252015目前IPRRE10On15015010009o,m"/d图 1-17目前和未来的IPR曲线课程名称：《采油工程》第1周第2讲摘要授课题目（章、节）气液两相管流基本概念及基本方程，气液两相管流计算方法本讲目的要求及重点难点：【目的要求］明确采油工程的地位、研究对象、课程特点及其学习方法。了解采油生产系统组成和采油方法及油井增产措施的基本原理，初步建立采油系统工程概念。掌握垂直井和水平并单相油流产能预测理论和方法，正确计算绘制目前和未来溶解气驱油井及产水情况下的流入动态曲线，综合分析射孔和砾石充填完井方式对油井流入动态的影响。了解气液两相管流（油井举升及地面集输管流）的基本知识。通过两相流管实验观查和认识两相流流型及其变化。重点掌握垂直管和倾斜管（水平管）两相流压降计算方法。掌握油嘴节流基本理论和动态规律。[重点难点]1、气液两相管流基本概念及基本方程，2、气液两相管流计算方法内容[本讲课程的内容]第二节气液两相管流基本概念及基本方程气液两相管流（gasliquidtwo-phaseflowinpipes）是指游离气体和液体在管中同时流动的情况。地层流体通过井筒举升油管和地面出油管线的流动是油并生产系统中基本的流动过程。整个油井生产系统总压降的大部分消耗于举升管柱流动中的重力和摩阻损失。大多数油并为油、气、水多相流动，其管流动态规律是研究分析油并生产系统特性的基本理论，对于正确地分析油井生产动态和进行举升系统工艺设计具有重要意义。在油并生产中的油、气、水多相流动，其核心问题是探讨沿程的压力损失及其影响因素。一般把油水两种流体视为液相，着重考虑气液两相间的作用
图 1-17 目前和未来的 IPR 曲线 课程名称：《采油工程》 第 1 周 第 2 讲 摘 要 授课题目（章、节） 气液两相管流基本概念及基本方程，气液两 相管流计算方法 本讲目的要求及重点难点： [目的要求] 明确采油工程的地位、研究对象、课程特点及其学习方法。了解采 油生产系统组成和采油方法及油井增产措施的基本原理，初步建立采油系统工程概 念。掌握垂直井和水平井单相油流产能预测理论和方法，正确计算绘制目前和未来溶 解气驱油井及产水情况下的流入动态曲线，综合分析射孔和砾石充填完井方式对油井 流入动态的影响。 了解气液两相管流（油井举升及地面集输管流）的基本知识。通 过两相流管实验观查和认识两相流流型及其变化。重点掌握垂直管和倾斜管（水平管） 两相流压降计算方法。掌握油嘴节流基本理论和动态规律。 [重点难点]1、气液两相管流基本概念及基本方程， 2、气液两相管流计算方法 内 容 [本讲课程的内容]： 第二节气液两相管流基本概念及基本方程 气液两相管流（gas liquid two-phase flow in pipes）是指游离气体和液体在 管中同时流动的情况。地层流体通过井筒举升油管和地面出油管线的流动是油 井生产系统中基本的流动过程。整个油井生产系统总压降的大部分消耗于举升 管柱流动中的重力和摩阻损失。大多数油井为油、气、水多相流动，其管流动 态规律是研究分析油井生产系统特性的基本理论，对于正确地分析油井生产动 态和进行举升系统工艺设计具有重要意义。 在油井生产中的油、气、水多相流动，其核心问题是探讨沿程的压力损失 及其影响因素。一般把油水两种流体视为液相，着重考虑气液两相间的作用
OO0一、气液两相管流的滑脱现象及特性参数OodCO-L图1-18示意了一典型的气液两相上升OCOO流动（泡流）情况。由于气相密度明显小于液相OC密度，在上升流动中，气相的流动速度会快于液OPc<P000相。这种由于两相间物性差异所产生的气相超越000O液相流动称为滑脱现象（slipageeffect）。相对于气相而言，有一部分液相滞留于管段中。气液两相流持液率HL（holdupliquid）是用于描述两相969流特性的一个重要参数。（单位管段内液相容积)_4H.=-单位管段总容积A(1-46)即持液率表示在气液两相流动状态（压力P和温度T）下，液相所占单位管段容积的份额。其实质是指在两相流动的过流段面上，液相面积AL占总过流断面面积A的份额，故HL又称面积含液率、真实含液率、液相存容比或液相持留率，一义多名。同理，气相的HG也称空隙率、空泡份额、面积含气率、真实含气率等，其定义为(单位管段内气相容积)。工=4Ho=-单位管段总容积(1-47)A因为管段内完全被气液两相所占据，所以HG+HL=1。HL为0和1分别表示单相气流和液流而0<HL<1表示气液两相流动。在某流通断面上取微小流段AL，气液两相混合物密度定义为，此微小流段中两相质量与其体积之比，即=PAL+LA,LPm=AAL即Pm=PG(1-HL)+P,H,(1-48)式中PG、PL、Pm—气、液及混合物密度，kg/m3;A一管内流通截面积，m2。持液率是表示两相流动中气液混合物密度的重要参数。一般采用实验和因次分析方法确定，用于描述复杂的相间滑脱现象，即液相滞留效应。另一描述滑脱现象的参数是“滑脱速度”，常用Vs表示。Vs= VG-VL(1-49)式中VG、VL分别是气相、液相平均速度，m/s。VG=G/AG(1-50)Vi=q/ A,(1-51)式中9G、qL——气相、液相的体积流量，m3/s。上述某相的平均速度实质是指气、液相在各自所占流通面积上的就地局部速度的平均值，常称为气、液相的真实速度。由于气相和液相所占流道面积AG、AL不便测定，所以VG、VL也很难确定。滑脱速度是与滑脱现象有关的特性参数，是说明滑脱现象的另一简单方法。为了表明滑脱现象与滑脱速度之间的关系，假定管内全部截面A只被两相混合物中的某一相单独占据，引入气相表观速度Vsc和液相表观速度VsL，即：
一、气液两相管流的滑脱现象及特性参数 图 1-18 示意了一典型的气液两相上升 流动（泡流）情况。由于气相密度明显小于液相 密度，在上升流动中，气相的流动速度会快于液 相。这种由于两相间物性差异所产生的气相超越 液相流动称为滑脱现象（slipage effect）。相对于 气相而言，有一部分液相滞留于管段中。气液两 相流持液率 HL( holdup liquid )是用于描述两相 流特性的一个重要参数。 ) p T L L A H A = = （单位管段内液相容积 ， 单位管段总容积 （1-46） 即持液率表示在气液两相流动状态（压力ｐ和温度 T）下，液相所占单位管段 容积的份额。其实质是指在两相流动的过流段面上，液相面积 AL 占总过流断 面面积 A 的份额，故 HL 又称面积含液率、真实含液率、液相存容比或液相持 留率，一义多名。 同理，气相的 HG 也称空隙率、空泡份额、面积含气率、真实含气率等， 其定义为 ( ) = = 单位管段内气相容积 ， 单位管段总容积 p T G G A H A （1-47） 因为管段内完全被气液两相所占据，所以 HG+ HL =1。 HL 为 0 和 1 分别表示单相气流和液流；而 0 < HL < 1 表示气液两相流动。 在某流通断面上取微小流段 ΔL，气液两相混合物密度定义为，此微小流 段中两相质量与其体积之比，即 A L G AG L L AL L m + = 即 m = G − HL + LHL (1 ) （1-48） 式中 ρG、ρL、ρm——气、液及混合物密度，kg/m3； A——管内流通截面积，m2。 持液率是表示两相流动中气液混合物密度的重要参数。一般采用实验和因 次分析方法确定，用于描述复杂的相间滑脱现象，即液相滞留效应。另一描述 滑脱现象的参数是“滑脱速度”，常用 VS 表示。 S G L v = v − v （1-49） 式中 vG、vL 分别是气相、液相平均速度，m/s。 G qG AG v = / （1-50） L qL AL v = / （1-51） 式中 Gq 、 L q ——气相、液相的体积流量，m3 /s。 上述某相的平均速度实质是指气、液相在各自所占流通面积上的就地局部 速度的平均值，常称为气、液相的真实速度。由于气相和液相所占流道面积Ａ G 、AL 不便测定，所以 VG 、VL 也很难确定。滑脱速度是与滑脱现象有关的 特性参数，是说明滑脱现象的另一简单方法。为了表明滑脱现象与滑脱速度之 间的关系，假定管内全部截面Ａ只被两相混合物中的某一相单独占据，引入气 相表观速度ＶＳＧ和液相表观速度ＶＳＬ，即：
V'sG=QG/A(1-52)VsL=q,/A(1-53)对于单相流，该相的表观速度(superficialvelocity)即为该相的平均速度；对于两相流，某相表观速度必然小于该相平均速度，即VSL<VL:VSG<'G两相混合物速度表示两相混合物总体积流量qm与流通截面面积A之比。_m_G+qLVm=AA(1-54)即Vm=VSG+VSL(1-54a)混合物速度Vm和表观速度都是实际上并不存在的理想速度，引入这些参数是为了方便两相流的计算和数据处理。相平均速度与表观速度和持液率的关系可表示为VSGVG"1-HL(1-50a)VsLVLH,(1-51a)滑脱速度即为V'sG-'SLVs=VG-VL=1-H,H,(1-49a)在理想的无滑脱情况（即VG=VL=Vm）下，气液两相混合物的密度可按气、液体积流量计算。Pms = ILPI +9cPaqL+qG(1-55)在两相流的计算中常用到无滑脱持液率入L，它表示管流截面上液相体积流量与气液混合物总体积流量的比值，也称体积含液率。==qmG+qL(1-56)即=VsL/Vm(1-56a)所以，式（1-55）所表示的无滑脱混合物密度即为Pns=2PL+(1-2)p(1-55a)由式（1-56a）和（151a）可知VmVm(1-56b)存在滑脱时，由于VL<VG，显然HL>>L。这表明存在滑脱时的液相实际过流断面AL较无滑脱理想情况的液相过流断面增大了。因此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压力损失称为滑脱损失，可用存在滑脱时的混合物密度与不考虑滑脱混合物密度之差Apm表示单位管长的滑脱损失，即
vSG = qG / A （1-52） vSL = qL / A （1-53） 对于单相流，该相的表观速度(superficial velocity)即为该相的平均速度； 对于两相流，某相表观速度必然小于该相平均速度，即 SL L v v ； SG G v v 两相混合物速度表示两相混合物总体积流量 qm 与流通截面面积 A 之比。 A q q A q v m G L m + = = （1-54） 即 m SG SL v = v + v （1-54a） 混合物速度 vm 和表观速度都是实际上并不存在的理想速度，引入这些参 数是为了方便两相流的计算和数据处理。相平均速度与表观速度和持液率的关 系可表示为 L SG G H v v − = 1 （1-50a） L SL L H v v = (1-51a) 滑脱速度即为 L SL L SG S G L H v H v v v v − − = − = 1 （1-49a） 在理想的无滑脱情况（即 G L m v = v = v ）下，气液两相混合物的密度可按 气、液体积流量计算。 L G L L G G ns q q q q + + = （1-55） 在两相流的计算中常用到无滑脱持液率 λL，它表示管流截面上液相体积 流量与气液混合物总体积流量的比值，也称体积含液率。 G L L m L L q q q q q + = = （1-56） 即 L sL m = v / v （1-56a） 所以，式（1-55）所表示的无滑脱混合物密度即为 ( ) ns = LL + 1− L G （1-55a） 由式（1-56a）和（1—51a）可知 L m L m SL L H v v v v = = （1-56b） 存在滑脱时，由于 vL<vG，显然 HL>λL。这表明存在滑脱时的液相实际过 流断面 AL 较无滑脱理想情况的液相过流断面增大了。因此将增大气液混合物 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压力 损失称为滑脱损失，可用存在滑脱时的混合物密度与不考虑滑脱混合物密度之 差△ρm表示单位管长的滑脱损失,即
APm=Pm-Pns=(H-2L)Pi-(H,-2L)PG二、气液两相管流的流型在两相管流的四种类型（气一液、气一固、液一液以及液固）中，气一液两相流是最复杂的。这是由于气一液两相流中存在可变形的界面，其中的气相具有高度可压缩性。这种两相界面分布成不同几何形态或不同流动结构形式的现象称之为两相流流动型态（flowpatterns），简称流态或流型。不同流型的气液混合物遵循各自不同的流动规律。观测流型的方法很多。在低速低压实验条件下，通过透明管可直接观察各种流型；高速时，可采用高速摄影、X光摄影。还有采用各种类型的探针间接测取有关流型变化的信息，用于推算及判别流型。由于观测手段和处理方法的不同，研究者们提供了多种流型划分及其转换条件，目前尚未统一。1.垂直管气液两相流流型在垂直管中气液两相混合物向上流动时，一般公认的典型流型如图1-19(a)所示。（1）泡状流（bubbleflow）。当气液两相混合物中含气率较低（压力稍低于原油饱和压力）时，气相以分散的小气泡分布于液相中，在管子中央的气泡较多，靠近管壁的气泡较少，小气泡近似球形。气泡的上升速度大于液体流速，而混合物的平均流速较低。泡状流的特点是：气体为分散相，液体是连续相；气体主要影响混合物密度，对摩阻的影响不大，而滑脱现象比较严重。（2）段塞流（slugflow）。当混合物继续向上流动，压力逐渐降低，气体不断膨胀，含气率增加，小气泡相互碰撞聚合而形成大气泡，其直径接近于管径。气泡占据了大部分管子截面，形成一段液一段气的结构。气体段塞形象炮弹，其中也携带有液体微粒。在两个气段之间夹杂小气泡向上流动的液体段塞，这种弹状气泡举升液体的作用很象破漏的活塞向上推进。在段塞向上运动的同时，弹状气泡与管壁之间的液体层也存在相对流动。虽然如此，在这种流型下，液、气相间的相对运动较泡流小，滑脱也小。段塞流是两相流中举升效率最高的流型。（3）过渡流（transitionflow）。液相从连续相过渡到分散相，气相从分散相过渡到连续相，气体连续向上流动并举升液体，有部分液体下落、聚集，而后又被气体举升。这种混杂的、振荡式的液体运动是过渡流的特征，故也称之为搅动流。（4）环雾流（annular-mistflow）。当含气率更大时，气弹汇合成气柱在管中流动，通常总有一些液体被夹带，以小液滴形式分布在气柱核心中。液体沿着管壁成为一个流动的液环，这时管壁上有一层液膜。实验观察表明，在垂直环形空间中的气液两相流的流型与上述圆管中的情况大致相似，可划分为如图1-19(b)所示的四种基本流型
( ) ( ) m = m − ns = H L−L L − HL − L G 二、气液两相管流的流型 在两相管流的四种类型（气－液、气－固、液－液以及液固）中，气－液两相 流是最复杂的。这是由于气－液两相流中存在可变形的界面，其中的气相具有 高度可压缩性。这种两相界面分布成不同几何形态或不同流动结构形式的现象 称之为两相流流动型态（flow patterns），简称流态或流型。不同流型的气液混 合物遵循各自不同的流动规律。 观测流型的方法很多。在低速低压实验条件下，通过透明管可直接观察各 种流型；高速时，可采用高速摄影、X 光摄影。还有采用各种类型的探针间接 测取有关流型变化的信息，用于推算及判别流型。由于观测手段和处理方法的 不同，研究者们提供了多种流型划分及其转换条件，目前尚未统一。 1. 垂直管气液两相流流型 在垂直管中气液两相混合物向上流动时，一般公认的典型流型如图 1-19(a) 所示。 （1）泡状流（bubble flow）。当气液两相混合物中含气率较低（压力稍 低于原油饱和压力）时，气相以分散的小气泡分布于液相中，在管子中央的气 泡较多，靠近管壁的气泡较少，小气泡近似球形。气泡的上升速度大于液体流 速，而混合物的平均流速较低。泡状流的特点是：气体为分散相，液体是连续 相；气体主要影响混合物密度，对摩阻的影响不大，而滑脱现象比较严重。 （2）段塞流（slug flow）。当混合物继续向上流动，压力逐渐降低，气体 不断膨胀，含气率增加，小气泡相互碰撞聚合而形成大气泡，其直径接近于管 径。气泡占据了大部分管子截面，形成一段液一段气的结构。气体段塞形象炮 弹，其中也携带有液体微粒。在两个气段之间夹杂小气泡向上流动的液体段塞， 这种弹状气泡举升液体的作用很象破漏的活塞向上推进。在段塞向上运动的同 时，弹状气泡与管壁之间的液体层也存在相对流动。虽然如此，在这种流型下， 液、气相间的相对运动较泡流小，滑脱也小。段塞流是两相流中举升效率最高 的流型。 （3）过渡流（transition flow）。液相从连续相过渡到分散相，气相从分散 相过渡到连续相，气体连续向上流动并举升液体，有部分液体下落、聚集，而 后又被气体举升。这种混杂的、振荡式的液体运动是过渡流的特征，故也称之 为搅动流。 （4）环雾流（annular-mist flow）。当含气率更大时，气弹汇合成气柱在管 中流动，通常总有一些液体被夹带，以小液滴形式分布在气柱核心中。液体沿 着管壁成为一个流动的液环,这时管壁上有一层液膜。 实验观察表明，在垂直环形空间中的气液两相流的流型与上述圆管中的情 况大致相似，可划分为如图 1-19(b)所示的四种基本流型
过渡流环务流泡状流段塞流(a）管内流动环状流动流泡状流段状流(b）环形空间流动图1-19垂直管气液两相流典型流型2.水平管气液两相流流型水平管气液两相流流型与垂直管流型有很大不同。水平管中没有势能下降。图1-20描述了常见的气液两相流的流型。可归结为三类典型流型：层状流（气液分离）；间歇流（气液交替）；分散流（一相分散于另一相）。层状流闯歇流环状流分散泡状流图1-20水平管气液两相流典型流型（1）层状流。进一步分为层状平滑流、层状波状流和环流。层状平滑流是指沿着管子底部流动的流体和沿着管子顶部流动的气体，两相之间具有平滑的界面。这种流型发生在两相流量相对较低的情况。在比较高的气体流量下，界面变成波状的，形成分层的波状流。环流发生在比较高的气液流量下，在管壁上形成液环，管子中心为夹带液滴的气流。（2）间歇流。又分为段塞流和塞流（拉长的气泡流）。段塞流包括大液体段塞流与几乎充满管子的高速气泡的交替流。在塞流中，大气泡沿管子顶部流动，而管子下部为液流
图 1-19 垂直管气液两相流典型流型 2.水平管气液两相流流型 水平管气液两相流流型与垂直管流型有很大不同。水平管中没有势能下 降。图 1-20 描述了常见的气液两相流的流型。可归结为三类典型流型：层状 流（气液分离）；间歇流（气液交替）；分散流（一相分散于另一相）。 图 1-20 水平管气液两相流典型流型 （1）层状流。进一步分为层状平滑流、层状波状流和环流。层状平滑流 是指沿着管子底部流动的流体和沿着管子顶部流动的气体，两相之间具有平滑 的界面。这种流型发生在两相流量相对较低的情况。在比较高的气体流量下， 界面变成波状的，形成分层的波状流。环流发生在比较高的气液流量下，在管 壁上形成液环，管子中心为夹带液滴的气流。 （2）间歇流。又分为段塞流和塞流（拉长的气泡流）。段塞流包括大液体 段塞流与几乎充满管子的高速气泡的交替流。在塞流中，大气泡沿管子顶部流 动，而管子下部为液流