一种基于两相流场数值模拟的涡流工具参数设计方法

涡流工具能有效地解决气井积液问题,针对目前涡流工具适用条件和涡流携液效率影响因素认识不清,工具结构参数优选主要依据经验的问题,运用Ansys流体模拟软件采用欧拉原理,建立涡流工具气液两相流场模型,对涡流工具结构参数进行敏感性分析,结果表明:出口峰值速度随导程的增加而增加,槽深的增加而减小,随槽宽的增加而减小。最后运用正交实验得到了不同气液比条件下涡流工具的最优参数,该结果可以有效地指导涡流工具结构参数的优化设计。     

气井涡流排液采气工具有效作用长度

针对目前对涡流工具适用条件和工具有效作用长度认识不清,现场应用与分析主要依据经验,进而影响使用效果等问题,运用Auto CAD和Fluent流体模拟软件,建立涡流工具气液两相流场模型,研究流体旋转强度的衰减规律,预测涡流工具有效作用长度,并分析井筒气液状况和工具结构参数对有效作用长度的影响。研究结果表明:流体旋转强度的衰减规律符合对数递减,以对数递减公式预测的涡流工具有效作用长度介于10~100 m;流体入口速度和井筒气液比是影响工具有效作用长度的主要因素,入口速度和气液比增大,有效作用长度增大;槽宽为60 mm时,工具有效作用长度较大,排液效果较好;减小槽深和工具与油管之间的间隙,流体速度增大,有效作用长度增大。研究结果可为现场涡流工具结构参数优选和排液效果的提高提供理论依据。     

射流涡流排水采气装置携水数值模拟研究

针对气藏开采中、后期,气井中气体不能有效携带出液体而使液体在井筒中积聚形成"气井积液"的问题,利用地层自身能量作为动力液,将射流器和涡流装置进行有机结合,设计了射流涡流排水采气装置。利用有限元方法建立了射流涡流排水采气装置瞬态模型,分析了流体区域的压力分布、不同工况参数及结构参数的射流涡流排水采气装置携液情况。分析结果表明:随着射流涡流装置入口流体速度的增加,压降呈升高趋势;随着含液率的增加,压降呈升高趋势;螺旋角为70°时,压降较小,排液效果最佳;螺旋槽深4 mm时,排液效果最佳,在5 mm时次之;螺旋槽宽的取值范围为4~6 mm,其中5 mm时排液效果最佳。研究结果可为射流涡流排水采气装置的现场应用提供参考。     

气井涡流工具排液效果及结构参数优化实验

针对目前涡流工具排水采气工艺设计理论缺乏,现场应用与分析主要依据经验而影响应用效果等问题,基于相似理论建立了气井生产模拟实验装置,实验研究了涡流工具的排液效果,分析了不同结构参数对排液效果的影响。结果表明,气井井筒加装涡流工具后能够有效提高气井的排液能力,相同气量下平均提高携液量26.7%,降低临界携液流速19.8%;槽深越小,排液效果越好;减小螺旋角会减弱排液效果,最好选取60°螺旋角;槽宽为48 mm时,携液量较高,临界携液流速较低,排液效果较好。     

气井涡流排液采气工具参数仿真及结构优化

为了研究不同结构参数对气井排液效果的影响,采用Fluent流体仿真软件对涡流排液采气工具进行了流场模拟。建模时采用雷诺平均假设下的N-S方程作为计算的基本方程,并采用RSM模型对N-S方程进行封闭,同时采用壁面函数处理壁面边界层的流场。分析结果表明,涡流工具的顶角对整体流场影响较小,使用时仅需满足打捞头相关尺寸即可;减小螺旋角对分离效果影响不大,同时减小螺旋角会大幅增加压力损失,因此选取螺旋角为70°;内柱直径为45 mm时有利于气、液两相的分离;最好选用1.50倍导程,倍数过大时会增加能耗。     

涡流工具在气田地面集输上的应用研究

在气田地面集输的气液混输工艺中,有些采气管线积液严重,沿程压降较大,无法正常集气。为了解决这一问题,提出将涡流工具用在气液混输工艺中的方法。通过对地面涡流工具的理论分析及利用FLUENT软件进行模拟,研究涡流工具在气液集输管道的适用性及影响因素。涡流工具在克拉美丽气田的投产运用表明:涡旋流流态可有效地排除管道内积液,消除管道内段塞流的出现,降低管道沿程压降;涡流工具可将管道内气液紊流态转变为涡旋层流流态,通过切向速度产生的额外拖曳力降低管道临界携液速度,提高了气体携液能力;涡流工具不仅能在井下使用,也适用于气田地面集输管道。     

地面采气管道涡流辅助排液技术在长庆气田的应用

针对长庆气田南区地面采气管道运行过程中出现积液、冻堵的问题,开展地面采气管道涡流辅助排液技术研究。利用数字模拟和正交试验方法对地面管道涡流工具参数、结构进行优化,确定了内径为60 mm管道的涡流工具最佳参数组合,当切入角0°、纽带高度15 mm、纽带宽度14 mm时,旋流效果最好。在G39-X井的试验表明:该涡流工具可以有效地提高采气管道携液能力,降低管道输压,改善采气管道运行状况,为气田地面采气管道排水采气提供了新方法。     

抽油泵柱塞环槽结构对漏失量的影响研究

抽油泵工作过程中,由于泵筒与柱塞之间存在一定间隙,在柱塞两端的液体压差及剪切力的作用下,会使大量液体通过间隙漏失,对泵效产生严重影响。为分析抽油泵柱塞环槽结构对柱塞与泵筒间隙漏失量的影响机理,通过建立柱塞环槽不同结构的抽油泵模型,根据抽油泵工作特点,设定了不同边界条件下的多物理场耦合模型,通过数值模拟分析了槽宽、槽深、槽距、槽数和环槽位置对环槽内流体速度场及间隙漏失量的影响规律。分析结果表明:在环槽内形成的涡流受到槽宽与槽深这两个因素影响较大,当槽深和槽宽相接近时,所形成的涡流较为完整,且涡心几乎位于环槽中心,而环槽位置、槽距及槽数发生变化时,对环槽内所形成涡流的形状基本无影响;在一定范围内,随着槽深和槽宽的增大,漏失量逐渐减小,到达一定范围后,随着槽深和槽宽的进一步增大,漏失量不再随其发生明显变化。所得结论可为抽油泵漏失机理的进一步研究和结构改进提供指导。     

涡流排水采气技术机理研究及应用

为了促进涡流排水采气技术在长庆气田的应用,对涡流工具工作机理及效果影响因素进行研究,建立几何模型及数学物理模型,应用Fluent软件进行数值模拟,优化工具结构,确定适用气井基本条件。研究结果表明,涡流工具有效实现了流体由紊流流态转变为二相层流流态,并可持续很长一段距离;螺旋角度是影响涡流工具气液分离效果的主要因素,角度为50°时效果最好;入口速度越大带液效果越好,速度大于17 m/s时气液分离效果变化不大。总体趋势为气液比越小,分离效果越好;井下涡流工具降低临界携液流量约25%,对套压大于8 MPa、产气量大于0.5×104m3/d、井筒完好的低压弱喷气井适用。该研究成果为涡流工具的现场应用起到了促进作用。     

天然气井下涡流工具排液效果影响因素分析

大庆天然气田目前采用涡流工具进行气井排液,但在部分井中排液效果不明显。根据气液2相流理论,应用SolidWorks软件建立涡流工具模型,应用Fluent软件进行仿真计算,分析天然气流速、井底含水率和涡流工具结构对其排液效果的影响。分析结果表明,天然气流速、含水体积分数和涡流工具螺旋片的正截面形状是影响涡流工具排液效果的主要因素。具体表现为:天然气流速越大,工具排液效果越好;井底含水体积分数小于10%时,排液效果不明显;井底含水体积分数大于10%时,含水体积分数越高,排液效果越明显;螺旋片正截面为矩形比为梯形时的排液效果更理想;螺旋片的旋转方向(左旋和右旋)对工具的排液效果影响不大。     

低甲烷浓度煤层气部分预混式旋流燃烧器燃烧特性的实验研究

针对低甲烷浓度煤层气的特点,设计了150kW部分预混式旋流燃烧器,实验研究了燃烧器结构对低甲烷浓度煤层气燃烧的影响,考察了低甲烷浓度煤层气在燃烧器内的速度分布特性、旋流强度及甲烷浓度变化对温度分布的影响规律。结果表明:加装钝体结构的旋流燃烧器在燃用甲烷体积分数为20%的煤层气时,火焰长度降低,射流刚性增强,燃烧高效稳定;Z轴的逆轴向速度梯度范围随着直旋配风比的增加逐渐增大,射流刚性提高,中心回流区域变大;R轴的逆轴向速度梯度范围随着距离燃烧器喷口距离的增加逐渐缩小,回流区域变小,卷吸高温烟气的能力下降,不利于高效稳定燃烧;燃烧器喷口中心处的旋流强度随热负荷的增加而逐渐增大;当热负荷增加到50%以后,旋流强度随过量空气系数的增大而小幅度波动;当煤层气中甲烷体积分数为20%~30%时,随着甲烷浓度的增加,燃烧器出口的火焰形状呈现出变短变窄的趋势,燃烧稳定性提高,出口温度不超过1 000K,可以有效避免喷口被烧坏。     

新型旋流-颗粒床耦合分离设备的三维气相流场分布

采用五孔球探针测量了无尘负荷条件下新型旋流-颗粒床耦合分离设备内复杂的三维气相流场,分析了内部流场特点。结果表明:在不同入口气速条件下,无量纲切向速度与无量纲轴向速度的分布形态基本类似;切向速度分布轴对称性较好,旋流中心与几何中心基本重合;切向速度沿轴向呈减小趋势,沿径向的分布则与常规旋风分离器不同;在入口环形空间内,切向速度在0°~180°方位区间内增大,而在180°~270°方位区间内减小;旋流空间内轴向速度整体方向向下,局部螺旋上升气流集中在筒-锥连接段270°方位;径向速度分布的规律不明显,在直筒段径向速度数值与轴向速度在同一数量级,且对气流方向有重要影响;在排气管入口截面处,外旋流方向与入口气速密切相关。各截面平均静压沿轴向呈增大趋势,结合动压场分布可判断出筒-锥连接段气体流量显著减小,部分气体螺旋向上进入颗粒床,在实际操作过程中可能会导致粉尘堆积。由于内置颗粒床的影响,设备内部的气相整体呈螺旋向下的旋流运动,内外旋流边界不太明显。排气管口处短路流、顶灰环与返混现象消失。     

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。     

下倾型页岩气水平井连续油管排水采气工艺

页岩气井水平段采用?139.7 mm套管完井,受地层构造影响,部分气井B、A靶点垂深差大,呈现下倾型特征,水平段携液能力差,随地层能量衰竭,积液易堆积在油管鞋以下水平段,造成气井水淹,采用气举、柱塞、泡排等工艺难以复产。在原有生产管柱内,优选更小尺寸的连续油管下至水平段,增大气体流速,提高气井携液能力,同时可实现小直径管+气举+泡排复合排水采气,排出水平段积液。研究表明,?50.8 mm连续油管适用于水气比小于 1.5 m3/104 m3气井,?38.1 mm连续油管适用于水气比小于1 m3/104 m3的气井。现场应用表明,下倾型水平段积液气井下入连续油管至水平段中部后,油套压变化稳定,气井连续携液气量降低,井筒内气液分布均匀,滑脱损失降低。连续油管排水采气工艺能够有效解决下倾型页岩气水平段积液问题,实现页岩气井低产阶段连续稳定生产。     

旋流雾化喷嘴内气液两相流动的特性研究

采用试验和数值模拟相结合的方法，对旋流雾化喷嘴内部气液两相流动特性进行研究，揭示旋流雾化喷嘴内部的流动机理，有效预测其雾化特性。计算模型采用雷诺应力(RSM)湍流模型和欧拉-欧拉(Euler-Euler)两相流模型。结果表明，当气液体积比为600、气体流量小于25 m3/h时，模拟计算结果与试验数据吻合较好。在喷口内部，由于流通截面的减小，二甘醇的切向速度迅速增大，在喉部区域达到峰值，流经喉部后，由于流通面积的增加，切向速度呈减小趋势。随着气体流量的增加，二甘醇的射程越来越远，当气体流量分别为15，20，30 m3/h时，二甘醇的分配不均匀度分别为27.94%，26.05%，33.42%，呈现先减小后增大的趋势。     

气井柱塞举液机理CFD模拟及工艺参数优化

目前关于柱塞举液机理的认识不够清晰,这对柱塞高效举液工艺参数及工具结构的进一步优化造成不利影响。为此,采用VOF (Volume of Fluid)流体模拟方法对柱塞举液上行过程中的气液两相流场进行CFD模拟,对柱塞气液流动过程及密封原理进行探讨和分析,并对不同柱塞上行速度及不同紊流槽尺寸下的流场分布进行模拟对比,确定柱塞运行的最佳条件。研究结果表明:柱塞上行过程紊流槽中液体与气流间的相互作用阻碍了气体向柱塞上端的窜流及液体向下的泄漏;气流进入每级紊流槽形成漩涡,使部分动能转化为内能耗散达到密封效果;柱塞上行速度较低时,流场中无漏液,窜气量随上行速度增加而减小;上行速度较高时,紊流槽中全为液相,漏液量随上行速度增大而增加;模拟范围内密封最佳的柱塞运行速度为4. 0~4. 5 m/s;当紊流槽宽度与深度相等时其密封作用最差,当紊流槽宽度为深度的2倍时,液体与气流间的相互作用最强烈,密封效果最佳。研究结果可为柱塞气举工艺制度及参数的优化提供指导。     

旋流雾化喷嘴内气液两相流动的特性研究

采用试验和数值模拟相结合的方法,对旋流雾化喷嘴内部气液两相流动特性进行研究,揭示旋流雾化喷嘴内部的流动机理,有效预测其雾化特性。计算模型采用雷诺应力(RSM)湍流模型和欧拉-欧拉(Euler-Euler)两相流模型。结果表明,当气液体积比为600、气体流量小于25 m3/h时,模拟计算结果与试验数据吻合较好。在喷口内部,由于流通截面的减小,二甘醇的切向速度迅速增大,在喉部区域达到峰值,流经喉部后,由于流通面积的增加,切向速度呈减小趋势。随着气体流量的增加,二甘醇的射程越来越远,当气体流量分别为15,20,30 m3/h时,二甘醇的分配不均匀度分别为27.94%,26.05%,33.42%,呈现先减小后增大的趋势。     

离心泵输油时出口宽度选取的实验研究

鉴于输送油品时,由于粘度增大引层厚度增加,如果仍按照输送纯水时的理论与经验方法计算叶轮出口宽度,必将造成流动阻塞,阻力增加,效率下降。实验表明,在运动粘度为36mm^2/s,叶轮出口宽度比按照纯水设计的宽度增加20%和50%时,油泵效率分别提高1.6%和4.0%;在运动粘度为105mm^2/s,叶轮宽度增加20%和50%时,效率分别提高1.4%和3.3%。现文通过理论和实验分析,提出新的计算方法,根据输送油品的粘度增加叶轮出口宽度,能提高油泵的效率。     

天然气水合物在水力提升管道中的分解特性

为了指导海底天然气水合物(以下简称水合物)绞吸式开采水力提升管道系统参数设置,研究了水力提升管道内水合物的分解特性和流动参数变化对其的影响。基于热力学和流体力学,采用数学建模的方式建立了水合物水力提升管道温压模型、水合物分解传质模型和管道多相流模型,分析了固液两相流转变成固液气三相流过程中不同影响因素下管道流体温压、水合物颗粒物质的量、分解面位置与海水深度的关系。结果表明:(1)随着管道流量增大,水合物分解速度减慢,分解面少量上移;(2)颗粒直径对管流温压、相平衡压力、水合物分解面基本没有影响,但只有直径小于0.2 mm的水合物颗粒才能在管道中完全分解,直径大于2.0 mm后,颗粒分解量忽略不计;(3)出口回压为正压且增加时,水合物分解面上移,分解速度减慢,而出口回压为负压且增大时,水合物分解面下移,分解速度加快;(4)随着采矿深度的增加,水合物分解速度变慢,分解面上移,但在与海面距离超过1 500 m后采矿深度对水合物分解速度、分解面无影响;(5)实验验证与数值仿真规律基本一致,表明所建立的模型具有较高的可信度。结论认为:绞吸式开采水合物时,控制合理的流量和出口回压能够调节分解面高度以及分解速度,并且不用考虑颗粒直径和采矿深度对产气量的影响。     

基于CFX的水平管等径三通失效分析数值模拟

应用计算流体动力学（CFD）方法及CFX软件,建立水平管等径三通中的流体湍流和冲蚀数学模型。考虑等径三通近壁面处湍流的衰减,设定流动介质的气相为连续相,液相为离散相,边界条件设定为质量入口和压力出口组合,其中进口为气液两相质量流量和体积分数,出口为截面平均静压。采用稳态模拟和有限体积法对充分发展的气液两相流管内流动进行数值模拟,经过计算得到流动介质的速度流线、速度矢量及气液分布。其中,气相速度最大为21．2m／s,液相速度最大为13．4m／s;流速增大时,气液两相流的壁面切应力相应增大,气相最大切应力为36．87Pa,液相最大切应力为68．24Pa。剪切力破坏管壁腐蚀产物膜,加剧腐蚀产物膜的脱落。综合各因素解释等径三通冲蚀磨损的原因,同时结合失效样品壁厚检测结果,论证气液两相流对水平管等径三通冲蚀磨损的失效规律。