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垂直管流实验实验报告实验报告一、实验目的本实验旨在通过进行垂直管流实验，探究液体在垂直管道中的流动特性，深入了解液体在管道中的流动规律。
二、实验仪器和材料1.垂直管流装置：包括垂直管、流量计、水泵等。
2.温度计：用于测量液体的温度。
3.尺子和卡尺：用于测量实验装置的尺寸。
三、实验原理垂直管流实验主要是通过将液体从顶部注入垂直管道中，通过重力和压力推动液体向下流动，以观察和研究液体在管道中的流动情况。
在实验进行过程中，可以通过测量液体的流量、速度和压力等参数来研究液体在管道中的运动规律。
四、实验步骤1.准备工作：检查实验装置和仪器，确保其完好无损，然后根据实验要求调整流量控制阀和压力控制阀的开度。
2.测量液体的物理性质：首先需要测量液体的密度和粘度等物理性质，并记录下来。
3.实验装置准备：按照实验要求，调整垂直管的高度和直径，并将流量计、水泵等连接好。
4.实验操作：将液体注入垂直管道的顶部，并打开水泵，让液体顺势流入管道中。
5.数据记录：记录实验过程中相关的参数，如液体的流量、速度和压力等。
6.实验结束：关闭水泵，停止液体的注入，并将实验装置和仪器进行清洗。
五、实验结果与分析在实验过程中，测得了液体的流量、速度和压力等参数，并按照实验要求进行了记录。
根据实验数据，可以进行相关的计算和分析，以得出液体在垂直管道中流动时的特性和规律。
六、实验误差分析在实际实验中，可能会存在一些误差，如人为操作误差、仪器误差等，这些误差可能会对实验结果造成一定的影响。
为了提高实验结果的准确性，可以进行多次实验并取平均值，同时要注意实验中的操作规范和仪器的使用方法。
七、实验结论通过进行垂直管流实验，我们可以得出液体在垂直管道中流动时的特性和规律。
实验结果与理论分析相符，证明了液体在管道中流动遵循一定的规律，为进一步研究液体流动提供了实验依据。
八、实验心得通过本次实验，我深入了解了液体在管道中的流动规律，掌握了实验操作的技巧，并学会了如何记录和分析实验数据。
1. 观察垂直井筒中出现的各种流型，掌握流型判别方法；2. 验证垂直井筒多相管流压力分布计算模型；3. 了解自喷及气举采油的举升原理。
在许多情况下，当油井的井口压力高于原油饱和压力时，井筒内流动着的是单相液体。
当自喷井的井底压力低于饱和压力时，则整个油管内部都是气-液两相流动。
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，只有当气液两相的流速很高时（如环雾流型），才考虑动能损失。
在垂直井筒中，井底压力大部分消耗在克服液柱重力上。
在水平井水平段，重力损失也可以忽略。
所以，总压降的通式为：式中：△p h—重心压力；△p r—摩擦压降；△p a—加速压降在流动过程中，混合物密度和摩擦力沿程随气-液体积比、流速及混合物流型而变化。
油井中可能出现的流型自下而上依次为：纯油流、泡流、段塞流、环流和雾流。
除某些高产量凝析气井和含水气井外，一般油井都不会出现环流和雾流。
本实验以空气和水作为实验介质，用阀门控制井筒中的气水比例并通过仪表测取相应的流量和压力数据，同时可以从透明的有机玻璃管中观察相应的流型。
1．仪器与设备：自喷井模拟器，空气压缩机，离心泵，秒表等；2．实验介质：空气，水；3．设备的流程（如图 1 所示），教师讲解实验操作注意事项（如图2 所示）。
图 1 垂直管流实验设备流程图1.打开仪器面板上的电源开关，开启空气压缩机以产生工作气源（详细见空压机使用说明书），打开空压机上的出口阀门，根据实验要求调解“压力调节”（顺时针旋转为增大）旋钮，调到合适的工作压力。
2.打开“水箱供水”开关，给恒位水箱供水，当水在模拟井筒流出时，供水完毕关闭“水箱供水”，打开“供液”开关，此时将向恒位水箱和模拟井筒供水。
恒位水箱供水系统采用循环使用的方式（节约用水）水位维持在恒定位置。
3.待水位上升到标定高度不在上升后，打开“供气”开关，此时可通过调解“流量调节”旋钮控制气体流量（顺时针为增大逆时针为减小）来观察模拟井筒内的流态变化。
垂直管内两相流流型的实验研究作者：韩悦李梦杰来源：《当代化工》2016年第08期摘要：为正确预测气井井筒气液两相流动规律，在多相流实验平台上开展了不同管径（28、60 mm）和不同压力（0.10、0.50 MPa）下空气/水两相流流型实验，利用高速摄像机再现了泡状流、段塞流、搅动流和环状流的流型结构和过渡现象，绘制了实验流型图，对比了管径、压力对流型过渡的影响以及分析了环状流形成与液滴夹带的关系，在气液两相流实验的基础上，以环状流形成过程为例，从流型的物理现象着手，对环状流形成的机理进行了定义和数学建模，从而建立了产液气井两相流流型转变组合机理模型。
将该组合机理模型和不同管径、不同压力下的实验结果进行对比，发现新模型均能正确预测各流型间的转变条件，具有一定的通用性。
关键词：两相流；流型；物理现象；实验；预测中图分类号：TQ 000 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）08-1697-04Abstract： In order to correctly predict the flowing law of gas liquid two-phase flow in gas wells， the flow pattern and liquid membrane separation experiments of gas/water two-phase flow were carried out on the experimental platform of multi-phase flow in different pipe diameters（28，60 mm） under different pressures（0.10， 0.50 MPa），the flow pattern and transition phenomena of bubble flow， slug flow， stirring flow and annular flow were reproduced by high speed camera，the flow pattern map of the experiment was plotted， and the influence of tube diameter and pressure on the flow pattern transition was contrasted， and the relationship between annular flow formation and droplet entrainment was analyzed； On the basis of the experiment of gas liquid two phase flow， taking the annular flow formation process as an example， from the physical phenomenon of the flow pattern， the annular flow formation mechanism was defined and the mathematical model was established， therefore the comprehensive mechanism model of the two-phase flow pattern transition in liquid gas wells was established. Compared with the experimental results of different diameters and pressures，it’s found that the new model can correctly predict the changing conditions of different flow patterns and has a certain generality.Key words： two phase flow； flow pattern； physical phenomenon； experiment； prediction目前，国内外许多气田都已进入生产中后期，绝大部分气井都存在不同程度的产液现象，由产液带来的井底回压增加、井筒气液滑脱加剧、气井难以稳产的问题日益突出[1-3]。
教学大纲※〈前言〉《采汕工程》课程是石油工程类专业的主干专业课程。
是建立在汕层物理、汕藏工程、渗流力学等课程的基础上，对油1+1采油方式、工艺原理、工艺过程及技术的综合研究，同时还对油出常规增产措施迹行研究。
通过《采油工程》课程的学习，使学生了解采油中的基本过程、油气井筒流动的工艺过程，掌握采油物理原理，対采油生产的实际应用有一定的分析、解决问题能力。
木课程建立在油层物理、油藏工程、渗流力学等课程的基础上，在内容上冇一定的联系。
后续课程有储层改造、提高采汕率、完井工程等。
※〈教学内容〉《采汕工程》讲授白喷井、抽汕井、注水井等的结构及原理，齐类生产井、注水井的工艺流程以及日常管理等知识；油水井的增产原理等。
本课程的重点在每一章、节的基本方法和基木原理及基本公式的掌握，而难点往往在工艺措施，不能在课堂体现，力求通过实验和实习來进行弥补。
另外，难点述在体现每一过程的理论及方法的实际应川。
深度主耍体现在对现场新工艺的跟踪和讲解，广度在于对新工艺、新措施的剖析后，如何具体应用。
教学目的：了解课程和学科概况及上课要求。
教学重点和难点：重点采油工程的发展历史和技术现状。
主要教学内容及要求：介绍采油工程的发展历史和技术现状，并对课程的主要讲授内容作介绍。
第一章油井基本流动规律教学目的：油井生产系统流动过程的动态规律。
教学重点和难点：气液垂直管两相流动；主要教学内容及要求：常握垂直井和水平井单相油流产能预测理论和方法，正确计算绘制日前和未来溶解气驱油井及产水情况下的流入动态||||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；了解汕-气混合物在垂直管中的流动规律，介绍井筒垂直管中的流动规律及数学方程。
掌握汕嘴节流基本理论和动态规律。
第二章自喷和气举教学目的：H喷井井筒流动动态；气举原理教学重点和难点：节点分析；气举启动主要教学内容及要求：自喷井的协调及系统分析，通过地层与井筒、井筒与井口、井口与地面管线等的协调关系，对自喷井的生产系统做分析；自喷井管理及分层开采，了解白喷井管理内容，掌握分层开采原理; 气举，通过气举中启动压力确定、气举凡尔选择等，介绍气举的一般问题。
2001级《采 油 工 程》 期 末 考 试 （标准答案）一、名词解释（10×2分=20分）1 采油指数：是指单位压差下的油井产量，反映了油层性质、流体物性、完井条件及泄油面积等与产量的关系。
2 气举采油：是指人为地从地面将高压气体注入停喷（间喷或自喷能力差）的油井中，以降低举升管中的流压梯度（气液混合物密度），利用气体的能量举升液体的人工举升方法。
3 吸水指数：表示注水井在单位井底压差下的日注水量。
4 沉没度：泵下入动液面以下深度谓之。
5 原油的密闭集输：在原油的集输过程中，原油所经过的整个系统（从井口经管线到油罐等）都是密闭的，即不与大气接触。
6 滤失系数：压裂液在每√1分钟内通过裂缝壁面1米3面积的滤失量，米3/米2.√分。
7 滑脱现象：气液混流时，由于气相密度明显小于液相密度，在上升流动中，轻质气相其运动速度会快于重质液相，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。
8 酸液有效作用距离：当酸液浓度降低到一定程度后(一般为初始浓度的10％)，酸液变为残酸。
酸液由活性酸变为残酸之前所流经裂缝的距离称为酸液的有效作用距离。
二、绘图题（3×2分=6分）1、用图示意典型的油井IPR 曲线。
2、用图示意有气体影响和充不满影响的示功图。
图1-1 典型的油井IPR 曲线q ma3、用图示意酸浓度对酸—岩反应速度的影响。
三、简述题（6×51 简述气液两相垂直管流压力梯度方程的求解步骤（任选一种）。
要点：以按深度迭代为例（1）、已知任一点（井口或井底）的压力o P 作为起点，任选一个合适的压力降P ∆作为计算压力的间隔。
（2）、估计一个对应于P ∆的深度增量估h ∆，以便根据温度梯度估算该段下端的温度T1。
（3）、计算出该管段的平均温度T 及平均压力P ，并确定该T 和P 下全部流体性质参数（溶解油气比R ，原油体积系数Bo ，油、气、混合物粘度，气体密度ρg ，及表面张力σ等）。
第三章 垂直气液两相管流压力梯度计算模型及方法垂直气液两相管流压力梯度计算模型及方法•3.13.1流动模型流动模型•3.23.2压力分布计算方法压力分布计算方法•3.33.3垂直气液两相管流压力梯度计算模型及垂直气液两相管流压力梯度计算模型及方法•3.43.4水平或倾斜管中气液两相流动计算模型水平或倾斜管中气液两相流动计算模型及方法•3.53.5水平管中气体和非牛顿液体的两相流动水平管中气体和非牛顿液体的两相流动主要内容第一节流动型态流动型态的划分方法：两类第一类划分方法：根据两相介质分布的外形划分泡状流、弹状流或团状流、（层状流、波状流）、段塞流或冲击流、环状流、雾状流第二类划分方法：按流动的数学模型或流体的分散程度划分分散流、间歇流、分离流分散流、间歇流、分离流2010-3-263垂直气液两相流流型水平气液两相流流型两种分类方法比较第一类划分方法较为直观第二类划分方法便于进行数学处理第一类划分方法•泡状流•弹状流或团状流•层状流•波状流•段塞流或冲击流•环状流•雾状流第二类划分方法•分散流•间歇流•分离流•分离流•间歇流•分离流•分散流两类划分结果的对应关系2010-3-264垂直环空两相流型第二节 压力分布计算方法第二节•由于多相管流中每相流体影响流动的物理参数（密度、粘度等）及混合物密度和流速都随压力和温度而变，沿程压力梯度并不是常数。
因此，多相管流压降需要分段计算，并要预先求得相应段的流体性质参数。
然而，这些参数又是压力和温度的函数，压力却又是计算中需要求得的未知数。
所以，多相管流通常采用迭代法进行计算。
一、常用两相流压降计算方法•早期均匀流方法（总摩阻系数法）1952 Poettmann 1952 Poettmann——Carpenter 80 80’’s 陈家琅 λ'~(N Re )2•经验相关式1963 Duns--Ros 无因次化处理 N vL 、Nvg 、N D 、N L 1965 Hagedorm--Brow 现场实验 1967 Orkiiszewski 流型组合 1973 Beggs--Brill 倾斜管实验1985 Mukherijee--Brill 改进实验条件•现代机理模型SPE20630等考虑具体流型的物理现象第二节第二节压力分布计算方法段塞流示意图环状流示意图2010-3-2682010-3-26当 单相液流， H L 、ρm 、f m 随两相流流型变化b P P ≥二、两相管流压降计算根据地面条件应用关系式计算井底流压1 输入数据油管数据：管长L 、管径D 、井斜角θ、粗糙度e 油气井产量：油气水日产量Q O 、Q SC 、Q W或Q L 、f w 、GOR P (GLR P ) QQ W = f w Q L Q O = Q L - Q wQ SC = GOR P Q O 或 Q SC = GLR P Q L 边界条件：井口压力P wh 、井口温度T wh 、地温梯度g t 考虑井温线性分布 T(Z)=T wh +g t Z 油气水相对密度γo 、γg、γw第二节第二节压力分布计算方法2 输入数据单位处理常用单位 统一单位Q —m 3/d q —m 3/s μ—Pa.s P —MPap —Pa V Pa V——m/s D —mm d mm d——m T m T——℃ T T——K 第二节第二节压力分布计算方法3 输入流体物性资料气：拟临界压力、温度 Pc ， Tc偏差系数 Zg(Pr, Tr)粘度μg油：μo ， 溶解油气比 Rs体积系数 Bo ， 油气界面张力σo水：μw ，σw ，B w第二节第二节压力分布计算方法),(223004hk p h z F k ++=第二节第二节压力分布计算方法龙格库塔数值解法•压力梯度函数F(Z，P)计算步骤(1) Z处流动温度 T(Z)=T0+g t Z(2) 计算T、P条件下的有关物性(3) 气液体积流量 q g，q L(4) 气液表观流速V sg、V sL和V m(5) 计算λL、μL、ρns、μns(6) 无因次量N Rens、N L、N gV、N LV、N gvsM(7) 计算H L、ρm(8) 判别流型，计算f m(9) 计算F(Z，P)•2、迭代计算第二节第二节压力分布计算方法误差又能提高计算速度。
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。
该实验是以Φ32的有机玻璃管来模拟实际油管，并采用恒位水箱保持井筒静水压头不变，也就是在一定直径的垂直管中保持静水压头不变，利用气体的膨胀能来举升液体。
由于压头不变，所以管鞋压力P1=C（常数），其气举垂直管的管口压力P2=1at。
因此，气举管压差为P1-P2=C，既保持位常数。
换言之，气举管所具有的举液能量是一个常数。
因此，v/q不同，混合物的流态是变化的。
这里所讲的流态，即气液两相在垂直管中的流动结构或者说是流动形态，是指气液两相流动过程中其分布状态。
在液体延井筒流动的过程中，压力随之逐渐降低，气体从液体中分离出来的数量愈来愈多，其体积愈来愈大，随着气体和流速的增加，垂直井筒中可能出现多种流态。
最常见的一种流态划分有：纯液流、泡流、段塞流、环流（又称过渡流）、雾流。
（见图1—1所示）
1、纯液流
当井口压力Pwh大于饱和压力Pb时，液体沿井筒上升到井口是靠井底压力（即静水压头）的作用，此时只有纯液体在管内流动。
见图1—1（a）。
但事实上，一般油井井口压力Pwh都是小于饱和压力Pb的。
2、泡流
一般情况下，当井底压力Pwf稍低于饱和压力Pb，或者当井底压力Pwf高于饱和压力Pb，而在井筒内压力低于饱和压力的断面上，连续的液体相中包含分散的气泡（即自由气），但由于气量并不多，而且又是处于高压下，所以多半是以气泡状存在液相中，由于气体比液体轻得多，气泡所占垂直管断面的比值也很小，流速也不大，所以气泡很容易从液体中滑脱而过。
因此，滑脱损失比较大，因流速不大，故摩擦阻力小。
见图1—1（b）。
3、段塞流
混合物继续上升，压力逐渐下降，气体进一步膨胀小气泡合并成大气泡直到能占据整个垂直管断面时，垂直管中将形成一段液体一段气的段柱状结构，这时气体托着液体上升，气体的膨胀作用能得到很好的发挥，对液相有很大的举升力。
这种流态是自喷井中的主要流动结构。
但是这种气柱只能象一个漏活塞一样，一边采油，一边油还要漏下来，
不可能将其上面的液体全部举出去，这也是滑脱损失，但比泡流小得多。
摩擦损失因流速增大面增加，见图1—1（c）。
4、环流(又称过渡流)
混合物沿井筒继续上升，随着压力的降低，气量再度增加并不断膨胀，气体的柱塞不断加长，逐渐从井筒中央突破，形成中心为连续气流，而四周管壁为环状液流。
此时，气流上升的速度增大，气体靠它与液体之间的摩擦携带着液体上升。
在该流态时，气体携带液体的能力仍很高，滑脱损失降低，摩擦损失因流速上升而增大。
见图1—1（d）。
5、雾状流
当压力再度下降，气量继续增加。
中心气柱将完全占据井筒断面，此时液流以极细的液滴分散于气柱中，即气相为连续相，而液相为分散相，气体的膨胀能表现为以很高的流速将液体携带到地面。
见图1—1（e）。
这种流态时，摩擦损失很大，滑脱损失因二者相对速度不大而较小。
应当指出的是，上述五种流态，不一定在每口自喷井都会同时出现，而且在一口井中，井筒压力变化、油井工作制度改变都会使其流态发生变化。
二、实验内容
1、观察垂直管内气、液两相流态。
2、测定在不同气量下的产液量和观察每一试验点的流态。
3、按流态界限数判别流态，并与实际观察到的流态比较。
4、在进行定量实验研究时，绘制液体体积流量与气体体积流量的关系曲线(Q—V曲线)，并确定始喷点、停喷点，最高效率点和最大产量点。
三、实验装置及流程
实验装置如图1—2所示，即气液两相垂直管流态演示仪。
水箱供水至井筒某一恒定位置，打开气源开关，通过转子流量计与压力表计量。
开启供气电磁阀给井筒供气，利用气体弹性膨胀能将掖体举升出井口，再通过测液箱计量液体体积并从计时器上计录下定体积的时间。
通过数据处理，即可得到一定气量下的产出液量。
四、实验操作步骤
1、开启空气压缩机以产生工作气源，调节压力设定选钮，使气源压力为一定值(MPa)；
2、打开仪器面板上的电源开关，打开水箱供水开关和供液开关，此时将向恒位水箱和模拟井筒供水。
恒位水箱供水由装置自动控制，打开水箱供水开关后便可将水位维持在恒定位置。
3、将流量调节旋钮逆时针旋转到初始位置，然后顺时针旋转1~2圈，
待水位上升到标定高度后打开供气开关，此时可通过调节流量调节旋钮控制气体流量（逆时针为减小，顺时针为增大）来观察模拟井筒内的流态变化。
4、当对产液进行定量分析时，打开测量开关，此时计时器开始计时，测液水箱进水，记录流量计读数。
待计时器时间停止计时后，关闭测量开关，记录计时器读数。
5、调节气量，待气液相相对稳定后重复步骤4。
结束实验时，首先关闭空气压缩机，水箱供水开关和供液开关，打开放空开关。
待气液放完后，关闭供气开关，关闭电源，结束实验。
五、注意事项：
1、严格遵守实验室规则，未经教师允许不得随便开启各开关、仪器按钮，不得任意旋转仪器上的旋钮。
2、实验前一定要弄清楚实验流程及其仪器、仪表、设备的功用；检查仪器设备的开关、旋钮的位置是否符合要求。
严格按照实验操作部骤进行实验。
3、试验过程中，调节气量一定要有小到大逐渐慢开启控制阀，不得突然增大，以防损坏流量计和造成事故。
4、计时器停止计数后，必须立即关闭供气电磁阀，打开测液箱排液电磁阀，以防测液箱液体溢出。
5、电磁阀电路皆为220V交流电，控制台后禁止站立和来往。
6、稳压电源电压只能最大选用12V档，不得超过该值，以免烧坏仪器和造成其他事故。
7、实验中，如发生什么故障，应立即关掉电源和供气阀等，在指导教师的指导下排除故障。
两相垂直管流实验报告
附注公式：
泡流界限：
段塞流界限：
雾流界限：
上式中：——水的体积流量，m3/s ——总的流速，m3/s
——管子截面面积，m2
——水的表面张力（取0.0074kg/m）——重力加速度，（取9.81m/s2）——水的重度，(取1000kg/m3) ——管子直径，（取0.032m）。
