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混合后一起流到井筒的根端。根据流体力学理论, 在
此流动过程中, 由于壁面摩擦和流体汇流的影响, 存
在一定的压力损失。取井筒上第 j 条裂缝和第 j + 1
条裂缝之间的一小段进行研究, 如图 1 所示。第 j 条
裂缝左端的入口压力为p

1j

, 出口端的压力为 p

2j

, 入

口速度和出口速度分别为 v

1j

和 v

2j

图 1

  两相邻裂缝处的压力分布

气体从第 j 条裂缝左端流到第j + 1 条裂缝左端

的过程中, 考虑井筒内压降, 由动量定理得

( p

1j

- p

1( j+ 1)

) A - 2 S

w

Pr

w

$L

j

+ p

fj

A

fj

= m

1( j+ 1)

v

1( j+ 1)

- m

1j

v

1j

.

( 2)

其中

  m = QA v .

式中, m 为质量流量; Q 为气体的密度; A 为井筒横
截面积; S

w

为井筒壁面剪切应力。

因为裂缝内的气体在井筒周围作平面 径向流

动, 所以有

  p

fj

A

fj

= 0.

对式( 2) 整理得

p

1j

- p

1( j+ 1)

= $p

w j

+ Q

1( j+ 1)

v

2

1( j+ 1)

- Q

1j

v

2

1j

. ( 3)

其中

  $p

w j

= S

w

PD $L

j

/ A = 2 S

w

$L

j

/ r

w

.

( 4)

式中, $p

w j

为由壁面剪切应力造成的摩擦压力降。

S

w

=

f Qv

2

8 ,

则式( 4) 可写为

  $p

w j

= f

j

Q

j

v

2

j

4 r

w

$L

j

.

( 5)

式中, f

j

为第j 段水平井筒壁面摩擦系数, 其大小与

管壁粗糙度和流动状态有关。

式( 3) 右边后两项可认为是由动量变化造成的

加速压力降, 记为

  $p

accj

= Q

1( j+ 1)

v

2

1( j+ 1)

- Q

1j

v

2

1j

.

( 6)

由于裂缝处之外的其他井筒部分没有气体的流入,
此压力降只在裂缝处产生, 所以上式又可写为

  $p

accj

= p

1j

- p

2j

= Q

2j

v

2

2j

- Q

1j

v

2

1j

.

( 7)

由以上分析可知, 井筒内的压降可分为两部分: 摩擦
压力降和加速压力降

将式( 5) 写为微分形式

  dp

dl

= - f

Qv

2

4r

w

.

( 8)

式中的负号表示压力随 l 的增长逐渐下降。

气体的密度可用下式计算:

  Q=

M

air

C

g

p

RTZ

.

( 9)

式中, C

g

为天然气的相对密度; M

air

为干燥空气的

视摩尔质量, kg/ mol。利用气体的状态方程可得到速
度 v 的计算式

  v =

p

sc

q

sc

T Z

p Pr

2

w

T

sc

.

( 10)

所以式( 8) 又可写为

  dp

dl

= - f

M

air

C

g

R

p

2

sc

q

2

sc

T Z

4P

2

p r

5

w

T

2

sc

.

( 11)

对式( 11) 在第 j 条裂缝右端到第j + 1 条裂缝左

端的井筒内积分, 可得

p

2

2j

- p

2

1( j+ 1)

= f

j

M

air

C

g

R

p

2

sc

q

2

scj

T Z

2P

2

r

5

w

T

2

sc

$L

j

,

j = 1, 2, ,, N - 1.

( 12)

当 N 为奇数时, $L

j

=

d , j X N ;

d / 2, j = N ;

当 N 为偶数时, $L

j

=

2d , j X N ;

d , j = N .

Q和 v 的计算式代入式( 7) 得

p

1j

- p

2j

=

M

air

C

g

p

2

sc

T Z

R P

2

r

4

w

T

2

sc

q

2

scj

p

2j

-

q

2

sc( j- 1)

p

1j

,

j = 2, 3, ,, N - 1.

( 13)

在末端裂缝处流体的流动可看作是在弯曲的管

子中的流动, 不会因质量的增加而产生加速压力降,
所以, j = 1 时有

  p

1j

- p

2j

= 0,

( 14)

  p

1j

= p

2j

.

( 15)

第 j 段井筒壁面的摩擦系数f

j

可由下式计算得

到:

f

j

=

64

Re

j

, Re

j

[ 2000;

1

f

j

= 1. 14- 2ln

e

2r

w

+

21. 25

Re

0. 9

j

, Re

j

\ 4 000.

( 16)

由 Re =

2Qvr

w

L

可得

  Re

j

=

2M

air

C

g

p

sc

q

scj

Pr RT L .