考虑气体连续携液及液滴直径影响的气井新模型

常用的临界携液模型是通过对并筒中的液滴进行受力分析,再加以经验修正所得到的.凭经验选择临界携液模型判断气井积液,难免出现偏差,且多位学者提出了不同的临界携液模型,其预测结果相差很大.该文通过实例计算比较,发现文献各携液模型对临界携液量的要求并不相同,从而解释了各模型计算的临界携液量相差巨大的原因.基于气流中液滴总表面能与气体紊流动能的相等关系,提出一种考虑气体携液量及其中最大液滴直径对气井临界携液流量影响的新模型,并将新模型的预测结果与四个产水气田气井的现场生产数据进行了比较,结果显示吻合度很高,以此验证了该新模型判别临界携液量的可靠性.     

一种预测气井连续携液临界条件的通用模型

对有水气田,随着气田的不断开发,产水气井所占比例逐年增加,准确预测气井的临界携液流量对于气井积液判断有着重要的意义。该文根据液滴质点力平衡理论,考虑液滴变形和液滴尺寸差异对气井临界携液流量的影响,在综合对比曳力系数、液滴变形参数与临界韦伯数之间的函数关系式及计算液滴变形参数的基础上,提出了气井临界携液流量新模型。采用现有的携液模型和新模型对比研究的方法,从机理上解释了各气田临界携液流量相差较大的原因,以苏里格气田100口井实例验证表明新模型具有较好的普适性。     

水平管道油-气-水三相段塞流动持液率模型研究

油-气-水三相段塞流型持液率预测往往先将油水两相看作混合均匀的单相，再利用气液两相方法进行计算。这种方法适用于油水混合均匀的段塞流型。但在低气液相流速下，油-气-水三相段塞流型中有时油水是分离的，此时如果使用上述方法，可能导致比较大的误差。研究建立了分离假塞流型（油基和水基）的平均持液率计算新模型。统计分析发现新建模型与实验数据吻合很好。在实验的基础上，将油-气-水三相段塞流型划分为油基／分离／段塞流、油基／分散／段塞流、水基份离／段塞流、水基份散／段塞流四种。研究四种流型表明，在其他条件不变的情况下，对于气液两相流动和分散／段塞流型，持液率随着液相折算速度或液相黏度的增加而增加，随着气相折算速度的增加而减少。但对油基／分离／段塞流和水基／分离／段塞流，持液率则随着气相折算速度的增加，先上升后下降。     

井筒环雾流传热模型及其在深水气井水合物生成风险分析中的应用

该文采用Hewitt流型判别法,表明深水含水气井测试时井筒内多为环雾流,考虑了气核与液膜间速度及热力学性质差异,建立了环雾流传热模型,与南海某深水气井实测数据对比,模型预测误差在5%以内。计算表明,忽略含水影响的气体单相模型在含水量大于0.1%时,泥线以上井筒压力和温度预测误差均超过10%,应用该研究建立的环雾流模型则可以得到更准确的结果。含水会使泥线以上一定范围内井段井筒温度显著降低,压力损失增大。产气量较低时,含水量对水合物生成风险基本无影响;产气量较高时,含水量会使得水合物生成区域下界下移,水合物生成区域增大,并使过冷度增大,更容易诱导水合物生成,水合物生成风险增大,需要增加水合物抑制剂用量,并加深注入位置。产水会使无水合物生成所对应的临界产气量增大,需要调整水合物抑制剂用量和注入位置。     

近床面区挟沙气流流速垂线分布特征

以测试参数较为齐全的挟沙气流风洞实验资料为基础，结合已有各家资料重点对近床面区挟沙气流流速垂线分布进行了系统的分析。在对近床面区沙粒跃移层内气流剪切应力分布的理论分析基础上，指出了该区的剪切应力由沙粒临界起动风速、沙粒垂直速度的垂线变化和输沙量垂线分布三者决定，并进一步导出了近床面区的挟沙气流流速垂线分布廓线方程，由该方程计算得到的结果与实测资料吻合很好，此外，研究还表明，Bagnold提出的不同风力条件下挟沙气流流速廓线聚焦于一点的观点基于正确，但这一点不宜作为跃移层内外风速廓线的分界点，实际失发界点高度是沙粒跃移层外气流摩阻速度平方的0．015倍；Owen提出的跃移层外层速廓线方程基本合理，但其中有效粗糙度公式中的系数C取值为0．04时更符合实测资料；来流速度相同的情况下，挟沙气流的摩阻速度大于清洁气流的摩阻速度。     

环形井眼气液两相流流动规律研究

本文在１０００米深全尺寸模拟实验井上进行了气液两相流实验研究。利用自行研制的计算机实时数据采集系统及井眼数据测量与传输遥测系统，获取取大量实验数据。依据这些数据，根据质量与动量守恒定律及其状态方程，通过变系数法，建立并求解了描述环空气液两相流的一维拟线性双曲型偏微分方程组，从而得出了适合井眼环空情况下的气体上升速度模型，依据本文提出的流型过渡区及气体上升速度模型所计算的结果和现有国内外有关模型计算     

液滴冲击流动液膜的格子Boltzmann模拟

采用单相格子Boltzmann方法模拟了二维液滴冲击流动液膜的含自由面的流动过程。由定义的质量与密度的比例系数来追踪气液自由面的变化。表面张力通过计算界面格点处作用在流体上的汽液相间作用力加入到模型中。数值模拟了速度比(液膜流动速度与液滴撞击速度的比值)和液膜相对厚度(液膜实际厚度与液滴直径的比值)不同时,液滴冲击流动液膜的过程。与液滴冲击静止液膜时的计算结果和理论分析结果进行对比,分析了液滴冲击流动液膜后产生的流动现象及其内在机理,产生的水花的铺展半径和溅起高度随时间的变化规律,并讨论了飞溅产生条件。     

伞罩型湿式脱硫除尘器内部流场数值模拟

基于强化喷淋装置传质过程,开发了一种结构简单、效率高、气体处理量大的湿式脱硫除尘器——伞罩型湿式脱硫除尘器。利用Fluent软件对有无伞形罩的湿式脱硫除尘器内部流场进行模拟。模拟结果表明:伞形罩具有增强气流湍流度和提供气液接触面积的双重作用,增大了伞罩型湿式脱硫除尘器内的持液量、延长了液滴在塔内的停留时间、增强了喷淋液和烟气之间的传质,提高了脱硫除尘效率。伞罩型湿式脱硫除尘器适用于日益严格的脱硫除尘一体化工艺。     

垂直上升管气-液两相流截面含气率的理论模型

本文提出了二维二速度气—液两相流含气率模型，模型考虑了两相间的滑移及含气率和流速沿流通截面的分布，对绝热流动情况下推导出了截面含气率与容积含气率之间的关系式，模型计算结果与实验结果符合较好。     

液滴冲击液面变形特征及其能量转化研究

采用Navier-Stokes方程和Volume of Fluid (VOF)方法对液滴冲击液面运动过程进行了三维数值模拟研究。该文对界面形态的模拟结果与实验结果进行定性和定量的对比研究。通过分析速度场和压强场,研究了各界面形态的形成机理,并且进一步分析了冲击过程中能量的变化过程。结果表明:冲击过程中速度场和压强场的变化以及能量的传递导致冲击首先形成液坑,当液坑膨胀到最大后,开始收缩,直到收缩到接近水平液面时,开始有中心液柱从液坑中心升起,随后中心液柱破碎生成次生液滴;冲击过程中动能、表面能和重力势能之间不断转化:重力势能和表面能增加,动能减小,反之亦然;液滴冲击速度较大,能量消耗也较大。     

以叶轮起旋的气液两相螺旋流摩擦阻力特性实验研究

该文对以叶轮起旋的水平管内气液两相螺旋流的摩擦阻力压降特性进行了实验研究,水平实验管段为内径23 mm,长度为2 m的有机玻璃管,实验工质为空气和水,气相折算速度为0 m/s–3 m/s,液相折算速度为0 m/s–1.5 m/s。主要研究了流速以及叶轮参数对压降的影响,对比分析了气液两相非旋流与气液两相螺旋流的压降特点,实验结果表明:流体流速是管内摩擦阻力特性的重要影响因素,随着气相折算速度的增大,管内压降逐渐增大。叶轮参数对压降亦有较大影响,随着起旋角度的增大或者随着叶片面积的减小,压降均有逐渐变大的趋势。与气液两相非旋流相比,气液两相螺旋流的压降进一步增大;且随着气相折算流速的增加,螺旋流的压降增大速度要高于非旋流。最后,基于Lockhart和Martinelli方法,根据实验数据建立了气液两相螺旋流压降计算模型,研究结果表明理论值与实验测量值吻合较好。     

基于涡黏度模型的冰封河道纵向时均流速垂向分布解析解

冰盖的存在显著改变了河道水流结构,使流速垂向分布关于零切应力平抛物线面呈型。考虑到准确预测冰盖下水流流速分布是计算冰封河道流量、泥沙输移率和河床演变预估的基础,本文应用双层假定和冰盖流涡黏度模型,推导出一个物理意义明确且速度梯度连续的冰封河道纵向时均流速垂向分布解析解,并明确常见的冰盖流对数流速公式和双幂律流速公式的应用条件。采用水槽实测数据和原型实验数据,对比分析所提出的解析解与现有对数公式和双幂律公式的有效性和精确性,并基于本文解析解探究了纵向时均流速垂向分布对各物理特征参数的敏感性。结果表明,该解析解的流速计算值与实测值吻合较好且较现有对数公式和双幂律公式具有较高精度;雷诺数的较小变化并不会引起纵向时均流速垂向分布的较大改变,但流速分布对冰盖糙率与河床糙率的相对值比较敏感,且纵向时均流速的最大值偏向于较光滑边界一侧,该结论与以往基于k-ε湍流模型所得到的数值结果是一致的,再次证实了本文解析解的有效性。     

大位移水平井钻井岩屑速度分布模拟分析

该文基于水平井段岩屑运移实验,引入三参数的赫巴流体流变模式,使得计算结果与实际更为接近;通过数值模拟得到了钻井液黏度、密度、流速、钻杆旋转和偏心对岩屑速度分布的影响规律。计算结果表明:增大钻井液密度有利于岩屑运移,为了更好地提高岩屑速度,钻井液密度应高于1300 kg/m3;随着钻井液黏度的增大,环空窄间隙岩屑颗粒的运移速度也随之增加,特别是当黏度高于30 m Pa·s时,增加效果明显;岩屑颗粒运移,存在一个临界流速,在该算例条件下,当泵排量高于14 L/s时,岩屑速度增加明显;由于钻杆的旋转作用使得环空流体产生了切向速度,钻杆不旋转岩屑最高速度为0.395 m/s,建议钻杆转速应高于80 r/min;偏心度为0.2的情况下,窄间隙环空最大速度从1.145 m/s下降到0.831 m/s,当偏心度增加到0.8时,岩屑速度只有0.437 m/s,为了能够充分提高携岩运移速度,偏心度尽量控制在0.5以内。文中还回归了适合于大位移水平井的岩屑床厚度计算公式,得到了岩屑床运移速度分布规律。     

变气量下空气-水气力提升系统水力特性数值模拟研究

气力提升泵作为一种开采提升的理想新型方法之一,具有结构简单和安全可靠等明显优点,研究其具有重要的科学价值和工程意义。根据气力提升系统结构特性,利用Gambit软件构建气液两相流二维气力提升泵模型并进行网格划分;基于fluent仿真软件,利用欧拉模型和SSTk-ω湍流模型,借助UDF自编程序讨论变气量,线性开启、线性关闭、阶梯式分段充气和正弦充气四种方式对空气和水气力提升泵水力特性的影响。研究结果表明:在气流线性开启方式下,液体提升流量增加,提升管内气体体积分数升高,总压降减小。在气流线性关闭方式下,液体提升流量减少,提升管内气体体积分数降低,总压降增加。在气流量阶梯式和正弦式变化时,提升管内的提升液体流量、气体体积分数和总压降随着气体速度周期性波动;周期越长,波动幅度越小,越稳定。这些研究成果为气力提升技术在河道清淤、污水处理和石油开采等领域的应用奠定了理论基础。     

高含气井下气液混合输送技术研究

为了确保油田开采过程中电潜泵在高含气油井的正常运行,结合气液分离技术和引射技术,该文运用CFD模拟软件FLUENT研究了一种高含气井下气液混合输送技术。该技术通过建立气体及液体分采通道,利用引射原理将增压后的高压动力液携带富气流举升至地面,以实现利用生产井自身流体实现自我举升。研究表明:经过对比分析发现,对于不同入口气体含量的工况,由于射流泵引射装置的引射比影响,入口气体体积含量40%是一拐点,当入口气体含量超过40%时,引管内的气相含量以及流速基本达到一定值;对于不同入口流量,随着流量的增加,气液分离效果亦逐渐变佳,取气管内的气相含量基本稳定在一定的范围,而取气管内的流速则随着流量的增加而增大。该研究结果对提高电潜泵在油田开采高含气油井中的应用范围具有重要意义。     

雾化液滴掺混稠油的实验和数值模拟研究

稠油开采过程中,由于稠油的黏度较高和流动性差,掺稀降黏是近年来使用的主要技术手段之一。为达到稀油较为均匀的分布效果,该文提出将一个气体辅助式雾化喷嘴安装在模型套筒一侧的方法,使得稀油液滴雾化并与稠油进行掺混,通过实验和数值模拟的方法,重点研究液滴在二次破碎雾化后的物理性质,模拟雾化的滴变化后形成的液膜与底部的液压油的掺混过程,同时给出了掺稀携带量的变化规律。结果表明,液滴速度减弱后聚并现象加强,在整个流场内形成较为均匀分布的液膜和液滴,同时底部多相掺混搅动降低了混合液的黏度,当通过10.8 m3/h的气雾化1.08 m3/h的水,最终可以携带底部2.92 m3/h的油,大大提高了携带效率。研究结果验证了雾化液滴掺混稠油方法的可行性和实用性。     

3级离心混输泵在气液两相流条件下流动特性分析

以深海3级离心式混输泵为几何计算模型,水和空气为研究介质,在进口含气率在0～20%条件下对泵进行三维全流道数值模拟,采用Eulerian-Eulerian非均匀流模型作为湍流计算模型,其中气相采用零方程模型。该次计算对3级泵外特性和内部气体分布、压力分布等内部流场特性。结果显示:随着含气率的增加扬程和效率均呈现下降趋势,且扬程和效率均随着进口气体含量下降速度加快。但是在含气率从0到1%时存在含气率增加,扬程和效率增加的现象。且气体在转轮内部的分布从进口压力面向出口出口吸力面发展,且随着进口含气率的增大,气液出现分离现象,且在转轮流道中出现断塞流现象。转轮各叶片的吸力面和压力面的压力分布在气液分离处出现负压现象。湍流强度的变化受到含气率的大小影响不同。     

烟丝气力输送特性试验与仿真

采用风洞试验与数值仿真方法,研究了圆锥管和Z形风道内烟丝气力输送特性.试验获得了烟丝悬浮率随雷诺数的变化规律,以及烟丝起浮临界气流速度等.采用一种基于离散相模V的Lagrangian粒子跟踪多相流CFD方法,对该问题进行了数值仿真,数值模型中考虑了粘性、重力、粒子直径分布、粒子形函数以及粒子质量分布等参数的影响.在两种风道内流动结构及烟丝起浮临界气流速度等方面,数值模拟与试验结果吻合良好.关位词:烟丝;气力输送;悬浮速度;风洞试验;数值仿真     

无黏性土管涌的临界流速

根据多孔介质中的变截面管模型,分析单个颗粒在孔隙通道中的受力情况,建立力的平衡方程,从而推导出管涌发生时的水流临界流速公式。结合试验对该公式进行了验证,当作用于水流的拖曳力与静水压力的作用大于阻碍其运动的作用时,认为可动颗粒开始起动。算例分析表明,运用临界流速公式能够准确地预测土体的管涌破坏。     

不同边壁条件下矩形明渠水力特性实验研究

为了研究明渠水流水力特性变化规律,在室内实验的基础上,采用矩形明渠变坡水槽,通过改变边壁条件、坡度和流量进行实验,得到了较好的实验数据。实验结果表明:边壁条件和坡度相同的情况下,随着流量的增加,水深呈线性增加,平均流速和雷诺数呈现幂函数增大;当Fr1时,弗劳德数随着流量的增加而增加;当1Fr1.526时,弗劳德数随着流量的增加先增加而后减小;当Fr1.526时,弗劳德数随着流量的增加而减小;曼宁糙率系数随着流量的增加呈对数减小趋势。边壁条件和流量相同的情况下,随着坡度的增大,水深呈减小趋势,平均流速、雷诺数、弗劳德数和曼宁糙率系数均呈现增加的趋势。并由实验数据得出了雷诺数与坡度和流量关系的经验公式。