1 兩相垂直管流實驗

1、兩相垂直管流實驗氣舉井及絕大多數(shù)自噴井的油管中流動的都是油氣或油氣水三相混合物。對采油來說，油、氣、水混合物在油管中的流動規(guī)律多相垂直管流理論是研究自噴井、氣舉井生產(chǎn)規(guī)律的基本理論。在許多情況下，油井生產(chǎn)系統(tǒng)的總壓降大部分是用來克服混合物在油管中流動時的重力和摩擦損失。它不僅關(guān)系到油井能否自噴，而且決定著用自噴和氣舉方法可能獲得的最大產(chǎn)量。為了掌握油井生產(chǎn)規(guī)律及合理地控制和調(diào)節(jié)油井工作方式，必須熟悉氣液混合物在油管中的流動規(guī)律。在油氣田開發(fā)過程中，為了充分利用天然資源和取得好的經(jīng)濟(jì)效果，或者要進(jìn)行油氣田動態(tài)分析，擬訂油氣田的增產(chǎn)及提高油氣田采收率，高速度、高水平地開發(fā)油氣就必須深入細(xì)致地研究地

2、層油管油嘴生產(chǎn)銜接與協(xié)調(diào)，研究多相流在井筒中的流態(tài)變化。使生產(chǎn)井的工作制度同地層變化了的情況協(xié)調(diào)起來，只有通過各個生產(chǎn)井的各種變化并把它們綜合起來進(jìn)行分析，才能為整個油氣田動態(tài)分析提供準(zhǔn)確的資料和依據(jù)，并對各個注采井提出有效的工藝措施，不斷完善開發(fā)方案，改善油氣田開發(fā)效果。該實驗就是研究氣、液兩相在垂直井筒中的流態(tài)變化及觀察模擬井筒氣體膨脹能參與舉升液體的現(xiàn)象，抓住觀察到的現(xiàn)象綜合分析，并對所作的氣量與液量的關(guān)系曲線作出解釋。一、實驗原理在多相垂直管流中，沿井筒自下而上隨著壓力不斷降低，氣體則不斷從液體中分離出來，以及壓力降低氣相體積流量逐漸變大。隨著液氣流沿井筒上升，壓力逐漸降低氣體隨之膨脹

3、，不斷釋放出氣體彈性膨脹能量，該能量要參與舉升液體，膨脹能的大小與氣量多少、壓力變化范圍有關(guān)。該實驗是研究液氣兩相在模擬垂直井筒中的流動變化。也是利用氣體膨脹能量來舉升液體的實驗，它依靠兩種作用：一種是氣體作用于液體上，垂直地頂推液體上升；另一種是靠氣體與液體之間的摩擦作用，氣體攜帶液體上升。其能量來源除壓能外，氣體膨脹能是個很重要的方面。因在管徑不變的油管中，舉升一定的油量，則單位管長上所消耗的總壓頭，是隨著氣量的不同而變化的，而只有在某一氣量下，舉升一定氣量的液體所必須消耗的壓頭最小。該實驗是以32的有機(jī)玻璃管來模擬實際油管，并采用恒位水箱保持井筒靜水壓頭不變，也就是在一定直徑的垂直管中保

4、持靜水壓頭不變，利用氣體的膨脹能來舉升液體。由于壓頭不變，所以管鞋壓力P1=C(常數(shù))，其氣舉垂直管的管口壓力P2=1at。因此，氣舉管壓差為P1-P2=C,既保持位常數(shù)。換言之，氣舉管所具有的舉液能量是一個常數(shù)。因此，v/q不同，混合物的流態(tài)是變化的。圖II(c)(d)多相垂直管流流態(tài)示li.這里所講的流態(tài)，即氣液兩相在垂直管中的流動結(jié)構(gòu)或者說是流動形態(tài)，是指氣液兩相流動過程中其分布狀態(tài)。在液體延井筒流動的過程中，壓力隨之逐漸降低，氣體從液體中分離出來的數(shù)量愈來愈多，其體積愈來愈大，隨著氣體和流速的增加，垂直井筒中可能出現(xiàn)多種流態(tài)。最常見的一種流態(tài)劃分有：純液流、泡流、段塞流、環(huán)流（又稱過渡

5、流）、霧流。（見圖11所示）1、純液流當(dāng)井口壓力Pwh大于飽和壓力Pb時，液體沿井筒上升到井口是靠井底壓力（即靜水壓頭）的作用，此時只有純液體在管內(nèi)流動。見圖11（a）。但事實上，一般油井井口壓力Pwh都是小于飽和壓力Pb的。2、泡流一般情況下，當(dāng)井底壓力Pwf稍低于飽和壓力Pb,或者當(dāng)井底壓力Pwf高于飽和壓力Pb，而在井筒內(nèi)壓力低于飽和壓力的斷面上，連續(xù)的液體相中包含分散的氣泡（即自由氣），但由于氣量并不多，而且又是處于高壓下，所以多半是以氣泡狀存在液相中，由于氣體比液體輕得多，氣泡所占垂直管斷面的比值也很小，流速也不大，所以氣泡很容易從液體中滑脫而過。因此，滑脫損失比較大，因流速不大，故

6、摩擦阻力小。見圖11（b）。3、段塞流混合物繼續(xù)上升，壓力逐漸下降，氣體進(jìn)一步膨脹小氣泡合并成大氣泡直到能占據(jù)整個垂直管斷面時，垂直管中將形成一段液體一段氣的段柱狀結(jié)構(gòu)，這時氣體托著液體上升，氣體的膨脹作用能得到很好的發(fā)揮，對液相有很大的舉升力。這種流態(tài)是自噴井中的主要流動結(jié)構(gòu)。但是這種氣柱只能象一個漏活塞一樣，一邊采油，一邊油還要漏下來，不可能將其上面的液體全部舉出去，這也是滑脫損失，但比泡流小得多。摩擦損失因流速增大面增加，見圖11（c）。4、環(huán)流（又稱過渡流）混合物沿井筒繼續(xù)上升，隨著壓力的降低，氣量再度增加并不斷膨脹，氣體的柱塞不斷加長，逐漸從井筒中央突破，形成中心為連續(xù)氣流，而四周管

7、壁為環(huán)狀液流。此時，氣流上升的速度增大，氣體靠它與液體之間的摩擦攜帶著液體上升。在該流態(tài)時，氣體攜帶液體的能力仍很高，滑脫損失降低，摩擦損失因流速上升而增大。見圖11（d）。5、霧狀流當(dāng)壓力再度下降，氣量繼續(xù)增加。中心氣柱將完全占據(jù)井筒斷面，此時液流以極細(xì)的液滴分散于氣柱中，即氣相為連續(xù)相，而液相為分散相，氣體的膨脹能表現(xiàn)為以很高的流速將液體攜帶到地面。見圖11（e）。這種流態(tài)時，摩擦損失很大，滑脫損失因二者相對速度不大而較小。應(yīng)當(dāng)指出的是，上述五種流態(tài)，不一定在每口自噴井都會同時出現(xiàn)，而且在一口井中，井筒壓力變化、油井工作制度改變都會使其流態(tài)發(fā)生變化。二、實驗內(nèi)容1、觀察垂直管內(nèi)氣、液兩相流

8、態(tài)。2、測定在不同氣量下的產(chǎn)液量和觀察每一試驗點的流態(tài)。3、按流態(tài)界限數(shù)判別流態(tài)，并與實際觀察到的流態(tài)比較。4、在進(jìn)行定量實驗研究時，繪制液體體積流量與氣體體積流量的關(guān)系曲線（QV曲線），并確定始噴點、停噴點，最高效率點和最大產(chǎn)量點。三、實驗裝置及流程實驗裝置如圖12所示，即氣液兩相垂直管流態(tài)演示儀。水箱供水至井筒某一恒定位置，打開氣源開關(guān)，通過轉(zhuǎn)子流量計與壓力表計量。開啟供氣電磁閥給井筒供氣，利用氣體彈性膨脹能將掖體舉升出井口，再通過測液箱計量液體體積并從計時器上計錄下定體積的時間。通過數(shù)據(jù)處理，即可得到一定氣量下的產(chǎn)出液量。四、實驗操作步驟1、開啟空氣壓縮機(jī)以產(chǎn)生工作氣源，調(diào)節(jié)壓力設(shè)定選鈕

9、，使氣源壓力為一定值（MPa）；2、打開儀器面板上的電源開關(guān)，打開水箱供水開關(guān)和供液開關(guān)，此時將向恒位水箱和模擬井筒供水。恒位水箱供水由裝置自動控制，打開水箱供水開關(guān)后便可將水位維持在恒定位置。3、將流量調(diào)節(jié)旋鈕逆時針旋轉(zhuǎn)到初始位置，然后順時針旋轉(zhuǎn)12圈，待水位上升到標(biāo)定高度后打開供氣開關(guān)，此時可通過調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)旋鈕控制氣體流量（逆時針為減小，順時針為增大）來觀察模擬井筒內(nèi)的流態(tài)變化。4、當(dāng)對產(chǎn)液進(jìn)行定量分析時，打開測量開關(guān)，此時計時器開始計時，測液水箱進(jìn)水，記錄流量計讀數(shù)。待計時器時間停止計時后，關(guān)閉測量開關(guān)，記錄計時器讀數(shù)。5、調(diào)節(jié)氣量，待氣液相相對穩(wěn)定后重復(fù)步驟4。結(jié)束實驗時，首先關(guān)閉空

10、氣壓縮機(jī)，水箱供水開關(guān)和供液開關(guān)，打開放空開關(guān)。待氣液放完后，關(guān)閉供氣開關(guān)，關(guān)閉電源，結(jié)束實驗。五、注意事項：1、嚴(yán)格遵守實驗室規(guī)則，未經(jīng)教師允許不得隨便開啟各開關(guān)、儀器按鈕，不得任意旋轉(zhuǎn)儀器上的旋鈕。2、實驗前一定要弄清楚實驗流程及其儀器、儀表、設(shè)備的功用；檢查儀器設(shè)備的開關(guān)、旋鈕的位置是否符合要求。嚴(yán)格按照實驗操作部驟進(jìn)行實驗。3、試驗過程中，調(diào)節(jié)氣量一定要有小到大逐漸慢開啟控制閥，不得突然增大，以防損壞流量計和造成事故。4、計時器停止計數(shù)后，必須立即關(guān)閉供氣電磁閥，打開測液箱排液電磁閥，以防測液箱液體溢出。5、電磁閥電路皆為220V交流電，控制臺后禁止站立和來往。6、穩(wěn)壓電源電壓只能最大選用12V檔，不得超過該值，以免燒壞儀器和造成其他事故。7、實驗中，如發(fā)生什么故障，應(yīng)立即關(guān)掉電源和供氣閥等，在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下排除故障。兩相垂直管流實驗報告1、態(tài)判別數(shù)據(jù)表實驗?zāi)坑^流態(tài)實驗數(shù)據(jù)計算數(shù)據(jù)判別流態(tài)QwQgQTVgD(L)B(L)S(L)m2、QV曲線數(shù)據(jù)表測次原始數(shù)據(jù)計算數(shù)據(jù)備注時間T標(biāo)準(zhǔn)注氣流量V壓力讀數(shù)出水體積W標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣量V水流量Q(S)(m3/h)(KPa)(升)(m3/s)(m3/s)3、流態(tài)定量判別數(shù)據(jù)處理公式流態(tài)型態(tài)界限泡流QsfCt*COm段塞流Qs/Qt>(L)s,<(L)s過渡流（L人霧流卩詔備注氣體的體積流量，后張Q-總的體積流