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课程 石油工程课程设计
题目 井筒压力分布计算
专业 石油工程 姓名 赵二猛 学号
重要内容、基本规定、重要参考资料等
设计重要内容：
根据已有的基础数据，运用所学的专业知识，完毕自喷井系统从井口到井底的所有相关参数的计算，最终计算井筒内的压力分布。
① 计算出油井温度分布； ② 拟定平均温度压力条件下的参数；
③ 拟定出摩擦阻力系数； ④ 拟定井筒内的压力分布；
2. 设计基本规定：
规定学生选择一组基础数据，在教师的指导下独立地完毕设计任务，最终以设计报告的形式完毕本专题设计，设计报告的具体内容如下：
① 概述； ② 基础数据； ③ 能量方程理论； ④气液多相垂直管流压力梯度的摩擦损失系数法； ⑤ 设计框图及结果； ⑥ 结束语； ⑦ 参考文献。
设计报告采用统一格式打印，规定图表清楚、语言流畅、书写规范，论据充足、说服力强，达成工程设计的基本规定。
3. 重要参考资料：
王鸿勋，张琪等，《采油工艺原理》，石油工业出版社，1997
陈涛平等，《石油工程》，石油工业出版社，2023
万仁溥等，《采油技术手册第四分册－机械采油技术》，石油工业出版社，1993
完毕期限 2023年7月1日—2023年7月20日
指导教师 张文
专业负责人 王立军
2023年6月25日
目 录
第1章 概 述 1
设计的目的和意义 1
设计的重要内容 1
第2章 基础数据 2
第3章 能量方程理论 3
能量方程的推导 3
6
第4章 气液多相垂直管流压力梯度的摩擦损失系数法 8
基本压力方程 8
平均密度平均流速的拟定方法 8
摩擦损失系数的拟定 11
油气水高压物性参数的计算方法 12
井温分布的的计算方法 16
实例计算 17
第5章 设计框图及结果 21
设计框图 21
设计结果 22
结束语 29
参考文献 30
附 录 31
第1章 概 述
设计的目的和意义
目的：拟定井筒内沿程压力损失的流动规律，完毕自喷井系统从井口到井底的所有相关参数的计算，运用深度迭代方法计算多相垂直管流的压力分布。
意义：运用所学的专业知识，结合已有的基础数据，最终计算井筒内的压力分布。对于油气井的优化设计、稳产高产及测试技术的预测性与精确性具有重要的现实意义。
设计的重要内容
根据已有的基础数据，运用所学的专业知识，完毕自喷井系统从井口到井底的所有相关参数的计算，最终计算井筒内的压力分布。
① 计算出油井温度分布； ② 拟定平均温度压力条件下的参数；
③ 拟定出摩擦阻力系数； ④ 拟定井筒内的压力分布；
详见第四章。
第2章 基础数据
数据表见下表（表2-1）
表2-1 基础数据表
地面脱气原油密度
（kg/m3）
841
地层水比热
（J/kg℃）
4400
天然气密度
（kg/m3）
天然气比热
（J/kg℃）
2227
水密度
（kg/m3）
1000
天然气分类
（贫气或富气）
富气
水油比
（m3/m3）
井号
B1-112-P56
井口温度
（℃）
15
井深
（m）
1082
地温梯度
（℃/100m）
油管内径
（mm）
62
传热系数
（W/m℃）
油压
（MPa）
饱和压力
（MPa）
日产油量
（t/d）
原油比热
（J/kg℃）
2200
日产气量
（m3/d）
第3章 能量方程理论
能量方程的推导
流体流动系统都可根据能量守恒定律写出两个流动断面间的能量平衡关系：
︱进入断面1的流体能量︱+︱在断面1和2之间对流体额外所做的功︱-︱在断面1和2之间耗失的能量︱=︱从断面2流出的流体的能量︱
根据流体力学及热力学,对质量为m的任何流动的流体，在某一状态参数下（P、T）和某一位置上所具有的能量涉及：内能U；位能mgh；动能；压缩或膨胀能。
据此，就可以写出多相管流通过断面1和断面2的流体的能量平衡关系。为了得到各种管流能量平衡的普遍关系，选用倾斜管流。
（3-1）
式中 —流体质量，公斤；
—流体体积，；
—压力，帕；
—重力加速度， ；
—管子中心线与参考水平面之间的夹角，度；
— 液流断面沿管子中心线到参考水平面的距离，，米；
图1-1 流体流动示意图
—流体的内能，涉及分子运动所具有的内部动能及分子间引力引起的内部位能以及化学能、电能等，焦尔；
—流体通过断面的平均流速，米/秒。
（3-1）式中，除了内能外，其他参数可用测量的办法求得。内能虽然不能直接测量和计算其绝对值，但可求得两种状态下的相对变化。根据热力学第一定律，对于可逆过程：
或
式中 dq为系统与外界互换的热量；
dU和pdV分别为系统进行热互换时，在系统内所引起的流体内能的变化和由于流体体积改变dV后克服外部压力所做的功。
对于像我们这里所研究的这种不可逆过程来讲：
式中 dqr—摩擦产生的热量。
若以dlw表达摩擦消耗的功，，则由上式可得：
或 （3-2）
改写（3-1）式，可得到两个流动断面之间的能量平衡方程：
（3-1a）
将（3-1a）式写成微分形式：
（3-1b）
将（3-2）式代入（3-1b）式，并简化后得：
（3-3）
积分上式我们就可得到压力为P1和P2两个流动断面的能量平衡方程：
（3-3a）
取单位质量的流体m=1，将代入（3-3）式后得：
（3-3b）
式中 ρ—流体密度，。
用压力梯度表达，则可写为：
（3-4）
由此可得：
式中 ——单位管长上的总压力损失（总压力降）；
——由于动能变化而损失的压力或称加速度引起的压力损失；
——克服流体重力所消耗的压力；
——克服各种摩擦阻力而消耗的压力。
令
则
根据流体力学管流计算公式
式中 f——摩擦阻力系数；
d——管径，米。
在Z的方向为由下而上的坐标系中为负值，假如我们取为正值，则
（3-5）
（3-5）式是适合于各种管流的通用压力梯度方程。
对于水平管流，因θ=0，。若用x表达水平流动方向的坐标，则 （3-6）
对于垂直管流，,sinθ=1 ，若以h表达高度，则
（3-7）
为了强调多相混合物流动，将方程中的各项流动参数加下角标“m”,则
式中 ρm——多相混合物的密度；
vm——多相混合物的流速；
fm——多相混合物流动时的摩擦阻力系数。
单相垂直管液流的；单相水平管液流的及均为零。对于气-液多相管流，假如流速不大，则很小，可以忽略不计。
只规定得ρm、vm及fm就可计算出压力梯度。但是，如前所述，多相管流中这些参数沿程是变化的，并且在不同流动型态下的变化规律也各不相同。所以，研究这些参数在流动过程中的变化规律及计算方法是多相管流研究的中心问题。不同研究者通过实验研究提出了各自计算这些参数的方法。
多相垂直管流压力分布计算环节
按气液两相管流的压力梯度公式计算沿程压力分布时，影响流体流动规律的各相物理参数(密度、粘度等)及混合物的密度、流速都随压力和温度而变，而沿程压力梯并不是常数，因此气液两相管流要分段计算以提高计算精度。同时计算压力分布时要先给出相应管段的流体物性参数，而这些参数又是压力和温度的函数，压力却又是计算中规定的未知数。因此，通常每一管段的压力梯度均需采用迭代法进行。有两种迭代方法：用压差分段、按长度增量迭代和用长度分段、按压力增量迭代。
用压差分段、按长度增量迭代的环节是：
1) 已知任一点(井口或井底)的压力作为起点，任选一个合适的压力降作为计算的压力间隔；
2) 估计一个相应的长度增量,以便根据温度梯度估算该段下端的温度；
3) 计算该管段的平均温度及平均压力，并拟定在该和下的所有流体性质参数；
4) 计算该管段的压力梯度
5) 计算相应于的该段管长
；
6) 将第5)步计算得的与第2)步估计的进行比较，两者之差超过允许范围，则以计算的作为估计值，反复2)～5)的计算，直至两者之差在允许范围内为止；
7) 计算该管段下端相应的长度及压力
=,(i=1,2,3,…,n)
8) 以处的压力为起点，反复第2)～7)步，计算下一管段的长度和压力，直到各段的累加长度等于或大于管长(