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第二章油气渗流的基本规律2 油气渗流的基本规律油气层是由固体（岩石）、液体（油和水）、气体（天然气）三相物质构成的。
油气在岩石中能够渗流是受到各种力作用的结果。
但是，这些力是如何产生的呢？这就要从物质本身的力学性质中去寻找。
本章将分析油气及岩石的力学性质以及这些力学性质又以什么样的力表现出来，并且还要研究各种力相互作用的规律。
2 油气渗流的基本规律第一节油气渗流的力学分析)流体及多孔介质的力学分析)驱动能量)油气藏的驱动方式2 油气渗流的基本规律一、流体及多孔介质的力学分析流体流动是因为受到各种力的作用。
1. 流体的重力地球对流体的吸引力称为重力。
重力对于渗流有时表现为动力，如邻近液体的重力一般表现为推动其前面流体运动的动力，但有时也表现为阻力。
厚油藏、倾角大的油藏。
2 油气渗流的基本规律2. 惯性力由物体惯性表现出来的力。
当流体开始流动或流动速度改变大小和方向时会产生惯性力。
惯性力的大小取决于质量和加速度。
对渗流而言，惯性力往往表现为阻力。
3. 粘滞力粘滞力是流体流动时流体层间产生的内摩擦力。
粘滞力与粘度有关。
粘滞力是一种流体流动的阻力。
2 油气渗流的基本规律4. 岩石及流体的弹性力油藏中，岩石及流体处于压缩状态，具有弹性能。
油藏开发过程中，油层压力降低，岩石和流体的弹性能得到释放。
弹性能的大小可用压缩系数表示。
弹性力是流体流动的动力。
2 油气渗流的基本规律5. 毛细管压力两相流体在毛细管中流动时，相界面产生弯曲液面，而产生毛管压力。
毛管压力的大小与界面张力、界面曲率有关。
毛管压力可能成为流体流动的动力或阻力。
（a）毛细管压力表现为动力（b）毛细管压力表现为阻力毛细管压力作用示意图2 油气渗流的基本规律二、驱动能量1. 天然能量油藏弹性能：油藏中岩石和流体具有的弹性能量。
气顶能量：油气藏顶部压缩天然气的能量。
溶解气能量：油藏中溶解天然气膨胀所释放的能量。
水压能量：油气藏中天然存在的边水或底水能量。
两相垂直管流实验气举井及绝大多数自喷井的油管中流动的都是油—气或油—气—水三相混合物。
对采油来说，油、气、水混合物在油管中的流动规律——多相垂直管流理论是研究自喷井、气举井生产规律的基本理论。
在许多情况下，油井生产系统的总压降大部分是用来克服混合物在油管中流动时的重力和摩擦损失。
它不仅关系到油井能否自喷，而且决定着用自喷和气举方法可能获得的最大产量。
为了掌握油井生产规律及合理地控制和调节油井工作方式，必须熟悉气—液混合物在油管中的流动规律。
在油气田开发过程中，为了充分利用天然资源和取得好的经济效果，或者要进行油气田动态分析，拟订油气田的增产及提高油气田采收率，高速度、高水平地开发油气就必须深入细致地研究地层—油管—油嘴生产衔接与协调，研究多相流在井筒中的流态变化。
使生产井的工作制度同地层变化了的情况协调起来，只有通过各个生产井的各种变化并把它们综合起来进行分析，才能为整个油气田动态分析提供准确的资料和依据，并对各个注采井提出有效的工艺措施，不断完善开发方案，改善油气田开发效果。
该实验就是研究气、液两相在垂直井筒中的流态变化及观察模拟井筒气体膨胀能参与举升液体的现象，抓住观察到的现象综合分析，并对所作的气量与液量的关系曲线作出解释。
一、实验原理在多相垂直管流中，沿井筒自下而上随着压力不断降低，气体则不断从液体中分离出来，以及压力降低气相体积流量逐渐变大。
随着液气流沿井筒上升，压力逐渐降低气体随之膨胀，不断释放出气体弹性膨胀能量，该能量要参与举升液体，膨胀能的大小与气量多少、压力变化范围有关。
该实验是研究液气两相在模拟垂直井筒中的流动变化。
也是利用气体膨胀能量来举升液体的实验，它依靠两种作用：一种是气体作用于液体上，垂直地顶推液体上升；另一种是靠气体与液体之间的摩擦作用，气体携带液体上升。
其能量来源除压能外，气体膨胀能是个很重要的方面。
因在管径不变的油管中，举升一定的油量，则单位管长上所消耗的总压头，是随着气量的不同而变化的，而只有在某一气量下，举升一定气量的液体所必须消耗的压头最小。
水平管内油水两相流流型的实验研究下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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第一章 油井基本流动规律油井生产系统可分为三个子系统：从油藏到井底的流动——油层中渗流；从井底到井口的流动——井筒中流动；从井口到地面计量站分离器的流动——在地面管线中的水平或倾斜管流。
有些油井为了使其稳定生产和安全性考虑，还会有通过油嘴以及井下安全阀的流动——嘴流（节流）。
为此，本章将分别介绍油井生产系统的三个基本流动过程（油层渗流、气液两相管流及嘴流）的动态规律及计算方法。
第一节 油井流入动态原油从油层到井底通过多孔介质（含裂缝）的渗流是油井生产系统的第一个流动过程。
认识掌握这一渗流过程的特性是进行油井举升系统工艺设计和动态分析的基础。
油井的产量主要取决于油层性质、完井条件和井底流动压力。
油井流入动态是指在一定地层压力下，油井产量与井底流压的关系，图示为流入动态曲线，简称IPR （Inflow Performance Relationship ）曲线。
典型的IPR 曲线如图1-1所示，其横坐标为油井产液量（标准状态下），纵坐标为井底流压p wf (表压)。
当井底压力为平均地层压力r p 时（即生产压差0p p wf r =-），无流体流入井筒，故产量为零。
随着井底流压降低，油井产量随生产压差的增大而增大。
当井底流压降至大气压(p wf =0)时，油井产量达到最大q max ，而它表示油层的潜在产能。
就单井而言，IPR 曲线反映了油层向井的供给能力（即产能）。
如图1-1所示，IPR 曲线的基本形状与油藏驱动类型有关，其定量关系涉及油藏压力、渗透率、流体物性、含水率及完井状况等。
在渗流力学中已详细讨论了这方面的相应理论。
下面仅从研究油井生产系统动态的角度，讨论不同油层条件下的流入动态曲线及其绘制方法。
图1-1 典型的油井IPR 曲线一、单相原油流入动态1. 符合线性渗流规律的流入动态根据达西定律，定压边界圆形油层中心一口垂直井，稳态流动条件下的产量为⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+--=S r r B p p CKh q w e o o wf r o 21ln)(μ（1-1）对于圆形封闭油层，即泄流边缘上没有液体流过，拟稳态条件下的产量为()3ln4r wf o e o o w CKh p p q r B S r μ-=⎛⎫-+ ⎪⎝⎭（1-1a ）式中 q o ——油井原油产量（地面）；K ——油层渗透率。
油气水三相流的特性及模拟方法油气水三相流作为一种复杂的流体现象，在石油、化工、能源等众多领域中具有重要的应用价值。
本文将会从油气水三相流的特性和模拟方法两个方面进行探讨。
一、油气水三相流的特性（一）流态分类油气水三相流的流态分类主要包括气水两相流、油水两相流、气油两相流和三相流。
其中，气水两相流中气与水相互穿插，水体内部少有气泡；油水两相流中油和水相互穿插，水体内部少有油滴；气油两相流中气体和油体相互穿插，油体内部少有气泡；而在三相流中，油、水、气三相均相互穿插，且分布均匀。
根据油气水三相流的实际情况，合理地选择流态，对三相流的模拟具有重要的意义。
（二）油气水三相流的分散相和连续相在油气水三相流中，液体和气体两相（油水两相、气水两相或气油两相）被称为分散相，从而形成了包含油、水、气三个相的三相流。
在连续相中，油、水、气三相之间的交界面则被称为分界面。
由于不同相之间具有不同的物理性质，如密度、黏度等，因此求解分散相和连续相之间交界面处的流体力学参数十分困难。
目前，常用的方法是将分散相所占据的体积划分成网格，利用有限体积法、有限元法等数值方法来模拟油气水三相流。
（三）油气水三相流的流动规律油气水三相流中，液相和气相的物流性质存在一定的规律性。
液相沿管道底部流动，气相在管道顶部流动，两相均沿管道中心线紊动。
由于液相的黏度大，所以在气相、液相均流的情况下，由于阻力不同，液相会向管道内壁集中，形成液膜。
油气水三相流中，液膜的生成和液膜的运动对油气水三相流的流动规律具有重要的影响。
二、油气水三相流的模拟方法（一）欧拉-拉格朗日方法欧拉-拉格朗日方法是一种常用的数值计算方法，其主要思路是将流动问题转化为粒子之间的相互作用。
在该方法下，流场和粒子场分开求解，通过数值模拟，可以预测流场和粒子场的运动状态。
然而，由于欧拉-拉格朗日方法仍然需要求解分散相与连续相之间交界面处的流体力学参数，其计算结果不够精确，因此在实际应用中常常需要结合其他数值方法。
学校代码：11414学号：B0202080油－水两相管流流动规律研究（申请中国石油大学工学博士学位论文）学科专业：油气储运工程研究方向：多相管流及油气田集输技术研究生：姚海元指导教师：宫敬教授2005年7月Study on Oil-Water Two PhasePipe FlowDissertation Submitted toChina University of PetroleumIn partial fulfillment of the requirementsFor the degree ofDoctor of EngineeringByYao，HaiyuanOil & Gas Storage and TransportationDissertation SupervisorGong, Jing (Professor)2005.7独创性声明我呈交的学位论文是在导师指导下个人进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得其他学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
特此声明。
声明人（签名）：年月日关于论文使用授权的说明本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交学位论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。
特此说明。
说明人（签名）：指导教师（签名）：年月日摘要油－水两相流动是普遍存在于石油、石化工业中的一个现象。
然而，由于油－水两相流动的复杂性，目前，国内、外学者对油-水两相流的认识还很不清楚，其研究进展相当缓慢。
尤其是对于稠油－水两相管流流动规律的研究，所进行的这方面的实验很少，还存在相当大的空白，从而制约了油－水两相管流理论的进一步完善。
本文在进行高粘度白油-水两相管流和渤海稠油－水两相管流实验的基础上，对得到的流型图进行合理划分，提出了相应的流型转换模型；确立了就地含水率计算方法；并针对观察到的油－水两相管流反相的新现象进行研究，改善了反相点临界含水率预测模型，最后给出了油－水两相管流不同流型区域的压降计算模型。
建设了管径为1寸，长约52米的不锈钢油－水两相流实验环道。
在环道上成功的进行了高粘度白油-水两相流和渤海稠油－水两相流的流型和压降实验研究，为下一步的理论研究提供了基础。
分析了不同实验条件下管截面含水率分布规律，利用管截面含水率数据，确立了就地含水率的计算方法。
该方法在油－水两相管流就地含水率计算方面取得了一定的突破。
针对不同流型的特征，将油－水两相管流的流型图划分为四个区域。
同时，根据管流实验中反相发生的过程，建立了一个新的适用于油－水两相管流的反相预测模型。
利用他人的实验结果进行验证，发现该模型比其他模型具有更高的计算精度和更宽的适用范围。
通过分析稠油－水两相管流流型特有的发展过程，建立了预测分层流型与环状流型的理论边界模型。
针对划分的不同流型区域，给出了相应的压降计算模型。
这些理论模型能更好的适用于现场实际，具有较强的理论与实际意义。
关键词：两相流、流型、压降、油、水AbstractFlows of mixtures of two immiscible fluids such as oil and water are encountered frequently in many areas of the process industry and in the petrochemical industry. However, people have not understood it clearly because of its complexity, and the research development of oil-water two-phase flow is quite slow. Especially, for the researches about heavy oil-water two-phase flow, few similar experiments have been conducted. As a result, some research vacancies exist and become a stumbling block for perfecting the theories about oil-water two-phase pipe flow. This paper presents experimental investigation results theoretical models for oil-water two-phase flow pattern transition, local water fraction prediction and pressure loss calculation.Experiments were conducted on a horizontal pipe loop set with stainless steel pipe, 1-inch inner-diameter and 52m long. These experiments included white mineral oil-water two-phase flow experiments and heavy oil-water two-phase flow experiments. The experiment results on oil-water two-phase flow pattern and pressure loss provided the foundation for theoretical model research.A new theoretical model for calculating local water fraction of some flow patterns was also developed based on the characteristics of water fraction distributing across pipe section. This method had made a breakthrough in the theoretic calculation of local water fraction.According to the characteristics of different flow patterns, each of the acquired flow pattern maps was carved up into four regions. Using the relations between the total free energies of the pre-inversion and post-inversion dispersions, a model for predicting phase inversion in oil-water two-phase pipe flow was developed with considering thecharacteristics of pipe flows. Based on the analysis of the development process of flow patterns for oil-water two-phase pipe flow, a theoretic model was developed to predict the transition boundary of stratified flow patterns and annulus flow patterns. Other models for calculating the pressure loss of each flow pattern region had also been developed. The experiment results and theoretical models presented in this paper are useful for the design and operation of the oil-water two-phase pipelines in oil fields.Key words: two-phase flow; flow pattern; pressure loss; oil; water油－水两相管流流动规律研究创新点摘要1. 根据实验结果定义了稠油－水两相水平管内流动条件下出现的流型，并绘制了流型图。
由于油品粘度较高，获得的流型图同以往利用低粘度油品进行实验所得到的流型图有较大差别。
基于不同流型的在线流动结构和相应的压降特征，首次将流型图划分为四大区域：油为连续相流型区、水为连续相流型区、间歇流型区域和油－水混合分层流型区。
（第3章 3.2和第4章4.2）2. 通过分析油－水两相管流反相实验过程中的新现象，提出了对反相过程的新认识：反相发生时，并不是整个管截面上的Dw/o分散体系转变为Do/w分散分散体系, 而是两种分散体系共存，并有一定的比例关系。
在此基础上，建立了一个新的适用于油－水两相管流的反相预测模型。
利用有关实验数据验证表明：与实测值相比，该模型预测值比其他模型预测值误差要小，并具有更广的适用范围。
反相问题历来是油－水两相管流中的难点之一，本文对于反相机理的新认识和所建立的反相模型有助于对该问题进行更深入的研究。
（第5章5.3）3. 根据实验过程中油－水两相管流流型的发展过程，建立了预测分层流型、环状流型的理论边界线模型。
利用实验数据对新建模型进行了验证，结果表明该模型具有较好的计算精度。
（第5章 5.4）4. 针对本文所划分的不同流型区域，给出了相应的压降计算模型。
利用有关实验数据对新建的水环流型、分层流型与不完全水环流型的压降计算模型进行了验证，模型预测结果与实验数据比较吻合。
（第6章 6.2、6.3）目录独创性声明 (i)中文摘要 (ii)英文摘要 (iii)创新点摘要 (v)第1章引言 (1)1.1课题背景 (1)1.2 国内外油－水两相管流的研究回顾及现状 (2)1.3研究的目的和内容 (4)第2章油－水两相管流的实验系统 (7)2.1实验装置 (10)2.1.1 实验环道各系统简介 (12)2.1.2实验系统特点 (14)2.2误差分析 (15)2.3环道标定实验 (16)2.4本章小结 (18)第3章白油－水两相水平管流的实验研究 (20)3.1 实验介质与实验参数范围 (20)3.1.1实验介质 (20)3.1.2实验参数范围 (22)3.1.3实验步骤 (22)3.2 实验流型和流型转化 (23)3.2.1实验流型判别 (23)3.2.2反相现象描述 (25)3.2.3实验流型划分与流型转换 (27)3.3压降规律的实验研究 (34)3.3.1入口含水率变化对压降规律的影响 (34)3.3.2油水混合流速变化对压降规律的影响 (37)3.3.3实验温度对压降规律的影响 (39)3.4 本章小结 (41)第4章稠油－水两相水平管流的实验研究 (43)4.1 实验介质与环道实验 (43)4.1.1实验介质 (43)4.1.2实验参数范围 (45)4.1.3实验步骤 (45)4.1.4 环道剪切实验 (46)4.2实验流型和流型转化 (46)4.2.1实验流型判别 (46)4.2.2流型转化描述 (47)4.3 压降与有效粘度的实验研究 (52)4.3.1压降实验 (52)4.3.2有效粘度 (55)4.4环道实验与仪器实验的差异 (59)4.5 本章小结 (61)第五章油－水两相水平管流就地含水率与流型转换研究 (62)5.1白油－水两相水平管流就地含水率分布规律描述 (63)5.2 白油－水两相环状流型就地含水率的计算 (66)5.2.1立论依据 (66)5.2.2计算方法的建立 (67)5.2.3应用算例 (68)5.3 油－水两相水平管流反相预测模型 (70)5.3.1油－水两相管流反相过程描述 (71)5.3.2反相预测模型的建立 (73)5.3.3反相模型的验证 (75)5.4间歇流型向水为连续相流型转换的理论边界研究 (76)5.4.1间歇流型与水环流型临界边界的建立 (78)5.4.2 模型参数的选取与分析 (83)5.4.3 模型的实验验证 (85)5.4.4 分层流型区域边界线的确定 (90)5.5 本章小结 (91)第6章油－水两相水平管流压降规律研究 (92)6.1 油为连续相流型的压降计算 (92)6.1.1 分散体系为非牛顿流体的压降计算 (93)6.1.2 分散体系为牛顿流体的压降计算 (95)6.1.3 油田现场应用 (97)6.2 水为连续相流型的压降计算 (99)6.2.1水环流型压降计算模型的建立 (100)6.2.2模型预测和实验验证 (103)6.3 分层流型与不完全环状流型的压降计算 (108)6.3.1计算模型的建立 (109)6.3.2模型的实验验证 (110)6.4 本章小结 (113)第7章结论与展望 (115)7.1 本文的研究结论 (115)7.2对今后研究工作的建议 (117)主要符号表 (118)参考文献 (119)致谢 (125)个人简历、在学期间的研究成果 (126)第1章引言本章对研究课题的工业背景及油－水两相管流的研究历史和发展现状进行了介绍，在此基础上提出了本课题研究的基本内容。
