平板与圆锥体入水的三维数值模拟

对平板和圆锥体的入水砰击问题进行了三维数值模拟。研究了砰击压力在平板底面各测点上的分布、与圆锥底升角的关系、以及与结构物入水速度的关系。比较了平板自由落体入水和等速入水产生的砰击压力峰值、平板和0°底升角圆锥最大压力峰值的关系。结果表明计算与试验较为吻合,三维数值模拟技术可以有效地用于结构物砰击压力研究。     

基于Orcaflex的水下应急封井装置安全入水仿真

为确保3 000 m水深水下应急封井装置的安全入水,基于Orcaflex对3 000 m水深水下应急封井装置下放入水过程进行了模拟仿真。研究了不同因素对绞车缆绳最大受力和装置运动响应的影响,并将Orcaflex模拟结果与理论公式计算结果进行对比,得到如下结论:绞车缆绳最大受力(1 538. 5 kN)发生在水下应急封井装置在空气中的下放过程,而水下应急封井装置最大运动响应发生在入水前后;当波浪力垂直于船身方向时,绞车缆绳受力最大,水下应急封井装置运动响应最大,而其余波浪方向角对其影响较小,因此在进行水下应急封井装置下放入水操作时,最好让工程船的方位角沿着波浪方向角;绞车下放速度对绞车缆绳最大受力和水下应急封井装置运动响应影响较大,当下放速度为0. 3 m/s时,绞车缆绳最大受力为1 657. 4 kN,同时水下应急封井装置运动响应也增大,绞车缆绳属性对其影响较小;仿真结果比Chuang公式和Chen公式计算结果更接近理论公式计算结果。研究结果可对水下应急封井装置快速安全地安装和回收提供指导。     

波浪中船体砰击荷载局部压力系数的数值预报

应用FLUENT软件计算船体不同剖面在波浪中所受的砰击压力,然后应用边界元软件平台计算船体在给定海况下相对于波面的垂向运动速度,并建立船体剖面的入水模型,直接计算砰击压力分布与垂向力。最终计算得到可用于工程设计的确定局部压力系数的经验公式。     

圆筒型FPSO砰击预报模型及响应特性

考虑到砰击载荷的强非线性、随机性等特点，采用模型试验方法对圆筒型浮式生产储卸油装置(Floating Production Storage and Offloading, FPSO)受到波浪砰击作用的概率模型、环境激励规律进行研究。提出基于波面升高无因次化模型的方法，将少量的千年一遇和百年一遇砰击数据进行归一化拟合，以获得圆筒型FPSO的砰击载荷特性。结果显示，平台自身的运动对砰击概率有重要影响，且砰击发生概率加速阶段与砰击点的位置没有明显关系。随着砰击点位置的升高，圆筒型FPSO砰击载荷的量级总体呈上升趋势。由于圆筒型外翻结构的特点，与垂荡周期相近的谱峰周期海况所激发的砰击概率会提升。所构建的无因次化砰击概率模型和无因次化砰击载荷分布模型可对砰击载荷和砰击概率进行预测，并且模型可为长期模拟提供基础。     

基于船体RAO和波浪耦合下的钻杆安装力学分析

为了研究船体纵荡、升沉及纵摇运动对钻杆力学性能及下放结构物横向偏移的影响,建立了简单的钻杆力学模型,基于API实例中的钻井船RAO,将波浪引起的船体运动简化为3个自由度的简谐运动,利用有限元软件分析了钻杆所受应力及下端偏移量受钻杆上端船体运动与波浪参数的影响。分析结果表明:船体的纵荡运动主要影响下放结构物的横向偏移量,纵摇运动主要影响钻杆所受最大应力,升沉运动对二者的影响甚微;钻杆所受最大应力及下端结构物横向偏移量随浪高的增加一致增大,在实际工程中应重点考虑恶劣天气下的波浪高度,避免不必要的损失和事故。所得结论可为借助钻杆安装水下结构物的工程应用提供参考。     

弹性平底海洋结构物入水冲击的仿真分析

在仿真的基础上对弹性平底海洋结构物入水冲击问题进行了研究,讨论了结构的弹性特征对于结构冲击压力峰值的影响,并利用正交试验分析了各个参数对于冲击压力峰值影响的程度,得出了一些有意义的结论。     

水平管段塞流持液率的试验统计分析

对水平管段塞流持液率进行了试验研究。通过对试验结果的统计分析可以得出:①可以利用段塞流持液率的波动情况来确定液塞频率。②在段塞流动中,当气相折算速度和液相折算速度相差不大时,持液率概率密度函数呈双峰分布;当液相折算速度不变时,随着气相折算速度的增大,持液率概率密度函数第2峰值逐渐减小,直至消失而变为单峰分布;利用这一特征可初步确定段塞流动中气、液相流量相对大小。③折算速度的变化会引起液塞持液率的变化,液塞持液率随气相折算速度的增大而减小,随液相折算速度的增大而增大。     

深水水下采油树下放作业窗口研究

深水水下采油树的下放安装作业环境载荷非常复杂,确保采油树的下放作业安全是亟待解决的问题。为此,分析了水下采油树下放作业过程,建立了下放管串力学模型,确定了采油树下放作业准则,建立了采油树下放作业窗口分析方法及流程,并研究了采油树质量、波浪周期、浪向角和水深对采油树下放作业窗口的影响。研究结果表明,在表面流速小于0.85 m/s、波高小于7.2 m的情况下,采油树可实现安全下放;采油树质量增大导致下放作业窗口变小,主要影响作业窗口的最大有效波高;波浪周期在9~11和15~29 s时下放作业窗口较大,不同浪向角下推荐平台艏向与波浪成45°;随着水深的增加采油树下放作业窗口逐渐变小,水深对窗口的最大有效波高影响较大,对最大表面流速影响很小。     

具有蜡沉积的凝析气藏气液固微尺度变相渗流动力学模型研究

在深层高压凝析气藏衰竭式开发过程中,当压力低于析蜡点和露点压力时,蜡和凝析油会在井筒附近聚集,堵塞凝析气的渗流通道,降低凝析气相有效渗透率;当压力低于析蜡点压力时,蜡的析出会堵塞孔隙喉道,使流动阻力增大而损耗能量、降低产能。从实验和微观动力学理论角度研究了凝析气藏衰竭式开发时的反凝析过程中气液固的流动特征。通过高温高压条件仿真微观可视化模型模拟地层凝析气液固流动来直接观测凝析油、蜡流动特征。阐述了蜡沉积运移规律和凝析油气固变化特征和输运规律。揭示了凝析油充填孔隙角隅和孔道(小孔隙充满连续流动、大孔道为溪状流)、凝析液为贴壁流和溪流的规律和凝析气液固渗流过程中蜡沉积吸附在多孔介质表面、蜡沉积随气相悬浮流动和推移流动、蜡沉积在凝析液中随凝析液流动的规律。建立了变相微尺度动力学模型方程。     

倾斜管中两相流动的研究

文章作者对倾斜管中气液两相流动进行了大量实验和研究,确定了管线的倾斜角度对于持液率和压力降的影响,得出了计算公式。并且指出;在两相流动中,管线的入口含液率和弗劳德数是很重要的相关参数;管线下坡段的压力恢复是明显存在的,设计时应该予以考虑。     

刚性球体三维入水冲击数值仿真

为研究球体入水冲击载荷特性，并进一步研究相似准则及各参数的影响，使用CFD方法和重叠网格技术对刚性球体入水问题进行数值仿真，分析不同比例完全相似的球形结构体在不同入水角度和入水速度等多种工况下的冲击载荷特性。结果表明：采用控制变量法在一定参数范围内入水冲击载荷峰值与球体半径的2次方、入水速度的1.5次方和入水角度的0.6次方依次成比例；在质量和速度耦合分析中入水冲击载荷峰值与入水速度的1.5次方和质量的0.5次方的乘积近似成比例。研究结果可为模型试验提供参考，为从模型数据计算实型数据提供计算法则。     

气液分离器叶片式入口构件整流效果研究

为提高气液分离器的分离效率,提出一种用于重力式气液分离器的新型叶片式入口构件结构。该构件同时具有入口分离与气体整流两项功能。为研究新型叶片式入口构件的整流性能,应用RNG k-ε湍流模型,对气液分离器内流场进行三维数值模拟,确定了安装折弯角度130°~150°、直板长度100~200 mm、斜板长度50~90 mm入口构件以及未安装入口构件的分离器内部的速度分布。研究结果表明:新型叶片式入口构件能显著降低速度不均匀度,抑制回流,使流速分布更加均匀;入口构件折弯角度过大或过小、斜板长度过长均不利于整流,水平板长度对整流效果的影响不明显。研究成果可为气液分离器的优化设计提供依据。     

超深高含硫气藏气—液硫两相渗流实验

超深高含硫气藏开发过程中会在储层中出现气—液硫同流的现象,其对气井产能的影响目前还缺乏实验数据的验证。为此,研制了一套适用于高温高压条件下气—液硫两相驱替实时测试的装置,并制订了相应的测试流程,选取四川盆地元坝气田的取样岩心开展气—液硫两相驱替实验,并采用非稳态法计算气、液硫两相相对渗透率,得到气—液硫相对渗透率曲线,进而开展气—液硫两相渗流规律的定量化研究。结果表明:(1)气、液硫两相共渗区较窄,当液硫临界饱和度高于40%时,井筒附近的液硫饱和度达到液硫临界流动饱和度,从而阻碍井筒附近气体的流动;(2)围压的变化会引起气—液硫相对渗透率曲线的变化,当围压增大时,气相相对渗透率及液硫相对渗透率均下降;(3)随着驱替压差增大,气体流速加快,携硫能力增强,气相相对渗透率及液硫相对渗透率均有所上升。结论认为,气—液硫两相相对渗透率曲线的获得,实现了对气—液硫两相渗流规律的定量化研究,可用于超深含硫气井的产能评价。     

同向出流气液分离器流场分析及结构参数优选

为解决常见的气液分离器气相出口含液量大和管汇连接复杂等问题,提出了一种新型同向出流式气液旋流分离装置。该装置能有效降低气相出口的液相含量,主要针对其不同结构参数开展了数值模拟及试验研究,并完成了结构参数的优选。研究结果表明:影响气相运移速度及分离性能的最佳内锥角度为2°,最佳进气孔角度为30°,最佳脱气效率模拟值为96%;随着内锥角度的增大,气相溢流管内的轴向速度呈先上升后下降的规律,内锥角度为2°时,轴向速度最大达到0.58 m/s;随着进气孔角度的增大,气相溢流管内的轴向速度基本呈上升规律,进气孔角度为30°,轴向速度最大达到0.60 m/s;优化后的气液分离器结构适用于含气体积分数区间为15%~30%,最佳分离效率为92.6%。研究结果可为同向出流气液分离器的工程应用提供理论指导。     

平台导管架波浪拍击计算参数分析

波浪拍击会对平台导管架飞溅区的水平杆件产生近乎垂直的作用力,通过分析这种作用力对结构的影响,并结合工程实例,为工程设计人员更合理地选择设计参数提供参考。     

旋流扶正器作用下环空中气液两相螺旋流场压降研究

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。     

气侵初期环空压力瞬态变化规律研究

文章在考虑了气侵初期水锤效应对井底压力影响的基础上, 建立了水锤——漂移流综合模型来准确描述气侵过程中环空压力的瞬态变化规律,并采用复合差分格式对该模型进行求解。结果显示气侵发生初期地层气体迅速进入井筒会引发气液交界面以上钻井液柱产生水锤效应,导致环空压力升高并随时间周期性波动,波动振幅随瞬态气侵速率的增加和瞬态气侵时间的减少而增大,而波动频率仅随瞬态气侵时间的减少而增大;在气液交界面以下的两相流区域内环空压力随时间近似线性降低。此外,地层渗透率、井底负压差越大,井眼尺寸越小,则瞬态气侵速率越大,水锤效应越显著,两相流区域内的环空压力下降速度越快。气侵初期的井底压力变化为早期气侵检测提供了可靠的理论依据。     

基于正交试验的气密特殊螺纹油管接头密封性能研究

开发深海油气需要钻探大量超深井、大位移井,井下油管需要承受水下复合载荷的综合作用,这对气密特殊螺纹油管接头的密封性能提出挑战。以?99.25 mm×6.45 mm气密油管特殊螺纹接头为研究对象,以密封面最大接触压力为考核指标,依据ISO 13679标准A系试验载荷包络线对正交优化试验结果进行密封性能分析。分析结果表明：密封面最大接触压力影响因素敏感性由大至小的顺序为：密封面角度>扭矩台肩角度>螺纹承载面角度>螺纹锥度>螺纹螺距;气密特殊螺纹油管接头参数最优组合为密封面角度10°、扭矩台肩角度-12°、螺纹承载面角度12°、螺纹锥度1∶18、螺纹螺距4.8 mm;优组后油管接头在ISO 13679标准A系试验载荷下各加载点密封性能良好。所得结果对气密特殊螺纹油管结构的进一步优化设计具有指导意义。