完全偏心水平环空的两相流动:一种机械方法

2010-11-16编译王亮刘义坤曲娜赵利大庆石油学院

石油石化节能 2010年8期

关键词：摩阻流型层流

编译:王亮刘义坤曲娜赵利 (大庆石油学院)

审校:王福林 (大庆石油学院)

完全偏心水平环空的两相流动:一种机械方法

编译:王亮刘义坤曲娜赵利 (大庆石油学院)

审校:王福林 (大庆石油学院)

基于欠平衡钻井技术的优点,油田现场使用欠平衡钻井技术钻井的数量增长很快,其优点包括钻速的提高、循环漏失和差压卡钻最小化、地层伤害减小及许多环境上的优势。在连续油管欠平衡作业过程中,通常使用气液混合物,其中两相流系统的水力计算是必不可少的。井筒水平段的几何流动形态是完全偏心环空的,需要一个真实的机械模型。对环形几何空间两相流研究很少,通常是用水力直径表示环形几何空间,使用水力直径代替环空直径来使用环形管的关系式。然而,基本的水力直径计算需要一个更好的方法来实现。在本实验中,研究了完全偏心环空中的气液混合物的水平流动。用一个机械模型来评测摩阻压力损失,此模型引入的一个代表直径项既可以在环形管又能在环形空间几何形态中应用。流型的定义沿用了 Taitel-Dukler提出的基本理论。对比结果发现,对于描述环形空间几何形态,引入的代表直径在实验中表现的比用水力直径更为准确。使用代表直径项,流型会测定得更加准确。最终结果表明,推荐模型可以准确地定义流型和测定摩阻压力损失,准确度低于20%。

偏心环空机械模型环形管两相流摩阻压力损失

1 介绍

近年来,连续油管在钻井中的应用显著增长。在压力控制、加速下钻时间、快速上钻下钻、减少环境影响以及井中的高速数据传输等方面都有很大提高。连续油管应用中多相流的一些例子是针对环流、生产油管中的垂直两相流、硝化酸的酸化工作,以及欠平衡钻井。液相一般由水和油组成,气相由氮气、空气、天然气组成。欠平衡钻井时,应该准确地确定井筒中的流动动态、流体机械状况和水力参数。在合理的工作范围内保证钻孔清洁和保持井底压力是欠平衡钻井技术的关键。钻井参数是井筒倾斜度和井筒面积的函数。因此,为了准确确定井的设计参数,必须弄清环形空间几何形态中的流体流动形态。

通过对水平管中两相流的研究,进一步开展了理论和实验研究。推荐模型可以划分为两类:一般模型和机械模型。早期的两相流系统模型是独立流型,一般忽略了流型的复杂性。以流型命名,把两相流作为一个单相流或两种分离的流体来看待,主要是由Wallis等人提出的。之后的研究集中在流型的确定,以及经验模型和机械模型的建立。在经验模型中,基于实验数据的方程进行流型的定义和压力损失计算。在机械模型中,单独检验了每种流型的两相流系统的物理特性和流动机理,并相应建立了流动控制方程。由 Taitel等人建立了统一模型。Sadatomi建立了垂直环空中气水流动的流型图。Caetano等人研究了环空中两相流系统向上的垂直流动。通过把 Taitel和Dukler模型应用到环空同心和偏心几何空间中得出流型预测的方法。Taitel和Dukler对环空两相流的模型做出了调整。

在本实验中,研究了流型的确定和完全偏心环形几何空间中水平两相流的摩阻压力损失。

2 理论

准确估测流型间转变是测定摩阻压力损失的前提。

2.1 流型预测

在研究流型和估测环形几何空间的压力损失时,引入了水力直径 dhyd和代表直径 dr,其计算如下:

在使用代表直径代替管径参数时,Lockhart和Martinelli定义了持液率。在直径 dr的管中令液相过流断面面积和完全偏心环空中液体过流断面面积相等,液位、液体和气体周长、液体和气体过流断面面积等参数通过几何关系式计算。图1给出了完全偏心环空的几何参数。

图1 完全偏心环空的几何参数

一旦液位和环形空间几何参数被确定,流型的转变就可以检测出。对于层流-非层流的转变,Omurlu-Ozbayoglu方法如下式表示:

如果方程 (3)成立,流型将是非层流。否则比值hl/dr应该赋值为1。如果流动是层流,方程 (4)可以确定流动是分层光滑流还是分层波状流。

当满足方程 (4)的条件时,将会产生分层波流动,此时应该使用间歇流到环流的转变方程。如果满足方程 (5),流动将会是环流。

间歇流—分散泡流转变方程如下:

3 摩阻压力损失的确定

在流型合理确定之后,将每种流型的流动机理进行了独立研究。

3.1 层流

影响模型准确度的重要参数有界面摩阻因数fi、界面剪切力τi,其中摩阻因数使用扇形摩阻因数关系式来计算。对于光滑流和分层波流型,假设界面摩阻因数 fi和气体摩阻因数 fg相等。

根据势平衡方程得出液相和气相方程。使用方程(8)或方程 (9)确定层流压力损失。

3.2 间歇流

间歇流是气层和段塞流的交变流态。由于相分布的复杂性,为了确定段塞区和气层区内持液率分布,采用数学迭代法。在这一研究中,引入了无因次组,采用下面的方程计算压力损失。

式中 El是段塞单元的液体体积分数,由方程 (11)确定。

段塞单元长度Lu由段塞体和一个气层/液层区各自长度Ls和Lf组成。Els是段塞体液体体积分数,用方程 (12)计算。

3.3 环流

当气体流动速度很高时,气相在高速的核心里流动,里面夹带着液滴。液相围绕着管壁以薄层的形式流动。液膜的厚度由液相和气相的动量方程确定。

液膜厚度的计算方程为

摩阻压力损失由方程 (13)或方程 (14)确定。

3.4 分散泡流

当气相以气泡的形式分散、其移动速度和液相相等时,可以假设成一个简单的均质流动。压力损失由方程 (16)确定。

4 实验

水平完全偏心环空中两相流的实验在METUPETE-CTMFL多相流环路中实现。测试段长16 ft(1 ft=30.48 cm),由聚丙烯外壳和钢钻杆组成。内径3.672 in(1 in=25.4 mm),聚丙烯套管-钻杆外径1.92 in(结构1);内径4.5 in,聚丙烯套管-钻杆外径2.25 in(结构2)。通过透明套管可以观察和确定流型 (图2)。实验装置中每个组成部分的容量和品牌在表1中列出。

表面液体速度的范围从0.2 m/s至11 m/s,气体速度为0.16～2.5 m/s。因此,观察到的流型主要是间歇流。

图2 测试段

表1 实验组成部分的容量和品牌

5 结果和讨论

图3和图4给出了实验数据的对比。在间歇流—分层波流转变的过程中可以观察到一个移动。在更大的流动管道中,结构1,对于一个给定的表面气体流动速度,从分层波流到间歇流转变发生时液体的速度比结构2中的更高。这意味着如果在井筒中发生间歇流,气体流动速度恒定,液体流动速度应该考虑到井筒的几何尺寸,从而进行调整。在大井筒中速度更大。从图4可以观察到采用推荐直径项和模型,在估测流型时更加准确。然而,在估测层流到非层流的转变时模型的准确度只能用光滑层流和分层波流流动的数据来核对。

图3 对于结构1和结构2使用 dhyd产生的流型

流型确定后,用推荐模型来计算压力损失。通常,针对管流选择的模型使用 dr(替代管径来表示环形几何空间的尺寸)来进行修正。图5和图6给出了在结构1和结构2中层流的不同模型的摩阻压力损失估计的对比。为了显示模型的准确度,将±30%的误差加入对比图样,结果表明大多数计算压力损失的数据都在误差限度内。由于界面剪切力的原因,界面摩阻因数在层流的压力损失确定中非常重要。在这一研究中,用气体摩阻因数来替代界面摩阻因数。推荐模型性能的结果是合理的。

图4 对于结构1和结构2使用 dr产生的流型

图5 推荐模型的摩阻压力损失估计,使用的是根据结构1的层流模型和实验数据

图6 推荐模型的摩阻压力损失估计,使用的是根据结构2的层流模型和实验数据

各种模型的压力损失计算和间歇流的实验数据在图7和图8中示出。可以观察到推荐模型的高准确度。模型给出了合适的压力损失估计。修正的Petalas和Aziz模型给出的压力结果比其他修正模型更接近实验数据,但是压力损失估计仍然低于实际的压力损失。这些模型最初应用于管流,经验公式适用于循环管道。当对比修正模型的性能时,应该考虑这种评价。在此次研究中推荐模型被用来测定间歇流在两个不同的高准确度管道结构中的压力损失。

图7 推荐模型的摩阻压力损失估计,使用的是根据结构1的间歇流模型和实验数据

图8 推荐模型的摩阻压力损失估计,使用的是根据结构2的间歇流模型和实验数据

表2和表3列出了修正模型与层流推荐模型误差百分比的比较和与间歇流推荐模型误差百分比的比较。对于层流推荐模型在两个环空结构中都准确地测定出摩阻压力损失,平均误差分别是51.1%和25.3%。然而,数据在测定推荐模型的准确度上是不足的。在这次研究中使用的模型在结构1和结构2中测定间歇流平均误差分别是30.5%和15.1%。这两种环状几何空间形态的估算步骤简单准确。

表2 层流的推荐模型和修正模型的压力损失估计的误差百分比

表3 间歇流的推荐模型和修正模型的压力损失估计的误差百分比

6 结论

对水平完全偏心环空中的水-气两相流模型进行了实验和理论研究。建立了一个机械模型。为了说明完全偏心环空,引入了一个新的直径项——代表直径。修正模型给出了压力损失估测,在从METU-PETE-CTMFL多相流环路中获得的实验数据有效时,修订了 Petalas和 Aziz、Beggs和Brill和Garcia模型。对比实验数据,推荐模型可以准确估测结构1和结构2中环形管流型。针对大量的实验室数据对比,模型也可以准确确定环形几何空间中两相流的摩阻压力损失。

符号说明

A ——面积

di——内管外径

do——外管内径

f ——摩阻因数

g——重力加速度

hl——液位

L ——段塞单元长度P ——压力

S ——接触周长

s——折算率

v ——速度

下标