油气钻井岩屑沉降阻力计算模型

油气钻井过程中,破碎的岩屑在井筒钻井液中存在着自由沉降的现象,为了防止和避免岩屑沉积造成沉砂卡钻等井下安全事故,需要研究岩屑颗粒的沉降规律、预测岩屑沉降的末速度。为此,基于Stokes定律和Newton-Rittinger模型,提出了黏性阻力占比系数与压差阻力占比系数的概念,应用最小二乘法对实验数据回归得到阻力占比系数方程,分别推导出岩屑颗粒在牛顿流体与幂律流体中沉降时非斯托克斯区域的阻力计算模型,并通过该模型依据沉积实验数据对岩屑颗粒的沉降末速度进行计算和分析。研究结果表明:(1)岩屑颗粒在幂律流体中沉降时,所受到的黏性阻力和压差阻力不仅与颗粒雷诺数相关,而且还与流性指数及稠度系数相关;(2)岩屑颗粒在牛顿流体中沉降,当颗粒雷诺数小于2.944 6时黏性阻力大于压差阻力,当颗粒雷诺数大于2.944 6时压差阻力大于黏性阻力;(3)颗粒雷诺数小于1.11时岩屑沉降主要考虑黏性阻力,颗粒雷诺数介于1.11~500时岩屑沉降受到黏性阻力与压差阻力的共同作用,颗粒雷诺数大于500时压差阻力在岩屑沉降中占主导作用。结论认为,借助于该计算模型,当钻井液为牛顿流体时,可以预测颗粒雷诺数介于0~105的岩屑沉降末速度;当钻井液为幂律流体时,可以预测颗粒雷诺数介于0~105、流性指数介于0.062 3~1的岩屑沉降末速度;上述范围能够满足钻井工程中对于岩屑沉降速度进行预测的需求。     

形状差异的岩屑颗粒沉降规律及曳力系数模型

油气钻井中,岩屑颗粒在井筒中自由沉降会引起沉砂卡钻等问题。为了探究岩屑颗粒沉降规律,开展了模拟岩屑颗粒自由沉降实验。利用沉降实验数据和图像处理技术,计算出10种不同形状颗粒在9种非牛顿流体中的沉降末速度与曳力系数,研究了颗粒形状和流变性对沉降的影响规律,并探究了现有曳力系数模型对非球形颗粒在非牛顿流体中的适用性。结果表明,颗粒偏离球形程度越大,在流体中越难沉降。流体黏度增加可有效抑制沉降的发生,且流体非牛顿性越强,对沉降的抑制作用越明显。现有曳力系数模型不适合描述非牛顿流体中非球形颗粒沉降规律,因此,构建了一种新的形状因子,并结合该形状因子建立了新的曳力系数模型。误差分析结果显示,新模型对沉降实验测量数据具有良好的拟合性,决定系数R²大于0.99。较现有模型预测精度提高了50.5%,预测真实岩屑颗粒曳力系数的误差在15%以内,可较好地描述不同形状岩屑颗粒的沉降曳力系数规律,对提高钻井过程中颗粒流体稳定性具有重要理论和现实意义。     

旋流快分系统内颗粒浓度分布的数值研究

摘要：采用欧拉模型（Eulerian Model）对旋流式气固快分系统（VQS）内气固两相流进行了数值模拟，主要考察VQS系统内颗粒浓度场的分布规律。计算结果表明，颗粒在VQS系统内的分离主要分为喷出段、分离段和沉降段三个区域，不同分离区域内颗粒的分离机理有所不同，且颗粒的粒径大小对系统分离有一定影响。从沉降－扩散理论出发，建立了颗粒浓度分布模型，与模拟结果基本吻合，可合理解释VQS系统内的浓度分布现象，为建立VQS系统的分离模型提供参考依据。     

基于CFD-DEM的沉降罐油水沉降机理及分离过程分析

沉降分离技术在我国石化行业应用广泛，然而其理论研究明显滞后于结构设计及应用研究。文章基于CFD-DEM耦合模型，以沉降罐内离散相油滴为研究对象，构建了油滴在重力场内的沉降分离数学模型，采用理论分析与数值模拟相结合的方法，对油滴沉降过程中的运动特性进行分析，获得了油滴沉降分离过程的运动轨迹，掌握了油滴分离过程中的速度变化以及受力变化。通过对斜板倾角和斜板等效间距进行改进，确定了油相分离效果最好的斜板倾角为60°、斜板等效间距为150 mm。在上述参数条件下，除油效率可从64%提高到82%。该研究结果可为揭示沉降分离机理及指导新型高效沉降装置设计提供理论依据及数据参考。     

幂律流体中岩屑颗粒沉降速度实验

钻井过程中,任何井型都需要钻井液有效携带岩屑上返,以保持井眼清洁;但由于岩屑颗粒与钻井液存在密度差,遇到接单根、停钻等工况,岩屑颗粒就会在钻井液中沉降。对于大斜度井和水平井,岩屑沉降后会堆积在造斜和水平井段,形成岩屑床,造成恶性井下安全事故,因此,深入研究岩屑颗粒在钻井液中的沉降规律十分重要。文中首先综述了不同形状、不同粒径的固体颗粒在牛顿流体中的阻力系数和沉降速度计算模型,分析了牛顿流体中固体颗粒雷诺数和阻力系数之间的关系;应用与研究固体颗粒在牛顿流体中沉降的相同方法,并通过室内实验,得到了不同粒径岩屑颗粒在幂律流体中的沉降速度模型、颗粒雷诺数与阻力系数之间的关系模型。     

催化裂化沉降器旋流快分系统分离性能的实验研究与数值模拟

 在FCC沉降器的实验装置上，研究了不同入口处颗粒浓度下旋流快分系统（VQS）分离性能，着重分析入口颗粒浓度对VQS系统内分离效率与压降的影响规律。结果表明，随着入口颗粒浓度的增加，VQS系统的分离效率随之增加，而压降随之减小。采用Fluent软件对VQS系统内气、固两相流进行了数值模拟，并由此估算了不同入口颗粒浓度下VQS系统的压降、颗粒分级分离效率以及总分离效率，计算结果与实验结果吻合情况较好。入口颗粒浓度越高，气相被颗粒相消耗的能量越多，切向速度衰减越明显，从而导致系统压降的降低。同时，入口颗粒浓度的增加导致单位体积内颗粒质量流率增加，重力沉降作用增大，故上行流轴向速度减小，下行流轴向速度增加，有利于颗粒下行分离。此外，颗粒相的存在可有效抑制湍流，降低系统内的湍流强度，这有利于改善颗粒返混，提高系统对中细颗粒的捕集能力，从而提高系统的分离效率。     

泡沫钻井液颗粒沉降对密度变化规律的影响

泡沫钻井液密度的变化是其应用过程中考虑的重要参数之一,为了研究颗粒沉降对其密度的影响,通过实验测量不同起始密度的泡沫钻井液颗粒沉降引起密度随时间的变化关系,分析密度随时间推移变化的趋势,探求密度随时间变化的规律性.介绍了一种研究泡沫钻井液密度变化的方法,测定和分析了其密度随时间变化的关系,泡沫钻井液密度随时间的变化规律符合Boltzman公式的曲线形式,运用Boltzman公式进行数据曲线拟合,得到了密度随时间、泡沫起始密度等变化的经验公式.该公式的理论计算结果与实验结果相吻合,利用该公式可预测泡沫钻井液密度随时间的变化趋势.     

管道和油罐中油水分离的新数学模型

在油水分离系统中 ,可发现油中水的分离率和含水率成正比 ,而且即使沉降很长一段时间后 ,仍有一部分水未分离出。聚结和沉降机理可定性地解释这一点。本文描述的数学模型可定量地解释这些机理 ,根据系统尺寸、流速、流体的物性、入口粒径分布 ,可计算出分离系统出口油的性质。模型和实验数据与现场数据吻合。     

管道和油罐中油中分离的新数学模型

在油水分离系统中,可发现油中水的分离率和含水率成正比,而且即使沉降很长一段时间后,仍有一部分水未分离出,聚结和沉降机理可定性地解释这一点。本文描述的数学模型可定量地解释这些机理,根据系统尺寸、流速、流体的物性、入口粒径分布,可计算出分离系统出口油的性质,模型和实验数据与现场数据吻合。     

电泳破乳的设备和方法

在乳化液流经栅状电极处,分散相内的颗粒获得电荷。随后由磁场把带电颗粒引向同它的极性相反的电极,带电的颗粒在这里被中和而引起聚合,在罐内沉降,完成分离过程。该专利论述了关于乳化液各相有效地分离的处理问题,特别是油包水型乳化原油在单向磁场内的处理问题。同时也论述     

煤粉颗粒在垂直井筒沉降规律试验研究

根据垂直井筒煤粉沉降模型,设计了煤粉沉降试验装置,结合不同颗粒粒径和不同质量浓度下颗粒的沉降规律,利用试验得出的数据拟合出煤粉自由沉降末速公式,将试验给出的拟合公式与理论推导的沉降末速公式对比,修正了理论公式。试验结果表明,煤粉颗粒力学性能差,在垂直井筒沉降过程中易破碎,沉降时粒径会发生变化,使用砂粒的沉降公式进行研究时偏差较大。利用试验拟合的煤粉颗粒沉降公式对理论公式的系数进行了修正,修正后的公式可更好地反映煤粉颗粒在垂直井筒中的沉降规律,为新型排煤粉井下泵的设计提供依据。     

催化裂化油浆脱固方法研究进展

催化裂化油浆中的催化剂颗粒是制约油浆利用的关键因素,脱除油浆中的催化剂颗粒(油浆脱固)成为急需解决的问题。介绍了国内外催化裂化油浆脱固技术的研究现状,总结了重力沉降、过滤分离、离心分离、静电分离等方法在油浆脱除催化剂颗粒方面的应用,并分析了各自的优缺点。对油浆脱固的发展方向提出了展望。     

FCC沉降器全部空间三维流场的数值模拟

 用数值模拟方法模拟了一种典型FCC沉降器内的紊流过程。采用Fluent软件首先计算了一个旋风分离器中的流场，并与实验数据进行了对比，验证了所采用的模型和计算方法，随后对整个沉降器进行计算。在计算过程中没有对沉降器的复杂结构进行简化，所建立的几何模型包括沉降器内部区域和两级旋风分离系统内部区域的全部流动空间，计算结果给出了沉降器所有空间内的流动细节。采用Reynolds应力输运模型对紊流进行处理，可以较好地吻合湍流的各向异性效应。     

大庆油田古龙页岩岩屑在幂律流体中的沉降阻力系数研究

大庆油田古龙页岩油开发大多采用长水平段水平井，但长水平段水平井钻井过程中，岩屑易在井筒内自由沉降而形成岩屑床，导致沉砂卡钻等井下故障，因此需要研究岩屑颗粒的沉降规律，优化钻井液性能及水力参数，确保井眼清洁。为此，利用可视化的试验装置和高速摄像机，系统记录了试验中颗粒在幂律流体中的沉降行为，获得了196组球形颗粒和224组不规则形状岩屑在幂律流体中自由沉降的试验数据。采用一种依赖于沉降颗粒受力平衡的力学模型对试验数据进行统计分析，建立了幂律流体中球形颗粒阻力系数预测模型。在此基础上，引入二维形状描述参数，建立了幂律流体中不规则形状岩屑阻力系数预测模型。该模型预测准确性较高，平均相对误差仅6.93%，能够满足钻井工程中预测岩屑沉降速度的需求。     

固体颗粒在液体中沉降速度的计算方法评述

固体颗粒在液体中的阻力系数和沉降速度的计算直接关系到现场有关工艺的设计。在固、液多相流计算中普遍采用漂移流动模型,固相在静止液体中的沉降速度是建立漂移流动模型的基础,因此,有必要深入了解固体颗粒在静止液体中的沉降动力学特性。综述了固体颗粒在静止液体中发生自由沉降和干涉沉降的阻力系数和沉降速度的计算相关式以及这些相关式的使用范围,并且考虑了颗粒形状和边界条件等因素对沉降速度的影响。     

水力压裂中支撑剂输送的数值模拟研究

通过研究支撑剂在受力平衡时的沉降运动,综合分析固一液两相流中颗粒受力情况及其非平衡状态下的运动机理,推导出支撑剂在压裂液中的沉降公式,在此基础上建立了裂缝内支撑剂输送的数学模型。该模型在已知裂缝几何尺寸的情况下,考虑了颗粒的二维流动以及剪切作用对液体粘度的影响下,应用有限差分方法模拟了水力压裂过程中支撑剂的输送过程;并采用预测一校正方法对模型求解,能提高计算的速度及精度,使得数值模拟的结果与输送过程中的实际情况更加接近。     

旋转旋流离心机产生能力的计算

以旋转旋流离心机转鼓中流体的流动及固相粒子在液相连续介质中的沉降规律为基础，同时考虑转鼓内流体向速度影响的条件下，提出了固体颗粒分离的另一条件，由此推导出了旋转旋流离心机生产能力指数、按悬浮液计的处理量及分离粒度的计算式，并通过实例进行了计算。     

单入口双进气道旋风分离器内流体的流动特性

 采用数值模拟和实验相结合的方法,对一种单入口双进气道旋风分离器内的紊流过程进行了研究。计算得到的旋风分离器内的压力降与实验数据较为吻合,验证了所采用的模型和计算方法的正确性。与普通单入口旋风分离器相比,相同处理量时,此种旋风分离器在不降低分离效率的情况下可以使压力降降低40%左右;通过特殊的双进气道设计,基本消除了普通单入口旋风分离器内旋转中心与几何中心不重合产生的涡核摆动现象,有利于提高旋风分离器的分离效率。在 FCC 沉降器内采用该旋风分离器,不仅可以大幅度降低压力降,减少能耗,而且由于在旋风分离器内形成了对称流场,有利于减少 FCC 沉降器顶旋升气管外壁的结焦。     

天然气高效净化装置的数值模拟研究

为更好的研究天然气高效净化装置净化过程,运用CFD(Computational Fluid Dynamics)模拟计算其内部的运行状况,得出气流以及粉尘颗粒运动特性:速度分布、压力分布、湍动能分布和颗粒轨迹。净化装置将沉降技术、旋风分离技术、深层过滤技术有效结合,使得沉降与深层过滤阶段气流稳定、流速缓慢,旋风分离阶段流速较快,保证了气流分布的合理性,提高了分离效率。在净化过程中沉降-旋风分离单元起到预处理作用,降低后续深层过滤的压力,保证过滤效率。深层过滤单元采用不同密度梯度的中空纤维组合过滤,具有较高的过滤容量也提高了设备的分离精度。     

物性参数对卧螺离心机分离性能影响的研究

卧式螺旋卸料沉降离心机内部流动复杂、结构封闭且高速旋转,传统的理论与试验方法均无法对其分离过程进行准确描述。鉴于此,应用Fluent软件,采用Mixture多相流模型、RSM湍流模型和SRF模型相结合的方式,对不同颗粒直径、固相密度和液相黏度条件下离心机的内部流场进行了三维稳态计算。通过与理论沉降速度比较,验证了模拟方法的可行性。模拟结果表明,增加颗粒直径能够显著提高沉降速度、改善分离效果,但出渣含固率不会超过颗粒堆积极限所对应的最大含固量;固相密度比水密度大时,固相密度增加,分离效果变好,固相密度与水的密度接近甚至低于水时,沉渣无法有效排出;0~40℃范围内,操作温度越高,液相黏度降低,出渣含固率越高。研究结果可为卧螺离心机的结构设计和现场应用提供参考。