【正文】 東北石油大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程 石油工程課程設(shè)計(jì) 題目 井筒壓力分布計(jì)算 專業(yè) 石油工程 姓名 趙二猛 學(xué)號(hào) 100302240115 主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等1. 設(shè)計(jì)主要內(nèi)容：根據(jù)已有的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，完成自噴井系統(tǒng)從井口到井底的所有相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，最終計(jì)算井筒內(nèi)的壓力分布。① 計(jì)算出油井溫度分布； ② 確定平均溫度壓力條件下的參數(shù)；③ 確定出摩擦阻力系數(shù)； ④ 確定井筒內(nèi)的壓力分布；2. 設(shè)計(jì)基本要求：要求學(xué)生選擇一組基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在教師的指導(dǎo)下獨(dú)立地完成設(shè)計(jì)任務(wù)，最終以設(shè)計(jì)報(bào)告的形式完成本專題設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)報(bào)告的具體內(nèi)容如下：① 概述； ② 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)； ③ 能量方程理論； ④氣液多相垂直管流壓力梯度的摩擦損失系數(shù)法； ⑤ 設(shè)計(jì)框圖及結(jié)果； ⑥ 結(jié)束語； ⑦ 參考文獻(xiàn)。設(shè)計(jì)報(bào)告采用統(tǒng)一格式打印，要求圖表清晰、語言流暢、書寫規(guī)范，論據(jù)充分、說服力強(qiáng)，達(dá)到工程設(shè)計(jì)的基本要求。3. 主要參考資料：王鴻勛，張琪等，《采油工藝原理》，石油工業(yè)出版社，1997陳濤平等，《石油工程》，石油工業(yè)出版社，2000萬仁溥等，《采油技術(shù)手冊(cè)第四分冊(cè)－機(jī)械采油技術(shù)》，石油工業(yè)出版社，1993完成期限 2013年7月1日—2013年7月20日指導(dǎo)教師 張文 專業(yè)負(fù)責(zé)人 王立軍 2013年6月25日38 / 48目 錄第1章 概 述 1 設(shè)計(jì)的目的和意義 1 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 1第2章 基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 2第3章 能量方程理論 3 能量方程的推導(dǎo) 3 6第4章 氣液多相垂直管流壓力梯度的摩擦損失系數(shù)法 8 基本壓力方程 8 平均密度平均流速的確定方法 8 摩擦損失系數(shù)的確定 11 油氣水高壓物性參數(shù)的計(jì)算方法 12 井溫分布的的計(jì)算方法 16 實(shí)例計(jì)算 17第5章 設(shè)計(jì)框圖及結(jié)果 21 設(shè)計(jì)框圖 21 設(shè)計(jì)結(jié)果 22結(jié)束語 29參考文獻(xiàn) 30附 錄 31第1章 概 述 設(shè)計(jì)的目的和意義目的：確定井筒內(nèi)沿程壓力損失的流動(dòng)規(guī)律，完成自噴井系統(tǒng)從井口到井底的所有相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，運(yùn)用深度迭代方法計(jì)算多相垂直管流的壓力分布。意義：利用所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，結(jié)合已有的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，最終計(jì)算井筒內(nèi)的壓力分布。對(duì)于油氣井的優(yōu)化設(shè)計(jì)、穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)及測(cè)試技術(shù)的預(yù)測(cè)性與精確性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容根據(jù)已有的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，完成自噴井系統(tǒng)從井口到井底的所有相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，最終計(jì)算井筒內(nèi)的壓力分布。① 計(jì)算出油井溫度分布； ② 確定平均溫度壓力條件下的參數(shù)；③ 確定出摩擦阻力系數(shù)； ④ 確定井筒內(nèi)的壓力分布； 詳見第四章。第2章 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)表見下表（表21）表21 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表地面脫氣原油密度（kg/m3）841地層水比熱（J/kg℃）4400天然氣密度（kg/m3）天然氣比熱（J/kg℃）2227水密度（kg/m3）1000天然氣分類（貧氣或富氣）富氣水油比（m3/m3）井號(hào)B1112P56井口溫度（℃）15井深（m）1082地溫梯度（℃/100m）油管內(nèi)徑（mm）62傳熱系數(shù)（W/m℃）油壓（MPa）飽和壓力（MPa）日產(chǎn)油量（t/d）原油比熱（J/kg℃）2200日產(chǎn)氣量（m3/d）第3章 能量方程理論 能量方程的推導(dǎo) 流體流動(dòng)系統(tǒng)都可根據(jù)能量守恒定律寫出兩個(gè)流動(dòng)斷面間的能量平衡關(guān)系：︱進(jìn)入斷面1的流體能量︱+︱在斷面1和2之間對(duì)流體額外所做的功︱︱在斷面1和2之間耗失的能量︱=︱從斷面2流出的流體的能量︱ 根據(jù)流體力學(xué)及熱力學(xué),對(duì)質(zhì)量為m的任何流動(dòng)的流體，在某一狀態(tài)參數(shù)下（P、T）和某一位置上所具有的能量包括：內(nèi)能U；位能mgh；動(dòng)能；壓縮或膨脹能。 據(jù)此，就可以寫出多相管流通過斷面1和斷面2的流體的能量平衡關(guān)系。為了得到各種管流能量平衡的普遍關(guān)系，選用傾斜管流。 （31）式中 —流體質(zhì)量，公斤； —流體體積，； —壓力，帕； —重力加速度， ； —管子中心線與參考水平面之間的夾角，度； — 液流斷面沿管子中心線到參考水平面的距離，米； 圖11 流體流動(dòng)示意圖 —流體的內(nèi)能，包括分子運(yùn)動(dòng)所具有的內(nèi)部動(dòng)能及分子間引力引起的內(nèi)部位能以及化學(xué)能、電能等，焦?fàn)枺?—流體通過斷面的平均流速，米/秒。（31）式中，除了內(nèi)能外，其他參數(shù)可用測(cè)量的辦法求得。內(nèi)能雖然不能直接測(cè)量和計(jì)算其絕對(duì)值，但可求得兩種狀態(tài)下的相對(duì)變化。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，對(duì)于可逆過程：或式中 dq為系統(tǒng)與外界交換的熱量；dU和pdV分別為系統(tǒng)進(jìn)行熱交換時(shí)，在系統(tǒng)內(nèi)所引起的流體內(nèi)能的變化和由于流體體積改變dV后克服外部壓力所做的功。對(duì)于像我們這里所研究的這種不可逆過程來講：式中 dqr—摩擦產(chǎn)生的熱量。若以dlw表示摩擦消耗的功，則由上式可得： 或 （32）改寫（31）式，可得到兩個(gè)流動(dòng)斷面之間的能量平衡方程： （31a）將（31a）式寫成微分形式： （31b）將（32）式代入（31b）式，并簡(jiǎn)化后得： （33）積分上式我們就可得到壓力為P1和P2兩個(gè)流動(dòng)斷面的能量平衡方程： （33a）取單位質(zhì)量的流體m=1，將代入（33）式后得： （33b）式中 ρ—流體密度。用壓力梯度表示，則可寫為： （34）由此可得： 式中 ——單位管長(zhǎng)上的總壓力損失（總壓力降）；——由于動(dòng)能變化而損失的壓力或稱加速度引起的壓力損失；——克服流體重力所消耗的壓力；——克服各種摩擦阻力而消耗的壓力。令 則 根據(jù)流體力學(xué)管流計(jì)算公式式中 f——摩擦阻力系數(shù)； d——管徑，米。在Z的方向?yàn)橛上露系淖鴺?biāo)系中為負(fù)值，如果我們?nèi)檎?，則 （35）（35）式是適合于各種管流的通用壓力梯度方程。 對(duì)于水平管流，因θ=0。若用x表示水平流動(dòng)方向的坐標(biāo)，則 （36）對(duì)于垂直管流，,sinθ=1 ，若以h表示高度，則 （37） 為了強(qiáng)調(diào)多相混合物流動(dòng)，將方程中的各項(xiàng)流動(dòng)參數(shù)加下角標(biāo)“m”,則式中 ρm——多相混合物的密度； vm——多相混合物的流速； fm——多相混合物流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力系數(shù)。單相垂直管液流的；單相水平管液流的及均為零。對(duì)于氣液多相管流，如果流速不大，則很小，可以忽略不計(jì)。只要求得ρm、vm及fm就可計(jì)算出壓力梯度。但是，如前所述，多相管流中這些參數(shù)沿程是變化的，而且在不同流動(dòng)型態(tài)下的變化規(guī)律也各不相同。所以，研究這些參數(shù)在流動(dòng)過程中的變化規(guī)律及計(jì)算方法是多相管流研究的中心問題。不同研究者通過實(shí)驗(yàn)研究提出了各自計(jì)算這些參數(shù)的方法。 多相垂直管流壓力分布計(jì)算步驟 按氣液兩相管流的壓力梯度公式計(jì)算沿程壓力分布時(shí)，影響流體流動(dòng)規(guī)律的各相物理參數(shù)(密度、粘度等)及混合物的密度、流速都隨壓力和溫度而變，而沿程壓力梯并不是常數(shù)，因此氣液兩相管流要分段計(jì)算以提高計(jì)算精度。同時(shí)計(jì)算壓力分布時(shí)要先給出相應(yīng)管段的流體物性參數(shù)，而這些參數(shù)又是壓力和溫度的函數(shù)，壓力卻又是計(jì)算中要求的未知數(shù)。因此，通常每一管段的壓力梯度均需采用迭代法進(jìn)行。有兩種迭代方法：用壓差分段、按長(zhǎng)度增量迭代和用長(zhǎng)度分段、按壓力增量迭代。 用壓差分段、按長(zhǎng)度增量迭代的步驟是： 1) 已知任一點(diǎn)(井口或井底)的壓力作為起點(diǎn)，任選一個(gè)合適的壓力降作為計(jì)算的壓力間隔； 2) 估計(jì)一個(gè)對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度增量,以便根據(jù)溫度梯度估算該段下端的溫度； 3) 計(jì)算該管段的平均溫度及平均壓力，并確定在該和下的全部流體性質(zhì)參數(shù)；4) 計(jì)算該管段的壓力梯度5) 計(jì)算對(duì)應(yīng)于的該段管長(zhǎng) ； 6) 將第5)步計(jì)算得的與第2)步估計(jì)的進(jìn)行比較，兩者之差超過允許范圍，則以計(jì)算的作為估計(jì)值，重復(fù)2)～5)的計(jì)算，直至兩者之差在允許范圍內(nèi)為止； 7) 計(jì)算該管段下端對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度及壓力=,(i=1,2,3,…,n) 8) 以處的壓力為起點(diǎn)，重復(fù)第2)～7)步，計(jì)算下一管段的長(zhǎng)度和壓力，直到各段的累加長(zhǎng)度等于或大于管長(zhǎng)(≥L)時(shí)為止。第4章 氣液多相垂直管流壓力梯度的摩擦損失系數(shù)法 基本壓力方程摩擦損失系數(shù)法計(jì)算壓力梯度的基本方程： 式中　——計(jì)算段的混合物平均密度，kg/m3；——計(jì)算段的混合物平均流速，m/s；——計(jì)算段的摩擦損失系數(shù)，無因次；D——管徑，m；g——重力加速度，；——計(jì)算管段的平均壓力梯度，Pa/m。如果用混合物流量表示流速，則上式可寫成：式中　q0——地面脫氣原油的產(chǎn)量，m3/s； Wt——隨1 m3地面脫氣原油同時(shí)產(chǎn)出的油、水、氣混合物的總質(zhì)量，Kg/m3；其他符號(hào)及單位同前。、平均流速的確定方法 自噴井沿井筒自下而上各個(gè)流過斷面處油、氣、水混合物質(zhì)量是始終不變的，而體積流量Qmt和平均流速逐漸增大，所以油、氣、水混合物的重度逐漸減小。但是，油井穩(wěn)定生產(chǎn)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)的地面（脫氣）原油體積是不變的，并從生產(chǎn)日?qǐng)?bào)表中直接查到。為了找出油、氣、水混合物的體積流量Qmt沿井筒的變化規(guī)律，取固定值1m3地面脫氣原油的體積，作為研究混合液流的參考值，則有：式中 q0——產(chǎn)油量，m3/s；Vt——在某壓力和溫度下，伴隨每生產(chǎn)1m3地面脫氣原油的油、水、氣總體積m3，/m3,即：地面每生產(chǎn)1m3脫氣原油，在壓力P和溫度T下油應(yīng)具有的體積，等于1m3脫氣原油乘以該壓力、溫度條件下的體積系數(shù)。Bo隨壓力P和溫度T的變化關(guān)系，可由高壓物性資料得出。當(dāng)?shù)孛婷可a(chǎn)1m3脫氣原油時(shí)，在壓力P和溫度T下，水應(yīng)具有的體積可通過生產(chǎn)油水比Vw來表示。生產(chǎn)油水比等于產(chǎn)油量比產(chǎn)油量，單位為m3/ m3。由于水壓縮性很小，可以認(rèn)為井筒內(nèi)各流過斷面處水的體積是不變的。當(dāng)?shù)孛婷可a(chǎn)1m3脫氣原油時(shí)，在壓力P和溫度T下天然氣應(yīng)具有的體積Vg可作如下分析，并通過氣體狀態(tài)方程式求得。設(shè)Rp生產(chǎn)油氣比，等于產(chǎn)氣量比產(chǎn)油量，m3/ m3；Rs溶解油氣比，m3/ m3。即在壓力P和溫度T下，溶解在相當(dāng)于1m3地面脫氣原油中的天然氣量。所以原來在壓力P和溫度T時(shí)，伴隨每生產(chǎn)1m3地面脫氣原油的天然在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下所占有的體積為：但是，還需要?dú)庑轄顟B(tài)方程式將Vg0換算到某壓力P與溫度T下的體積。根據(jù)氣體狀態(tài)方程式，知：式中 P0——標(biāo)況壓力（絕對(duì)），100KPa；T0——標(biāo)況溫度，293K；Vg0——在標(biāo)準(zhǔn)壓力和溫度下的天然氣的體積，m3；P——壓力（絕對(duì)），Pa；T——溫度，K；Vg——在壓力P和溫度T下的天然氣的體積，m3；Z0、Z——?dú)怏w在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)與某壓力、溫度下的壓縮因子、無因次。所以，當(dāng)Z0=1時(shí)，由上式可整理得：由上面兩式可得出當(dāng)?shù)孛婷可a(chǎn)1m3脫氣原油時(shí)，在壓力P和溫度T下，天然氣（自由氣）應(yīng)具有的體積為：綜合以上的分析，當(dāng)?shù)孛婷可a(chǎn)1m3脫氣時(shí)，在某流過斷面處油、氣、水混合物在壓力P和溫度T下的體積為：當(dāng)P1和P2相差不大時(shí)，可以用上式來計(jì)算某壓力（P1和P2）和溫度（T1和T2）范圍內(nèi)Vt的平均值。只是上式中P應(yīng)該采用P1和P2的平均值Pavg，T應(yīng)該采用該溫度范圍的平均值Tavg。其它隨壓力和溫度而變化的各值如Bo、Z、Rs等也應(yīng)該采用Pavg和Tavg下的值。于是得：平均密度為：式中 ——在平均壓力和平均溫度下，油、氣、水混合物的密度，Kg/m3；Wt——與1m3地面脫氣原油同時(shí)產(chǎn)出的油、氣、水混合物總質(zhì)量，Kg/m3；——與1m3地面脫氣原油同時(shí)產(chǎn)出的油、氣、水混合物在平均壓力和平均溫度下的總體積，m3/ m3?？傎|(zhì)量Wt為：式中 ρo——地面脫氣原油