多相管流理论与计算课程总学时：课程总学时：3232学时学时课程主体和基础内容：课程主体和基础内容：李宾飞李宾飞 张黎明张黎明 课程前沿及延伸部分：课程前沿及延伸部分： 李明忠李明忠多相流在油气田开发中的应用（多相流在油气田开发中的应用（2-42-4学时）学时） 李兆敏李兆敏泡沫流体流动规律研究及应用（泡沫流体流动规律研究及应用（2 2学时）学时） 王卫阳王卫阳多相流测试技术（多相流测试技术（4 4学时）学时）课程安排课程安排 第一章第一章 概概 论论第一节 引言多相流理论多相流理论多相流体力学理论多相流体力学理论相相 相是体系中具有相同化学组成和物理性质的一部相是体系中具有相同化学组成和物理性质的一部 分，分， 与体系的其它均匀部分由界面隔开与体系的其它均匀部分由界面隔开多相流动体系多相流动体系 两相或两相以上的流体一同参与流动的体系两相或两相以上的流体一同参与流动的体系多相管流多相管流多相多相流体在流体在管道管道中的流动中的流动Multiphase FlowMultiphase Flow多相流动多相流动 两相或两相以上的流体一同参与的流动两相或两相以上的流体一同参与的流动油水混合物：油水混合物： 从相的角度从相的角度 区分为区分为 油相、水相油相、水相 从物质形态看从物质形态看同属液态同属液态 相相物质形态物质形态(气态、液态、固态气态、液态、固态)盐水：盐水： 从相的角度划分只有从相的角度划分只有 液相液相 从组分划分可分为：从组分划分可分为：水和水和NaCl 相相组分组分(指混合物中的各个成分指混合物中的各个成分 )原油？原油？第一节 引言 水水-冰冰 液固两相流液固两相流 水水-水蒸汽水蒸汽 气液两相流气液两相流 泥浆泥浆 液固两相流液固两相流 油油-气气 气液两相流气液两相流 油油-气气-水水 气液液三相流气液液三相流 单工质单工质（相同化学成分）（相同化学成分）多工质多工质（不同化学成分）（不同化学成分）多相流体流动遵循的规律与单相流体并不相同，需引入新多相流体流动遵循的规律与单相流体并不相同，需引入新的理论来反映多相流体流动规律。
的理论来反映多相流体流动规律多相体系：多相体系：水水-冰、水冰、水水蒸汽、泥浆、油气、油气水等水蒸汽、泥浆、油气、油气水等多相体系的类型多相体系的类型第一节 引言热能工程：热能工程：锅炉系统、制冷系统、热管锅炉系统、制冷系统、热管航天技术：航天技术：平衡温差、保护设备平衡温差、保护设备核工业：核工业：汽液两相流动汽液两相流动石油工业：石油工业：两相渗流计算、井控设计、采油工艺设计、两相渗流计算、井控设计、采油工艺设计、油气集输油气集输化工行业：化工行业：工艺设计工艺设计其它行业：其它行业：水利、粉状物管线输送水利、粉状物管线输送多相流应用领域多相流应用领域第一节 引言油气是深埋于地下的油气是深埋于地下的混合流体混合流体矿藏，因此，油气藏的开发与矿藏，因此，油气藏的开发与开采离不开流体力学理论及其分枝开采离不开流体力学理论及其分枝多相流理论多相流理论举例来说，举例来说，油气井压力控制、油气管流计算、举升参数设计、油气井压力控制、油气管流计算、举升参数设计、工况分析、集输设计等，工况分析、集输设计等，都离不开多相流的理论与计算方法都离不开多相流的理论与计算方法多相流理论是贯穿于石油开采全过程的基本理论一、多相流理论在石油工业中的地位和作用一、多相流理论在石油工业中的地位和作用石油工程石油工程(油气井工程和油气田开发工程油气井工程和油气田开发工程)以及以及油气储运工油气储运工程程都与多相流理论有着极为密切的联系。
都与多相流理论有着极为密切的联系钻井工程钻井工程：油气井压力控制油气井压力控制 (含气泥浆的压降计算含气泥浆的压降计算)采油工程采油工程：采油方式优化设计、采油设备的工况分析采油方式优化设计、采油设备的工况分析 （油气混合物在井筒中流动的压降和温度计算）（油气混合物在井筒中流动的压降和温度计算）储运工程储运工程：油气集输管线的设计油气集输管线的设计 （油气混合物在管线中压降和温度的计算）（油气混合物在管线中压降和温度的计算）许多工程设计都将计算多相流体在管道中流动的许多工程设计都将计算多相流体在管道中流动的压降和温度压降和温度一、多相流理论在石油工业中的地位和作用一、多相流理论在石油工业中的地位和作用自喷采油示意图(1)油井能否自喷？油井能否自喷？(2)一一定定产产量量的的油油气气混混合合物物到到达井口时的剩余压力？达井口时的剩余压力？井口油压井口油压井底流压井底流压两相流压降两相流压降自喷生产自喷生产机械采油机械采油(人工举升人工举升)自喷采油设计中的两相流计算自喷采油设计中的两相流计算 气举采油系统示意图气举采油系统示意图 依靠从地面注依靠从地面注入井内的高压气体入井内的高压气体与油层产出流体在与油层产出流体在井筒中混合，井筒中混合，利用利用气体的膨胀使井筒气体的膨胀使井筒中的混合液密度降中的混合液密度降低，低，将流到井内的将流到井内的原油举升到地面。
原油举升到地面气举采油设计中的两相流计算气举采油设计中的两相流计算气举采油及井筒压力分布设计的原则设计的原则：最最大大限限度度地地发发挥挥油油藏藏的的潜潜力力和和地地面面设设备备的的能能力力，获获得最高的产油量得最高的产油量气举采油设计中的两相流计算气举采油设计中的两相流计算常规有杆泵生产地面驱动螺杆泵生产有杆泵采油设计中的两相流计算有杆泵采油设计中的两相流计算 近近年年来来，随随着着陆陆地地油油气气资资源源的的日日趋趋减减少少，石石油油和和天天然然气气勘勘探探开开发发已已转转向向广广阔阔的的海海洋洋早早期期开开发发的的海海上上油油田田都都位位于于浅浅海海水水域域，采采用用的的是是固固定定平平台台采采油油系系统统1965 1965 年年前前，钻钻探探活活动动一一般般小小于于90m 90m 水水深深水水下下采采油油技技术术的的发发展展不不仅仅使使深深海海石石油油开开采采成成为为可可能能，同同时时大大大大降降低低了了深深海海采采油油成成本本，目目前前深深水水(4001500(4001500米米) )和和超超深深水水( (超超过过15001500米米) )海海域域的的油油气气开开发发，已已成成为为美美国国、英英国国、挪威、巴西等国竞相开展的热点。
挪威、巴西等国竞相开展的热点海洋及深水采油中的多相流计算海洋及深水采油中的多相流计算典型的海洋采油系统典型的海洋采油系统固定平台张力腿平台半潜式平台海底管线海底管线浮式生产储油（浮式生产储油（FPSOFPSO）船）船 单点系泊单点系泊单点系泊单点系泊 但当水深达到但当水深达到2000ft(约约600m)时，其温度将下降至时，其温度将下降至40(4.4)左右油气左右油气混合物的热量大量散失，温度会迅速降低，原油和油水乳状液的粘度会明显混合物的热量大量散失，温度会迅速降低，原油和油水乳状液的粘度会明显增加，天然气水合物、蜡、沥青质等固态物质也可能在管道中析出并沉积增加，天然气水合物、蜡、沥青质等固态物质也可能在管道中析出并沉积流动保障流动保障 Flow Assurance海洋及深水采油中的多相流计算海洋及深水采油中的多相流计算“流动保障流动保障” 确保油气的无阻塞流动并使系统的运行费用确保油气的无阻塞流动并使系统的运行费用达到最低达到最低Pipe-in-Pipe保温材料海洋及深水采油中的多相流计算海洋及深水采油中的多相流计算管线管束(flowline bundles)海洋及深水采油中的多相流计算海洋及深水采油中的多相流计算渤渤海海平平均均水水深深18m,最深最深83m 黄海平均水深黄海平均水深44m,最深最深140m 东东海海平平均均水水深深370m,最最深深2719m 南南海海平平均均水水深深1212m,最最 深深5377m石石油油工工业业中中的的多多相相流流技技术术研研究究始始于于1950年年左左右右,早早期期研研究究者者大大多多采采用用实实验验研研究究的的方方法法，所所使使用用的的数数据据主主要要来来自自室室内内实实验验和和油田实际生产油田实际生产 80年代初，计算机的引入极大地促进了多相流的发展年代初，计算机的引入极大地促进了多相流的发展二、多相流理论的研究简史控制方程（机理模型）物理现象流动机理70年代，石油工业开始采用已在其它工业领域中使用的一些年代，石油工业开始采用已在其它工业领域中使用的一些物理机理来预测多相流的流型物理机理来预测多相流的流型80年年代代中中期期应应用用高高新新技技术术及及仪仪器器进进行行多多相相流流的的模模拟拟试试验验，期期望望深深入入认认识识多多相相流流动动现现象象及及流流动动机机理理，从从而而改改进进模模型型，提提高高精度。
精度 核核密密度度计计、超超声声波波传传感感器器、电电导导和和光光导导探探针针、电电容容传传感感器器、 激光多普勒测速仪、高速摄像机等激光多普勒测速仪、高速摄像机等 西安交通大学西安交通大学 动力工程多相流国家重点实验室动力工程多相流国家重点实验室 目目前前，双双流流体体瞬瞬态态模模拟拟方方法法和和精精确确描描述述物物理理现现象象的的稳稳态态机机理模型理模型是多相管流研究的主要方法是多相管流研究的主要方法二、多相流理论的研究简史1、多相流问题未得到解析解、多相流问题未得到解析解2、油气水三相流的研究不过深入、油气水三相流的研究不过深入3、水平井段变质量流动研究较少、水平井段变质量流动研究较少5、缺乏专用研究仪器、缺乏专用研究仪器4、缺乏向下流动的综合机理模型、缺乏向下流动的综合机理模型三、目前存在的问题水平井示意图水平井示意图前次课回顾相的概念相的概念 相是体系中具有相同化学组成和物理性质的一相是体系中具有相同化学组成和物理性质的一部分部分 ，与体系的其它均匀部分有界面隔开，与体系的其它均匀部分有界面隔开相相物质形态物质形态( (气态、液态、固态气态、液态、固态) )例如：水-冰 液固两相流 水-水蒸气 气液两相流 泥浆 液固两相流 油-气 气液两相流 油-气-水 气液液三相流 单工质单工质多工质多工质相相组分组分( (指混合物中的各个成分指混合物中的各个成分 ) )气液两相流基本概念气液两相流基本概念气液两相流的模型气液两相流的模型油藏流体高压物性的计算油藏流体高压物性的计算多相流体的温度分布计算多相流体的温度分布计算垂直气液两相管流压降计算垂直气液两相管流压降计算水平气液两相管流水平气液两相管流压降计算压降计算倾斜气液两相管流的压降计算倾斜气液两相管流的压降计算专题讲座专题讲座课程主要内容课程主要内容 第二节第二节 气液两相管流的基本特征与研究方法气液两相管流的基本特征与研究方法细分散体系细分散体系 细小的液滴或气泡均匀分散在连续相中细小的液滴或气泡均匀分散在连续相中 粗分散体系粗分散体系 较大的气泡或液滴分散在连续相中较大的气泡或液滴分散在连续相中 混合流动型混合流动型 两相均非连续相两相均非连续相 分层流动分层流动 两相均为连续相两相均为连续相 一、基本特征1 1气液两相流的分类气液两相流的分类 Gas-liquid two phase flowGas-liquid two phase flow体系中存在相界面体系中存在相界面 两相之间也存在力的作用，出现质两相之间也存在力的作用，出现质量和能量的交换时伴随着机械能的损失量和能量的交换时伴随着机械能的损失 两相的分布情况多种多样两相的分布情况多种多样 两相流动中两相介质的分布两相流动中两相介质的分布状况称为流型状况称为流型 两相流动中存在滑脱现象两相流动中存在滑脱现象 相间速度的差异称为滑脱相间速度的差异称为滑脱，滑脱将产生附加的能量损失滑脱将产生附加的能量损失 沿程流体体积流量有很大变化，质量流量不变沿程流体体积流量有很大变化，质量流量不变2 气液两相流的基本特征气液两相流的基本特征一、基本特征垂直气液两相流流型 水平气液两相流流型多相流体的主要流型多相流体的主要流型一、基本特征不能简单地用层流或紊流来描述气液两相流不能简单。