气液两相流 整理.docx

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气液两相流整理

第一章概论

相的概念：

相是体系中具有相同化学组成和物理性质的一部分，与体系的其它均匀部分有界面隔开

两相流动的处理方法：

双流体瞬态模拟方法和精确描述物理现象的稳态机理模型是多相管流研究的主要方法

目前研究存在的问题：

1、多相流问题未得到解析解；2、油气水三相流的研究不够深入；3、水平井段变质量流动研究较少；4、缺乏向下流动的综合机理模型；5、缺乏专用研究仪器

气液两相流的分类：

1、细分散体系：

细小的液滴或气泡均匀分散在连续相中

2、粗分散体系：

较大的气泡或液滴分散在连续相中

3、混合流动型：

两相均非连续相

4、分层流动：

两相均为连续相

气液两相流的基本特征：

1、体系中存在相界面：

两相之间也存在力的作用，出现质量和能量的交换时伴随着机械能的损失

2、两相的分布情况多种多样：

两相流动中两相介质的分布称为流型

3、两相流动中存在滑脱现象：

相间速度的差异称为滑脱，滑脱将产生附加的能量损失

4、沿程流体体积流量有很大变化，质量流量不变

气液两相流研究方法：

1、经验方法：

从气液两相流动的物理概念出发，或者使用因次分析法，或者根据流动的基本微分方程式，得到反映某一特定的两相流动过程的一些无因次参数，然后依据实验数据整理出描述这一流动过程的经验关系式。

优点：

使用方便，在一定条件下能取得好的结果

缺点：

使用有局限性，且很难从其中得出更深层次的关系

2、半经验方法：

根据所研究的气液两相流动过程的特点，采用适当的假设和简化，再从两相流动的基本方程式出发，求得描述这一流动过程的函数关系式，最后用实验方法确定出函数关系式中的经验系数。

优点：

有一定的理论基础，应用广泛

缺点：

存在简化和假设，具有不准确性

3、理论分析方法：

针对各种流动过程的特点，应用流体力学方法对其流动特性进行分析，进而建立起描述这一流动过程的解析关系式。

优点：

以理论分析为基础，可以得到解析关系式

缺点：

建立关系式困难，求解复杂

研究气液两相流应考虑的几个问题：

1、不能简单地用层流或紊流来描述气液两相流

2、水平或倾斜流动是轴不对称的

3、由于相界面的存在增加了研究的复杂性

4、总能量方程中应考虑与表面形成的能量问题

5、多相流动中各相的温度、组分的浓度都不是均匀的，相之间有传热和传质

6、各相流速不同，出现滑脱问题，是多相流研究的核心与重点

流动型态：

相流动中两相介质的分布状况称为流型或两相流动结构

流型图：

描述流型变化及其界限的图。

把流型变换的实验数据加以总结归纳后，按照两个或多个主要的流动参数绘成曲线，便可以得到流型图。

影响流型的因素：

1、各相介质的体积比例2、介质的流速3、各相的物理及化学性质（密度、粘度界面张力等）4、流道的几何形状5、壁面特性6、管道的安装方式

流型分类：

1、根据两相介质分布的外形划分；垂直气液两相流：

泡状流、弹状流、段塞流、环状流、雾状流。

水平气液两相流：

泡状流、团状流、层状流、波状流、冲击流、环状流、雾状流。

2、按流动的数学模型或流体的分散程度划分为：

分散流、间歇流、分离流。

两种分类方法的比较：

第一类划分方法较为直观；第二类划分方法便于进行数学处理

气液两相流的特性参数：

质量流量:

单位时间内流过过流断面的流体质量，kg/s，

气相质量流量:

单位时间内流过过流断面的气体质量，kg/s，

液相质量流量:

单位时间内流过过流断面的液体质量，kg/s，

体积流量:

单位时间内流过过流断面的流体体积，m3/s，

气相体积流量:

单位时间内流过过流断面的气体体积，m3/s

液相体积流量:

单位时间内流过过流断面的液体体积，m3/s

相速度:

单位相面积所通过的该相容积流量,m/s

折算速度:

假定管道全被一相占据时的流动速度，m/s

两相混合物速度：

混合物的质量速度：

滑差（滑脱速度）：

气液两相相速度之差滑动（滑移）比：

气相相速度与液相相速度之比

质量含气率：

单位时间内流过过流断面的混合物总质量G中气相质量所占的份额

质量含液率：

单位时间内流过过流断面的混合物总质量中液相质量所占的份额

体积含气率：

单位时间流过过流断面两相流体（混合物）总体积Q中气相所占的份额

体积含液率：

单位时间流过过流断面两相流体（混合物）总体积Q中液相所占的份额

真实含气率:

即截面含气率或空隙率，为任一流动截面内气相面积占总面积的份额（气相面积与管道总面积之比）

真实含液率:

又称截面含液率或持液率，为任一流动截面内液相面积占总面积的份额（液相面积与管道总面积之比）

φ与β的比较：

快关阀法测量真实含气率：

易于实现，只能得到平均值，且不能在线测量。

流动密度:

单位时间内流过过流断面的混合物质量与体积之比

真实密度：

在流道上取微段，微段内两相流体的质量与容积之比

第二章气液两相流的模型

常用的模型有流动型态模型、均相流动模型、分相流动模型和漂移流动模型等。

流动型态模型：

按不同流动型态分别建立的流动机理模型。

特点：

1、针对性强，精确度高；2、数学处理复杂，计算量大；3、流型界限确定困难

均相流动模型：

把气液两相混合物看成均匀介质，其物性参数取两相的均值而建立的模型

两个假定：

1、气相和液相的实际速度相等；2、两相介质已达到热力学平衡状态

特点：

1、对于泡状流和雾状流，具有较高的精确性

2、对于弹状流和段塞流，需要进行时间平均修正

3、对于层状流、波状流和环状流，则误差较大

均流模型摩擦阻力折算系数：

按均流模型进行气液两相流动摩阻压差计算时，常把两相流动摩擦阻力的计算与单相流动摩擦阻力的计算关联起来，即常使用全液相折算系数、分液相折算系数或分气相折算系数

全液相折算系数：

设水平管道内的两相流动为均匀流动，没有重位压差与加速度

分液相折算系数：

再设管道的D、A和dz仍与两相流动管道的相同，但通过管道的流体为单一的液体，而且其质量流量等于两相流动中液相的质量流量。

分气相折算系数：

再假设另一种情况。

设管道的D、A和dz仍与两相流动管道相同，但通过管道的流体为单一的气体，而且其质量流量等于两相流动中气相的质量流量。

分相流动模型：

它是把气液两相流动看成为气、液相各自分开的流动，每相介质都有其平均流速和独立的物性参数。

因此需要建立每一相介质的流体动力特性方程式。

这就要求预先确定每一相占有过流断面的份额（即真实含气率）以及介质与管壁的摩擦力和两相介质之间的摩擦阻力，为了取得这些数据，目前主要是利用试验研究所得的经验关系式。

分流模型的基本假设是：

（1）两相介质有各自的按所占断面积计算的断面平均流速；

（2）虽然两相介质之间可能有质量交换，但两相之间处于热力学平衡状态，压力和密度互为单值函数。

分流模型适用于层状流、波状流和环状流

漂移流动模型：

它是由朱伯（Zuber）和芬德莱（Findlay）针对均流模型、分流模型与实际的两相流动之间存在的偏差而提出的特殊模型。

在均流模型中，没有考虑两相间的相互作用，而是用平均流动参数来模拟两相介质；分流模型中，尽管在流动特性方面分别考虑了每相介质以及两相界面上的作用力，但是每相的流动特性仍然是孤立的；而在漂移流动模型中，既考虑了气液两相之间的相对运动，又考虑了空隙率和流速沿过流断面的分布规律。

分布系数：

分布系数表示两相的分布特性，即流动型态的特性，当空隙率及速度在断面上为均匀分布时，C0=1

多相流压力梯度计算通式：

第三章油藏流体高压物性的计算

用于计算石油多相流流体物性参数的模型有黑油模型和组分模型两大类

黑油模型：

是按照油气的相对密度等来估算一定压力和温度条件下流体的气液组成以及物性参数的一种方法。

优点：

计算简单、编程方便、运算速度快；

缺点：

不能计算油、气组成沿井筒的变化，无法考虑气体的反凝析现象，计算较粗糙。

黑油模型适用于油藏流体组分不能精确地用摩尔分数表达的场合，如：

原油和伴生气多相管流的计算等。

组分模型：

是按照流体的组成、温度和压力，通过状态方程来确定平衡条件下气液的组成和PVT参数的处理方法。

利用组分模型能够准确地模拟包括反凝析现象、焦耳—汤普逊效应、节流降温效应在内的复杂传热传质过程。

特点：

组分模型精度高，但模型复杂，所需计算时间长，一般用于挥发油，液化石油气，凝析气和湿天然气的计算。

按油藏流体的物理相态特征可将油气藏区分为稠油油藏、黑油油藏、挥发性油藏、凝析气藏、湿气藏和干气藏。

压缩因子：

反映了相对于理想气体，实际气体压缩的难易程度。

Z<1：

实际气体较理想气体易压缩。

天然气在原油中的溶解度：

原油可溶解的天然气的标准体积与原油体积之比，Sm3/m3。

溶解气油比：

用接触脱气的方法得到的地层原油溶解气量的标准体积与地面脱气原油体积的比值，Sm3/m3。

平衡常数：

任一组分在平衡气液相中的分配比例，等于平衡条件下该组分的摩尔分数在气相中的摩尔分数yi与在气相中的摩尔分数的比值xi

常用的平衡方程：

（1）范德华（VanderWaals）方程

优点：

a、b分别为分子引力和斥力系数，R为通用气体常数。

方程右侧第一项表示分子体积和斥力对压力的贡献，第二项表示分子间引力对压力的贡献。

缺点：

但范德华状态方程仅仅是对理想气体模型作了比较简单的修正，在引入分子间引力和斥力常数a、b时，忽略了实际分子几何形态和分子力场的不对称性以及温度对分子间引力和斥力的影响。

方程仅对简单的球形对称的非极性分子体系适用，尚不能很好地适用于油气藏烃类体系地的相态计算。

（2）RK（Redlich和Kwong）方程

RK方程被认为是最佳的两参数方程，它考虑了分子密度和温度对分子引力的影响，引入温度对引力项加以修正。

与范德华方程相比，RK方程在表达纯物质物性的精度上有明显的提高，但用于油气烃类体系气液相平衡计算的精度仍不够理想。

（3）SRK（Soave-Redlich-Kwong）方程

1972年，Soave将偏心因子作为第三个参数引入状态方程以反映分子应力场不对称性的影响。

这使得三次方型状态方程的改进和实用化有了长足的进步，并被引入到油气藏流体相平衡的计算。

（4）PR（Peng-Robinson）方程

考虑到SRK方程在预测含较强极性组分气体和液相容积特性方面精度的欠缺，1976年Peng和Robinson对SRK方程作出进一步改进。

与SRK方程相比，有以下进步：

1.对纯物质蒸汽压的预测有明显改进，对焓差计算则两者相当；

2.对液体密度和容积特性的计算，PR方程有明显改善，而对气体密度和容积特性的计算两者相当。

3.用于气液相平衡计算，PR方程一般优于SRK方程。

4.用于含CO2、H2S等较强极性组分体系的气液相平衡计算，一般也可取得较为满意的结果。

第四章多相流体温度分布计算

公式推导假设条件：

1、气体质量忽略不计；2、井筒中液体流动为准稳定流，体积和流型变化的影响忽略计；3、流体对地层放热，其总传热系数K为常数；4、油流在油管中流动时因摩擦而产生的热量忽略不计；5、因天然气析出及膨胀吸热忽略不计；

第一项：

它反映地温自然变化规律，意谓着油流静止时，原油本身的温度完全为环境地温所决定，因此可称“静态温度”。

第二项：

意味着因油流运动和地层油温对井筒油温的影响，从而产生“静态温度”的增量，即“动态温度”。

如果总传热系数的值或套管直径口较大，散热情况良好，井筒油温就低；如果油流量G或液体比热C较大，则井筒油温就高。

焦耳-汤普逊效应：

当压力低于饱和压力时，有天然气析出。

析出气体需要热量，已析出气体不断膨胀，又会吸收一部分热量，这两部分热量的计算比较复杂。

第五章垂直气液两相流压力计算

油气水混合物在井筒中的流动型态：

泡状流（滑脱损失最严重）：

井筒内流体的压力稍低于饱和压力，少量的气体从油中分离出来，以小气泡的