天然气水合物降压开采数值研究

对天然气水合物储层中水合物的降压分解过程进行了三相数值计算研究。在应用水合物相平衡模型的基础上,对能够描述天然气水合物分解的控制方程进行了列举,通过对以上方程的求解,给出了水合物分解过程中相关物理量的变化情况。分别给出了不同开采时间点、水合物储层中气体、水的流动分布情况,并给出了能够影响水合物分解状态的重要物理量:温度和压力随着开采时间在天然气水合物储层中的分布变化情况。     

基于群体平衡原理的蒸汽发生器汽液两相流动与沸腾数值模拟

基于相似原理建立了耦合四叶梅花形支撑板的蒸汽发生器“单元管”三维物理模型。采用考虑汽泡聚合与破碎效应的MUSIG （multiple-size-group）模型描述二次侧汽泡尺度分布和水力特性,热相变模型计算二次侧汽液两相沸腾相变过程,对大亚湾蒸汽发生器汽液两相流动与沸腾过程进行数值研究。模拟结果表明,支撑板位置处汽、液相流速均急剧升高,产生射流,在离开支撑板孔口时迅速形成回流。两相邻支撑板间出现明显的汽泡由小到大的周期性变化过程,冷、热端沿程汽泡最大直径缓慢减小。二次侧平均传热系数与Rohsenow经验关联式的计算结果吻合较好。     

基于群体平衡理论的管内水合物浆流动特性数值模拟

水合物浆的流动特性对深水油气管道的流动安全保障和水合物法气体储运的工业推广具有重要意义。目前已有的水合物浆液流动特性数值模拟方法存在较多的缺陷及不足,为此本文引入了基于水合物颗粒聚集动力学的群体平衡模型。该模型重点考虑水合物颗粒在流动过程中的碰撞频率、聚并效率、破碎频率及破碎后子颗粒的粒径分布函数,可较好地描述管内水合物颗粒的流动行为。根据文献中的实验装置建立三维几何模型,利用Fluent 14.5软件对上述群体平衡模型和相关固液两相流模型进行联合求解,借此模拟流速及水合物体积分数对水合物浓度分布、水合物颗粒粒径分布和流动压降等水合物浆流动特性的影响。本文模拟结果与文献中相关实验数据吻合良好,可为水合物浆技术的规模应用提供借鉴。     

水力压裂理论模型及数值计算方法综述

通过用两套方程描述水力压裂过程中涉及到的岩石变形、裂缝扩展以及流体流动与滤失等力学问题,介绍了有限元法、扩展有限元法、边界元法、离散元法这四种常规数值计算方法的基本原理、研究现状,分析了各个方法的优缺点和适用范围.     

天然气水合物的生成对浆液流动稳定性影响综述

目前在海底混输管道的水合物风险控制策略中,允许水合物在管道内的生成,以液固浆液流动的形式对海底油气产物进行输送。其中主要通过控制浆液中水合物的生成量和聚集程度,来实现对海底集输管线的流动安全保障。液固浆液流动具有相当复杂的流动特性,固相颗粒的引入对于流体的流动特性影响很大。本文分别综述了拟单相流动体系和气液多相流动体系中水合物颗粒对于管输体系流动稳定性的影响以及水合物对混输管道堵管特性的影响。着重讨论了水合物在管道壁面的生长和沉积特性、水合物与气液流型的耦合关系以及不同体系中水合物的堵管机理。此外,对软件模拟在水合物生成及浆液流动特性研究中的应用做了简单介绍。最后,根据对相关研究结果的总结,指出水合物在壁面生长沉积的微观特性和定量表述、颗粒不同分散形式的临界流速、不同气液流型条件下的水合物生成特性和颗粒行为等是今后水合物相关研究中需要进一步深入探究和明确的问题。     

凝析气藏井下节流模拟

水合物的生成问题是凝析气藏的一个十分棘手的工程问题,井下节流工艺技术是将井下节流器置于油管某一适当位置,来实现井筒节流降压,井筒内不会形成水合物从而解决此问题。实际应用中,利用经验模型所求得的节流后压力、温度有时可以生成水合物,而实际并没有生成水合物,这一问题至今没有相应的理论解释。针对这一工程问题,通过合理简化建立了井底节流嘴附近的数学模型,并以ks102井为例对其求解得到了气液两相流体经过节流嘴后压力降低了28.8～31.5 MPa,温度降低了34.6～39.8℃,同时利用Fluent计算流体动力学软件,对节流嘴附近的流体流动状况进行数值模拟获得了节流嘴附近的速度、压力、温度场分布情况以及其它一些特性。对得到的模拟结果与计算结果比较,做出了合理分析。     

喷动床内气固二相流动行为的计算模拟

采用双流体模型结合颗粒动理学理论对喷动床内气固二相流体流动行为进行了计算模拟研究。模型中运用颗粒动理学理论描述颗粒相应力封闭流体控制方程,使用Gidaspow曳力模型描述气固相间作用。喷动床内颗粒在浓相区的体积分数很大,采用Schaeffer′s模型描述颗粒间的摩擦应力。模拟计算结果表明,喷动床内分喷射区、喷泉区、环隙区3个区域,在射流入口处形成一个瓶颈。模拟计算得到的颗粒速度和空隙度分布与实验数据进行比较,计算结果与实验结果吻合较好。     

喷射虹吸式坐便器VOF模型的三相流分析

利用VOF模型,非稳态气、液多相流的N-S方程,采用有限体积法、结构化与非结构化混合网格和单机多核并行运算技术,数值模拟了喷射虹吸式坐便器冲水过程的三维三相流动。对排污管的驼峰顶断面的清水、污水、空气三相的体积分数积分数进行了定量计算,分析了虹吸过程的气、液状态分布及求解域中各相的体积积分数。对喷射虹吸式坐便器形成虹吸现象的水力特性实现了预测,为坐便器的设计提供了理论依据。     

凹槽模型中聚合物溶液微观渗流的有限体积方法

为了形成对粘弹性聚合物溶液在微观孔隙中流动行为的完整的数学描述,便于从理论上研究粘弹性流体的微观驱油效率,本文针对残余油的微观存在形式,使用了凹槽流道模型。并结合非线性上随体Maxwell本构方程,动量方程、连续性方程以及两种流道的边界条件,建立了完整的数学模型。采用有限体积法求解了由UCM本构方程、动量方程、连续性方程和流道的边界条件构成的非线性耦合方程组。为了解决流场计算中的一个关键问题,即不合理的压力场的检测,同时为了保证计算的准确度及对压力的物理特性模拟,本文对整个计算域采用交错网格,并且采用乘方格式对动量方程进行离散,从而得出控制方程组的离散方程式。本文选择交替方向隐式迭代法,并补以块修正技术以促进收敛,最后得到了粘弹性流体在收缩流道内流动时的速度场、流函数场。     

蒸汽喷射器混合室两相流动的数值模拟

应用适用于跨声速流动的湿蒸汽两相流模型对蒸汽喷射器内流体的流动进行了数值模拟研究。重点研究了蒸汽喷射器混合室内流体的流动过程,并比较了采用湿蒸汽模型和理想气体模型计算结果差异。研究结果表明,湿蒸汽模型中,蒸汽喷射器引射系数略高于理想气体模型的,混合室内喷嘴出口和引射蒸汽入口附近激波产生的局部高压明显小于理想气体模型的,工作蒸汽速度、温度的降低也要比理想气体模型的小。     

Numerical modeling study for the analysis of transient flow characteristics of gas, oil, water, and hydrate flow through a pipeline

This study presents the development of a four-phase, four-fluid flow pipeline simulator to describe simultaneous flow of gas, oil, water, and hydrate through a pipeline. The model has been equipped with a phase behavior model and hydrate equilibrium model to efficiently estimate thermodynamic and hydrodynamic properties of multicomponent mixtures. The governing equations are formulated for describing the physical phenomena of mass, momentum, and heat transfers between the fluids, and the wall. The equations are solved by utilizing the implicit finite-difference method on the staggered-grid system which can properly describe the boundary conditions as well as phase appearance or disappearance. The developed pipeline simulator has been validated against the field data presented by a previous investigator, and their matches are found to be relatively excellent. The model also has been applied to a multi-component, four-phase flow system in order to examine the transient flow characteristics in pipeline. Also, the potential and the location of hydrate formed in the pipeline have been studied by analyzing the flow characteristics. As a result, it was found that a pipeline system flowing gas, oil, water, and hydrate could be optimized by systematically investigating the hydrodynamic variables for the prevention of hydrate formation.     

大落差天然气管道水合物生成特点分析

为了分析中缅天然气管道大落差管道的水合物生成情况,以龙陵输气站至弥渡输气站间总长度为250 km、最大相对高差为1 654 m的管段为研究对象,以Pipeline Studio和PVTSIM软件为工具,建立了中缅天然气管道大落差管段仿真模型。以此为基础,计算了不同输量下管道沿线的压力、温度分布及水合物生成条件。通过沿线温度与水合物生成温度的对比,分析了水合物的生成情况。结果表明,受地形起伏影响,在管道的局部高点处,天然气的温度可低于地温7℃以上,使管道面临生成水合物的风险,提出了针对性的水合物防治措施。     

天然气水合物的防治方法综述

随着油气田开发的不断深入和深海油气田的不断发展,天然气水合物的生成对油气田开发和管道运输均有很大危害。介绍了天然气水合物的形成机理和基本过程,概述了四种抑制天然气水合物生成的方法,分为干燥法,如干空气干燥法;压力控制法,如逐级节流法;加热法,如水套炉加热法、热水管加热法、电磁加热法;注入化学抑制剂法,如热力学抑制剂法、动力学抑制剂法和几种新型抑制剂法,并分析了各自的适用范围和作用机理,提出了国内今后的水合物抑止技术的发展方向。     

天然气水化物生成条件研究

在一定的温度和压力条件下,含水天然气可生成白色致密的结晶固体,称为天然气水化物(NGH natural gas hydrate)。天然气水化物的局部积累将减少输气管道的横截面积,限制管线中天然气的流量,降低输气量。本论文对天然气水化物的生成条件和机理进行了分析,从水化物的生成机理入手,详细了剖析了水化物生成的原因,对天然气水化物的生成条件做了全面的介绍,同时给出了较为全面的水化物生成条件预测模型。     

油水体系内水合物的生成:温度、压力和搅拌速率影响

水合物在管道内的生成对流动安全保障构成了极大威胁。为研究水合物在油水体系内的生成特性,本文以天然气、柴油、水为实验介质,在高压可视反应釜内开展了一系列不同温度、压力和搅拌速率的水合物生成实验。根据测试实验中温度、压力的变化趋势,首先分析了两种不同实验步骤下水合物的生成过程。然后,基于从反应釜可视窗处观察到的实验现象,研究了温度、压力和搅拌速率对水合物生成和分布位置、水合物生成形态及水合物形态演化过程的影响。实验中,可以观察到水合物的聚集、沉积和壁面膜生长现象。同时,实验还研究了温度、压力和搅拌转速对诱导时间、壁面水合物膜生长速率及气体消耗速率等水合物生成动力学参数的影响。本文研究成果可为油气管道水合物防治技术的发展提供理论支持。     

天然气水合物浆体流变性与安全流动边界研究进展

水合物安全流动技术作为一种新型的天然气运输管理方法具有广阔的发展前景,本文在综述国内外天然气水合物安全流动研究的基础上,分析了管道流动天然气水合物生成机理、特点和对油气管道的不利影响以及现有水合物安全流动研究存在的问题,包括实验管道长度较短、着重流动规律的研究而缺乏对流动边界的拓展等。进而对国内外天然气水合物低剂量抑制剂(low dosage hydrate inhibitor,LDHI)在保障天然气水合物安全流动、拓展天然气水合物安全流动边界以及螺旋流携带研究进行了总结评述;随后提出了利用螺旋流悬浮输送技术保障天然气水合物安全流动、拓展流动边界的新型方法。结合实验结果分析表明:螺旋流动从宏观上改变水合物浆体流动特点、有效提高水合物浆液的输送浓度并可拓展水合物安全流动边界。     

大牛地气田水合物防治工艺

天然气水合物形成后堵塞井筒、管线、阀门及各种设备,给天然气的开采、集输和加工带来危害,如何经济有效地防止水合物生成是很多油气田面临的问题。大牛地气田产水气井在不同程度上存在水合物问题,某些气井水合物堵塞相当严重。本文分析了大牛地气田水合物形成情况和水合物抑制剂的使用情况,通过现场数据对甲醇和乙二醇进行对比,优选甲醇作为大牛地水合物抑制剂,并给出合理的抑制剂用量为现场应用提供了理论指导。     

Dynamics of hydrate formation and deposition under pseudo multiphase flow

Gas hydrate formation is considered one of the major challenges in the flow assurance of deepwater oil and gas pipelines, as their blockage by hydrate can lead to significant production/economic loss and safety risk. Understanding the hydrate formation and deposition processes can improve the management methods in field development and production. This study used a high‐pressure rocking cell to simulate multiphase flow conditions to visually investigate the hydrate formation and deposition from an oil‐gas‐water system. The changing hydrate morphologies, flow pattern and particle distribution during hydrate formation were studied and a conceptual model was proposed. The relative motion of hydrates to the cell wall and the final morphology of the hydrate chunks are found to be two critical parameters for evaluating hydrate deposition characteristics in the flow system. Five types of hydrate deposition morphologies are observed and these are correlated to the hydrate porosity. © 2017 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 63: 4136–4146, 2017     

天然气水合物形成与生长影响因素综述

天然气水合物(NGH)是水分子和天然气分子形成的一种复杂的笼型晶体,其在油气管道输送、天然气储存和制冷等行业中都具有重要的研究意义和利用价值,但天然气水合物的形成是一个多组分、多阶段的复杂过程,不同因素对于天然气水合物形成和生长的影响尚有待明确。本文介绍了天然气水合物形成的物理过程以及水合物成核的3种机理假说;详细梳理了基质两亲性、添加剂、多孔介质环境和杂质、液体组成、温度压力以及流动条件等因素对于天然气水合物形成和生长的影响,并对其作了简要分析。同时指出,原油组成对于水合物抑制效果的定量化、蜡晶结构对于水合物形成过程中传质和传热的影响以及微观化的动力学抑制剂抑制机理等都是水合物相关研究中需要进一步深入探究和明确的问题。