界流 ：气嘴流量不随下游压力变化存在两个问题,,如何划分流态？,,如何计算临界流的流量qmax ？,,解决方法,,对上面的公式求导,临界压力比,,,,当 时为临界流，　　　　时为亚临界流,对于一般天然气，绝热指数K取1.25临界压力比：,3、计算气嘴流量的公式,,亚临界流：,,,,,临界流：,思考题：,,地面气嘴最好设计成什么流态？,,井下气嘴呢？,第五节 产水采气井两相管流压降优化模型〔自学内容）,,一、压力梯度方程及其数值解,,二、参数优化模型,,三、模型评价,,四、水气比敏感性分析,谢谢,。