管道砂沉积与流体携砂临界速度研究进展及展望北大核心CSCD

本文系统阐述了国内外管道砂沉积的研究成果,总结了基于管道砂砾运动状态及分布、细颗粒表面物理化学作用及临界速度对颗粒运动状态的转变等的砂沉积机理;介绍了颗粒属性、流体介质及管道结构等因素对单相流体携砂及多相流体携砂的影响,重点分析了颗粒尺寸、液相黏度及多相流流型等因素的影响;介绍了国内外现有的管道流体携砂临界速度建模方法,重点分析了由单相流体携砂临界速度模型扩展至多相流的方法。最后指出未来多相流管道砂沉积问题的研究应从砂沉积机理入手,探索多相流管道砂沉积及运输的影响机制,确定关键影响因素,并结合多相流动机理建立准确性高、适用性强的预测模型。     

管道砂沉积与流体携砂临界速度研究进展及展望

本文系统阐述了国内外管道砂沉积的研究成果,总结了基于管道砂砾运动状态及分布、细颗粒表面物理化学作用及临界速度对颗粒运动状态的转变等的砂沉积机理;介绍了颗粒属性、流体介质及管道结构等因素对单相流体携砂及多相流体携砂的影响,重点分析了颗粒尺寸、液相黏度及多相流流型等因素的影响;介绍了国内外现有的管道流体携砂临界速度建模方法,重点分析了由单相流体携砂临界速度模型扩展至多相流的方法。最后指出未来多相流管道砂沉积问题的研究应从砂沉积机理入手,探索多相流管道砂沉积及运输的影响机制,确定关键影响因素,并结合多相流动机理建立准确性高、适用性强的预测模型。     

疏松砂岩油藏出砂机理研究

测定了引起疏松砂岩出砂的门限流速及导致岩石结构破坏、大量出砂的临界井底流压,描述了计算门限流速和临界井底流压的数学模型及方法。研究表明,门限流速是储层特性、流体粘度、离子价数和电解质浓度的函数,储层一定时。流体粘度越大,以及离子价数、电解质浓度越低,门限流速越小,越易引起出砂而损害储层;而临界井底流压主要决定于岩石的强度参数和地应力分布等,对于同一储层,不同井深处的临界井底流压也会不同。研究结果在7—39—405井得到了现场应用。     

疏松砂岩油层出砂机理室内研究

建立径向流物理模型,由径向流动模拟油井生产过程,通过改变试验流体粘度、流体流动速度,测试模拟油层的临界出砂流速、流体粘度与临界出砂流速、出砂量的关系;通过解剖砂体、观察描述出砂剖面,分析油层出砂机理和出砂规律。结果表明疏松砂岩油层出砂是由于岩石结构变化和破坏导致渗流场变化引起的。     

单相流与多相流试井解释的等效性研究

虽然解析方法只能模拟单相渗流的流动规律,但现场多用解析试井进行多相流压力数据的试井解释工作。为此进行二者等效性的研究,利用数值试井软件研究了单相试井解释与多相流试井解释间的关系、单相流体的粘度折算方法。研究表明当渗透率按相渗曲线折算、按含水率折算单相流体的粘度时,单相试井解释与多相试井解释在压力上是等效的。     

油藏注烃气混相驱非稳态驱替特征机理研究

应用标定多相流态的无因次量组及高密度网格消除数值弥散技术,采用数值模拟方法研究了针对矿场规模的注气驱替中非均质程度、倾角数对非稳态驱替动态的影响.结果表明:由于油气重力分异和粘性指进双重作用,非均质变异系数值越大,混相驱扫的厚度越少,气体突破时剖面驱扫效率越小;倾角数越大,由重力分异作用影响非稳态驱替效率越明显.当注入气体积倍数较小时,倾角数越大重力混相驱油效果越明显;当注入气体倍数较大时,倾角数小于25时倾角数越大采出程度越高,倾角数大于25时倾角数越大采出程度反而有所降低.     

以长扭带起旋的水合物浆体流动特性数值模拟

为了研究流体在长扭带中的流动特性,特别是水合物浆体的螺旋流动规律,对水合物颗粒在长扭带作用下全程起旋的涡量分布、螺旋流衰减特性及水合物颗粒沉积特性进行数值模拟。模拟结果表明:以长扭带起旋的涡先在扭带压力面产生,并逐渐向扭带中心移动,稳定后又开始向管壁处偏移,最后涡核中心与速度中心重合;以长扭带全程起旋涡量几乎不衰减,且扭率越小涡量越大,涡核中心越集中,涡量越大说明流体微团自旋越强烈,自旋强度越大颗粒越不容易团聚;水合物颗粒质量浓度呈明显的对称分布,集中在扭带边缘处;随着输送距离的增加,水合物颗粒螺旋输送轨迹越明显。所得结论可为水合物安全输送边界条件的拓展提供指导。     

稠油出砂监测器安装位置数值模拟及实验验证

非侵入式的稠油出砂监测技术是通过安装在管壁的传感器接收砂粒撞击信号实现出砂监测,为获得最优的砂粒撞击振动信号,保障出砂数据的可靠性和准确性,需要找到传感器在90°弯管处的最优安装位置。在室内条件下,建立了油水砂三相流的弯道流动模型,通过Fluent软件模拟了含砂油流在90°弯管中的运动轨迹,确定了砂粒在弯道流动的撞击管壁速度最大位置在弯管下游约管道直径2倍处,同时,通过建立的多相含砂流体出砂监测实验平台,对安装在不同位置的传感器的出砂监测信号进行了对比分析,验证了多相流条件下的理论模拟结果。研究表明,在弯管下游约2倍管径处安装传感器可以得到最可靠的出砂信号,该模拟研究结果为现场应用过程中传感器的安装提供了重要理论依据,保障了出砂监测数据的可靠性。     

低渗透储层原油边界层对渗流规律的影响

通过大量的室内实验,探讨了原油边界层厚度与毛管半径、压力梯度、流体粘度和组分的关系。边界层反映了储层、流体物性条件(储层孔隙度、渗透率、流体粘度、组分)和开发条件(压力梯度)的综合影响,认为边界层厚度随着毛管半径的增大而减小;在毛管半径相同的情况下,边界层厚度随压力梯度的增大而减小,最后达到一个临界值;毛管半径一定时,边界层厚度随粘度增加而增大;极性组分含量越大,吸附越明显,边界层厚度越大;边界层厚度越大,非达西渗流特征越明显。最后通过毛管束模型给出了描述低渗透油藏单相流体非达西渗流特征的经验方程。     

油气水三相携砂井筒变质量流量流动实验研究

为研究稠油开采过程中多相存在条件下的井筒流动规律,基于大尺寸井筒油、气、水、砂多相复杂流动物理模拟实验装置,开展了油气水三相携砂流动实验,分析了黏度、液相主流流量、气相主流流量等参数对井筒压降规律及携砂能力的影响规律。结果表明:随着气相主流流量的增大,相同条件下,井筒压降先降低后增大;随着液相主流流量的增加,油气水三相携砂井筒流动压降增大,且基本呈线性变化;气相壁面注入对砂床高度影响不大;气相主流速度、液相主流速度对砂床高度的影响均比较大;随着气相流速与液相流速的增大,砂床高度均明显降低。在实际生产中,采取注气等措施促使液相转化为水包油乳化液将有利于提高单井效益,并保证较长的洗井周期。     

深水钻井浅水流地层井眼坍塌影响因素分析

为了定量评价和防治浅水流对深水钻井的危害,进行了浅水流地层井眼坍塌影响因素分析。基于流固耦合理论建立了浅水流地层井眼稳定理论模型,并分别根据Mohr-Coulomb 准则和最大拉应力准则判断砂体的剪切和拉伸破坏,分析了各因素对井周最大破坏半径及砂体临界超压的影响。计算分析发现:超压将导致浅水流地层发生破坏,随着超压增大,其最大破坏半径随之快速增至大;水平有效地应力与垂直有效地应力的比值（K₀）越大,砂体埋深越大,浅水流地层越不容易发生破坏;砂体内摩擦角越大,砂体越稳定;井周最大破坏半径随着钻井液密度升高呈线性递减;浅水流地层存在临界超压,砂体埋深、强度和K₀越大,临界超压越大。研究结果表明,浅水流地层井眼坍塌的风险较大,井周破坏程度与超压、地应力、砂体埋深、钻井液密度和内摩擦角等因素有关,当砂体中的超压超过临界值时,整个砂体都将处于不稳定状态,而提高钻井液密度有利于浅水流地层的稳定。      

防砂管金属丝编织过滤网堵塞-冲蚀破坏微观损伤机理研究

为了探明防砂管金属丝编织过滤网在防砂生产过程中的破坏机理,采用全尺寸防砂筛管冲蚀模拟装置,实验研究了一定含砂浓度条件下生产压差对筛网堵塞-冲蚀破坏的影响规律和微观损伤机制。结果表明：生产压差越大筛网防砂失效的时间越短,防砂失效时的筛网质量损失百分比临界值为0.45%,超过该临界值后挡砂失效;筛网多数过流孔被砂粒堵塞,导致含砂流体过流速度分布不均,造成筛网局部冲蚀破坏,形成破坏“热点”; SEM/EDS微观分析发现,编织网金属丝迎流外表面并未发生明显冲蚀损伤,而金属丝泄流面冲蚀损伤严重,认为堵塞滞留在编织网孔处的砂粒在流体压差的作用下会以较高的动能和一定的角度弹射撞击到编织网泄流面邻近金属丝隆起阻挡高速砂粒流动的区域、造成金属丝磨损、切削损伤,建议通过控制生产压差来降低编织网泄流侧的冲蚀程度,通过改变编织孔网三维结构来改善筛网的抗冲蚀破坏能力。本文研究结果对防砂筛管冲蚀破坏原因分析和长效防砂筛管设计有一定指导意义。     

页岩油藏裂缝网络多相渗流数值模拟研究

为了准确表征页岩油藏复杂裂缝中多相流体的流动,建立了嵌入裂缝多相流动模型和多裂缝交叉网络多相流动模型,采用数值模拟方法,研究了多相流体在多裂缝交叉网络中的流动规律。研究结果表明,裂缝网络多相渗流数值模拟方法解决了表征流体单一、裂缝尺度范围大、划分网格要求精度高、流体参数在裂缝界面处不连续等问题,能够判断水力压裂裂缝与天然裂缝沟通的规模及距离,数值模拟计算的地层压力可以表征页岩油藏裂缝网络附近区域内压力随生产时间的变化规律。裂缝网络多相渗流数值模拟,实现了数值模拟的高效计算,为评价页岩油藏储层提供了新的技术方法。      

控制泥浆帽钻井泥浆帽高度影响因素分析

在控制泥浆帽钻井过程中,主要通过泥浆泵调节泥浆帽的高度实现对井底压力的控制。以多相流理论和控制泥浆帽钻井基本原理为基础,建立了环空多相流计算模型,并利用有限差分法对模型进行了求解。通过仿真算例,讨论了气侵时间、排量、钻井液密度、初始井底压差、气相渗透率、井深、钻井液黏度等对泥浆帽高度的影响规律,结果表明:气侵时间越长、排量越小、钻井液密度越小、初始压差越大、气相渗透率越大、钻井液黏度越小,需要调整的泥浆帽高度越大;在其他条件相同的情况下,井越深,泥浆帽高度的峰值出现得越晚。研究结果为控制泥浆帽钻井过程中泥浆帽高度的合理调节提供依据。     

高产气井瞬时关井对油管内流体流动的影响

针对经典瞬变流模型无法模拟气井水锤效应问题,基于水锤效应机理与多相流理论,建立了多相流气井瞬变流数学模型;通过将油管柱的造斜部分进行单独处理,采用特征线法进行数值求解,实现了气井瞬变流的模拟计算。研究结果表明:阀门关闭时开度系数越大,井口压力的峰值越大,波动压力的变化幅度越平缓,压力突变区越不明显,在保证不超过油管最大关井压力的前提下,使用较大的开度系数可减小压力波的冲击;截面持液率越大,压力波速越大,传播周期越短,波动压力的变化幅度越大,压力越大,实际生产中可通过调整生产参数得到合适的持液率,控制波动压力的大小和变化幅度,减小水锤压力的冲击;采气树阀门关闭所用时间增加,井口的最大波动压力值减小,峰值出现的时间也相应滞后,压力突变区逐渐消失,阀门关闭时间越短,压力波的传播速度越快。实例模拟计算证实气井瞬变流模型可以优化合理的阀门开度系数和关阀时间,减小水锤冲击对井口装置和油管造成的危害,保障井筒完整性。图10表1参23     

页岩气滑溜水压裂支撑剂输送实验及数值模拟研究

页岩气滑溜水压裂主要是在储层中形成网络状裂缝,并用支撑剂将压开的裂缝支撑起来以形成高导流能力的填砂裂缝。针对支撑剂在页岩裂缝中的输送机理开展研究。通过对支撑剂受力进行分析,并结合液固两相流耦合流动机理,在此基础上利用Fluent软件中欧拉-欧拉两相流模型对支撑剂输送进行了数值模拟。数值模拟与物理实验都是研究排量对砂堤形态的影响,结果表明:排量越大,裂缝入口处支撑剂越少,最终的砂堤厚度越低;实验与数值结果吻合度较高。研究结果可为实际页岩气压裂施工提供理论指导。     

气井多相垂直管流段压力损失敏感性分析

井筒垂直多相管流是整个油气生产系统中非常重要的部分,流体在垂直管流中的压力损失也在其中占有很大的比例.利用广泛使用的Hagedorn-Btown垂直管流计算公式,分别改变井筒尺寸、气液比、气相和液相的相对密度以及气液界面张力,以此分析垂直管流段的压力损失和井底最小携液产量的变化.研究结果表明,井筒尺寸越大,气液比越高,气相或液相相对密度越大,界面张力越小,均会导致井底压力升高,最小携液产量变大.利用该研究结果可以减小生产环节的压力损失,优化工作制度,对气井设计和生产有指导意义.     

基于ANSYS的Ti2AlNb钛合金电子束焊接数值模拟

为了优化Ti2AlNb钛合金的电子束焊接工艺,利用ANSYS有限元分析软件对壁厚3.5 mm的Ti2AlNb钛合金电子束焊接过程进行数值模拟,运用双椭球热源进行加载,改变电子束流以及焊接速度,分析了电子束流和焊接速度对温度场分布、熔池形貌、熔深、熔宽以及热循环性能的影响,确定了最优的焊接工艺参数。模拟结果显示,焊接速度越小,熔深越大,熔宽也越大;电子束流值越大,熔深与熔宽均增大;电子束流值越大,峰值温度越大;焊接速度越快,峰值温度越小,且升温至峰值温度的时间越短。研究表明,加速电压60 kV,电子束流值为35 mA,聚焦电流380 mA,焊接速度600 mm/min为3.5 mm厚Ti2AlNb钛合金电子束最优焊接工艺参数。     

动子与定子搅拌器流场数值模拟

使用FLUENT软件提供的滑移网格方法、层流模型和标准壁面函数方法数值模拟了装有动子与定子搅拌器的间歇式搅拌槽内部三维非定常流动,得到了搅拌器的功率、泵送流量、速度和剪切速率分布等特性。结果表明,搅拌器功率随转速增加呈线性增长的数值模拟结果与文献报道一致,模拟具有一定的准确性和可信度;槽内速度与剪切速率对称分布;动子与定子间隙内速度梯度大,形成最大剪切速率区;搅拌器功率随流体粘度增加而增加,泵送流量和最大剪切速率随流体粘度增加而减小。     

水平弯曲管道中固液多相流分相体积含率数值模拟

弯曲管道中固液多相流各相体积的分布特征对油和水的流动特性提供重要的参数,为原油输送和生产剖面测井设计奠定基础。为模拟固液多相流各相体积分布特征,基于边界条件和多相流理论,通过建立三维固液多相流模型模拟,进行瞬态数值模拟最终得到各相体积分布图。模拟结果表明,各相体积分布主要受流速的影响,随着主流速度的增大,水相和油相体积分布呈相反的变化,而与颗粒相体积分数数值大小关系较小。