旋流扶正器作用下环空中气液两相螺旋流场压降研究

杨树人，金 卓，常 敏

（1.东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆163318；

2.大庆油田技术监督中心油田产品质量监督检验所，黑龙江大庆163712） ＊

旋流扶正器作用下环空中气液两相螺旋流场压降研究

杨树人1，金 卓1，常 敏2

（1.东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆163318；

2.大庆油田技术监督中心油田产品质量监督检验所，黑龙江大庆163712）＊

目前国内外对于旋流扶正器作用下环空中螺旋流场的研究主要针对单相流体。结合两相流的特点，借助于螺旋角的概念，修正了达西公式中的沿程阻力系数的计算公式，最终得到了环空中气液两相螺旋流场压降的计算方法，并进行了试验验证。运用VB语言编写了环空中气液两相螺旋流计算分析软件，分析了螺旋流场的非线性衰减特征。

扶正器；气液两相；螺旋流：压降

在油气井的井筒中安装旋流扶正器，在提高套管居中度的同时，所产生的螺旋流也会引起环空流体流速分布和压力分布的变化［1－3］，因此有必要进一步探索螺旋扶正器作用下的环空中气、液两相螺旋流的流动规律，得出气、液两相螺旋流压降的计算方法。

近年来，国内外学者已经做了一些研究，例如舒秋贵［4］在2006年就提出了螺旋流场的压降公式。但这些研究还都局限于对单相流体的研究，对于旋流扶正器作用下环空中气、液两相螺旋流体的研究至今未见报道。油田的大部分采出液都是含气的。因此，本文就井下环空中螺旋扶正器作用下气、液两相螺旋流的压降公式进行推导，并通过试验对公式的准确性进行验证；同时，运用VB语言编写程序绘制出环空中气、液两相螺旋流场的压降梯度沿程变化曲线，进而得到了螺旋流场的衰减特征。

1 理论研究及压降计算式推导

当气、液两相混合物在井筒中从上至下作稳定流动时，可以认为井筒从上至下气、液两相混合物的总水头损失近似依照单相流体水头损失的计算公式——达西公式进行计算。因此，先通过达西公式对环空中气、液两相螺旋衰减流场阻力损失进行分析。

对于环空中一维轴向流微元段阻力损失的达西公式为

式中，dhfz为微元段阻力损失，m；D为环控水力直径，m；dz为流体流经长度，m；g为重力加速度，m／s2；u为混合物的环空平均流速，m／s（对于一维轴向流，u即为混合物流体主流平均流速）；λz为阻力系数，无因次。

对于环空中气、液两相螺旋衰减流场，因其流体是以螺旋形式流动的，故其实际流程便不再是dz，而是流体质点螺旋运动轨迹dls（如图1），这个运动轨迹是与沿程旋流角的变化相关的。

图1 螺旋流场流体质点流程

由图1分析可得

式中，φh为旋流扶正器导叶有效高度系数，无因次；θ为导叶导流角，（°）；z为距离旋流扶正器轴向距离，m。

1.2 λz的计算

λz为螺旋流场的阻力系数，无因次。其求法为

其中，

气、液两相混合物虽然与单相液体的流动有一些共同之处，但也有其特殊性。混合物的流动形态是多种多样的，并且深受气液质量比的影响。因而，在油、气、水混合物流动时，影响阻力系数的因素较单相液体流动时的要复杂得多。其中，两相混合物雷诺数的经验公式为［7］

式中，Reg为气相雷诺数，无因次；Rel为液相雷诺数，无因次；x为气液质量比，等于某过流断面处气体与液体的质量比。

其中，

式中，Gg为在压力p和温度T下气相的质量流量，kg／s；Gl为在压力p和温度T下液相的质量流量，kg／s；ρng为生产的天然气的密度，kg／m3；μg为在压力压力p和温度T下气相的黏度，Pa·s；μl为在压力p和温度T下液相的黏度，Pa·s。

1.3 压降公式

经过上述相关参数的分析，可推导出压降计算式。将式（5）代入式（4）得

其中，z′＝z／D。

要求出沿程总阻力损失，只需对上式进行积分，即

式中，z′1为无因次积分段长，可根据旋流扶正器的安放间距［8］确定。

式（8）可通过数值求解，最终得到压降计算式，即

由上述计算式可以求得环空中气、液两相螺旋流压降梯度的计算式为

2 计算实例及分析

2.1 计算参数

已知产液量为18m3／d，产气量为50m3／d，水力直径为0.035m，扶正器导叶有效高度系数为0.92，导流角为45°。

2.2 压降与距离的关系

应用VB程序计算环空中气、液两相螺旋流压降梯度沿程的变化，并绘制出相应曲线，得出环空中气、液两相螺旋流压降梯度变化的整体趋势［9］，如图2所示。

图2 环空中气液两相螺旋流场压力梯度沿程变化

由图2可以看出：环空中气、液两相螺旋流流场压降梯度是呈非线性降低的，且初始降低的速率较快，随着与扶正器间的距离加大，压力降低的速率会逐渐降低，最后近似转化为线性降低。

3 试验验证

为了验证上述所推导计算式的准确性，进行了相关试验。该试验使用倒U形管测压计进行压力测量，其中旋流扶正器倒角为45°，导叶有效高度系数为0.92［10］。分别测量距离扶正器z′＝10、20、30、40、50、60、70m处的压力值，并计算出相应压降。试验所得数据与计算所得数据对比结果如表1。

表1 计算所得压降与试验测得压降数据对比

由表1可以看出：在各截面处试验所测得的压降值与计算所得压降值之间的误差均在±5%内。由此可验证该扶正器作用下气、液两相螺旋流的压降公式具有一定准确性，在油田工程上具有实用价值。

4 结论

1） 推导出在扶正器作用下环空中气、液两相螺旋流的压降公式，并通过相关试验验证了该公式的准确性，从而证明该公式可以在工程中应用。

2） 环空中气、液两相螺旋流流场压降梯度是呈非线性降低的，且初始降低速率较快。随着与扶正器间的距离加大，压力降低的速率会逐渐降低，最后近似转化为线性降低。

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Pressure Drop Study on Annular Helical Gas－liquid Two－phase Flow Field under Action of Cyclone Centralizer

YANG Shu－ren1，JIN Zhuo1，CHANG Min2
（1.College of Petroleum Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing163318，China；2.Product Quality Supervision and Inspection Institute，Daqing Oilfield，Daqing163712，China）

In order to break the limitations that the study on the annular helical gas－liquid twophase flow field under action of cyclone centralizer are mainly concerned with monophasic fluid，the characteristics of the gas－liquid two－phase flow should be combined.Meanwhile，by means of using the concept of the helical angle，the frictional resistance coefficient in Darcy＇s equation is revised，and the computational method of the pressure drop on annular helical gas－liquid two－phase flow field under action of cyclone centralizer is obtained.The method is checked by conducting an experiment.Using VB to program a software to analyze the gas－liquid two－phase flow in annular helical，it is found that the pressure drop of the annular helical gas－liquid two phase flow field appears in the nonlinear attenuation.

centralizer；gas－liquid two－phase flow；helical flow；pressure drop

1001－3482（2012）07－0015－04

TE925.2

A

2012－01－20

杨树人（1963－），男，黑龙江明水人，教授，博士，主要从事非牛顿流体力学、计算流体力学和多相流体力学等方面的研究。