《天然气工程》PPT课件.ppt

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1、第七章,管流及嘴流动态,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：qscf(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。qscf(pwf)ptf方法：井下压力计测量，计算方法,第一节 气相管流的基本方程,一、气体稳定流动能量方程思路：流入和流出系统能量之和等于系统内部能量的变化。,注意：上式是针对单位质量流体的能量，各项单位是怎样得到的？式中：E-内能

2、，Jkg v-膨胀或压缩功，Jkg v22-动能，Jkg gH-位能，Jkg q-热交换，Jkg w-功交换，Jkg,二、能量方程的表达式,、积分式 技术功 流入和流出推动功膨胀功 Lw-摩阻能耗，Jkg思考题：摩阻能耗可逆否？,、微分式用焓表示的微分式，用于计算井中温度分布。,3、梯度式注意：dHdLsin，1/-与水平方向的夹角,(dp/dL)-总梯度，Pam(dp/dL)el-举升梯度，Pam(dp/dL)f-摩阻梯度，Pam(dp/dL)acc-加速度梯度，Pamf-摩阻系数,举升梯度:(dp/dL)el=gsin摩阻梯度(dp/dL)f=fv2/2d加速度梯度(dp/dL)f=vdv

3、/dL,三、雷诺数Re和摩阻系数f,、雷诺数Re定义：Re惯性力粘滞力gvdg 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：v(m/s)qsc(sm3/d),g:(Pa.s)(mPa.s)思路：vqscBg/(86400d2/4),g=Mgp/ZRTRe1.77610-2gqsc/gd,、摩阻系数f定义：Moody：ff（Re，ed）,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,实用摩阻系数公式：(1)、Colebook公式是最基本的公式，它完全与Moody图相同。但需迭代计算f,(2)、Jain公式，不需迭代计算f。与Colebook公式相比，误

4、差1,第二节 气相管流压降计算方法,一、井底静压计算、思路：(SI单位制),垂直管静止气柱的条件、稳定流；、单相气；、dw0，不做功；、qsc0，即v=0；、=0，即sindLdH,2、静止气柱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qsc0思考题：怎样求解上式，获得pwsf(pts)？关键：怎样对上式左边积分。ZTpf(p,T),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(Tts+Tws)/2,p(pts+pws)/2Zf(p,T)或 Z(Zts+Zws)/2,则静止气柱能量方程变为：积分得：,

5、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。思路：pws和Z都未知，用迭代法。,计算步骤：、赋初值。pwsptsptsH/12192.eS1+S、计算T(Tts+Tws)/2、赋值pws0pws、计算p(pts+pws)/2、计算Zf(p,T)或 Z(Zts+Zws)/2、计算S0.03415gH/ZT、计算新pws。pwsptseS、判断pws0pws？成立则结束。否则转至,思考题：、框图是怎样的？、当温度非线性高时，采用什么计算方法才能提高精度？,2)、已知pws，求pts计算公式：ptspwse-S思考题：其步骤和框图是怎样的？3)、已知pts

6、，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、Cullende&Smith 法,(1)、公式推导能量方程：被积函数IZTp,推导思路：将上式左边的积分用梯形法数值积分展开。二步梯形法井深等分两段：井深中点处的参数记为pms，Tms，Zms，Ims.ItsZtsTts/ptsImsZmsTms/pmsIwsZwsTws/pws,对上段油管：能量方程为:曲面积A1梯形面积(pmspts)(ImsIts)/2pmspts0.03415gH/(ImsIts),对下段油管：能量方程为:曲面积A2梯形面积(pwspms)(IwsIms)/2pwspms0.03415gH/(

7、IwsIms),(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：、赋初值pmsptsptsH/12192/2、计算Ztsf(Tts，pts)、计算ItsZtsTts/pts、计算Tms(Tts+Tws)/2、赋值pms0pms、计算Zmsf(Tms，pms)、计算ImsZmsTms/pms、计算新pms。pmspts0.03415gH/(ImsIts)、判断pms0pms？不成立则转至。,下段油管计算步骤：、赋初值pwspmspmsH/12192/2、赋值pws0 pws、计算Zwsf(Tws，pws)、计算IwsZwsTws/p

8、ws、计算新pws。pwspms0.03415gH/(IwsIms)、判断pws0pws？成立则结束。否则转至重复上述步骤。,(2)、Cullende&Smith方法假设条件、稳定流动；、单相气；、dw0；、梯形法积分引入的误差,1、垂直管流动简化条件dw0，vdv0，sindLdH气体垂直管流动基本公式：(SI单位制),二、井底流压计算,举例：说明动能可忽略已知：qsc50万m3d，pwf30MPa，H3000m，d3，g0.65求：pf?，Pacc?解：pf2.49MPa，Pacc0.00155MPa,2、实用垂直管流公式,(1)、状态换算：=Mp/ZRT，vqscBg/(86400d2/

9、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1.3241018是怎样得的？,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(Ttf+Twf)/2,p(ptf+pwf)/2 Zf(p,T)或 Z(Ztf+Zwf)/2,公式:思考题：当qsc0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、稳定流动;、单相气;、vdv0;、T常数;、Z常数;、f常数,、应用,(1)、静止气柱(qsc0)：

10、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pwf。,(2)、流动气柱(qsc0)：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：、赋初值pwfptfptfH/12192、计算T(Ttf+Twf)/2、赋值pwf0pwf、计算p(ptf+pwf)/2,、计算Zf(p,T),gf(p,T),Re ff(Re,e/d)、

11、计算S0.03415gH/ZT、计算新pwf。、判断pwf0pwf？成立则结束。否则转至,三、注气井,注气能量方程:,思考题：注气井井口ptf是否一定大于pwf？主要受什么控制？怎样控制？注意：摩阻压降方向与采气井的相反,控制pF 大小的因素：d和qsc的大小注气井的间断现象：在某一注气量下，摩阻压降等于重力压降时，积分能量方程中的分母为0，在这段井筒内总压降为0。,四、凝析气的修正,思路：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、v、。,、修正相对密度,思路：相对密度定义式为wMw28.97分子量Mwmwnt(mgmo)(ngno)关键：流体质量mg、mo对应摩尔数ng、

12、no,方法：讨论1m3油，气油比为R(m3m3)。则在标准状态下:Vo1m3(油)，VgRm3(气)mgscVg1.205gR(密度：mV)moostVo1000o,ngmg/Mg1.205gR/28.97gR/24.04 nomo/Mo1000o/Mo相对密度:w(Rg830o)/(R24040o/Mo),思考题：当R时，wg吗？对油气水三相流动，怎样推导m？,、修正两相Z系数(有三种方法)(1)、ZmpVnTRT。用实验求(2)、干气校正图(3)、复合气体法。用w计算Zmf(p，T，w),、流量校正：qTqscqoqEQ qEQ-1m3油气化后的体积 qEQno24.0424040o/Mo

13、 noKmol1m3(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 美国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、滑

14、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,、持液率定义式：HL单位管长液相体积单位管长总体积VLVT,讨论：当HL0，单相气流 当HL01，气液两相流 当HL1，单相液流思考题：持液率与当地压力和温度是否有关？,、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：vsgqgA。vsLqLA。vsg-气相表观速度 vsL-液相表观速度,、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：LqL(qLqg)vsL(vsLvsg),、气液混合物密度 mLHLg(1HL)无滑脱混合物密度：nLLg(1L),、真实速度vgqgAg qg(1-H

15、L)AvLqLAL qLHLA,、混合物速度定义式：vm(qLqg)A vsLvsg,、滑脱速度定义：气液相真实速度之差。定义式：vsvgvL vsg(1-HL)vsLHL当vs0时：HLL,、持液率的求法,(1)、滑脱模型：由vs定义式计算 vsvsg(1-HL)vsLHL,泡流：段塞流和过渡流：环雾流：vs0,(2)、漂移通量模型：,推导上式：气相从0L的时间为tLvg。液相进入的体积为VLqLtAvsLt,三、两相流基本方程,1、基本方程,(dp/dL)-总梯度，Pam(dp/dL)el-举升梯度,Pam(dp/dL)el=mgsin(dp/dL)f-摩阻梯度，Pam(dp/dL)f=f

16、mmvm2/2d,(dp/dL)acc-加速度梯度，Pam(dp/dL)acc=mvmdvm/dL=C(dp/dL)Cmvmvsg/p fm-两相摩阻系数 C-动能因子,未知数：(dp/dL)、m、fm。计算(dp/dL)，归结为求HL、fm,注 意：HLf(p，T)；fmf(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)、长度叠加法思路：将上式差分,取pconst，迭代求解H，直到HHw,长度叠加法步骤：,、取pconst；p1ptf，H0；gT(TwfTtf)/Hw、计算pp1p/2、假设H200、让H0H、计算TTtf(HH/2)gT

17、,、计算p、T下的物性参数、速度等参数；计算HLf(p，T)和fmf(p，T)、计算新H、判断H0H？成立转下步。否则转重复计算。、HHH，p1p1p、判断HHw？成立则结束。否则转重复计算。,(2)、压力叠加法取Hconst，迭代求解p思考题：写出步骤、框图？,四、Hagedon&Bown法,思考题：怎样计算HL、fm？1986年Bown来华讲学1、特点：不分流态，由实验井的数据拟合求出HL2、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Remnvmdm,第四节

18、 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,、保持井的稳定许可产量；、保证足够回压控制出砂，降低生产压差；、保护地面设备，降压至输压；、防止水锥，控制qsc水锥临界流量；、气藏管理，如全气藏各井产量分配。,4、特点：,、长度短，重力和摩阻项不计；、面积很小，动能不可忽略。,二、气嘴流量公式,、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p2p1下降时，qsc是否一直上升？,原因：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p2pc,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,