超临界二氧化碳压裂井筒非稳态温度-压力耦合模型

井筒内温度、压力对二氧化碳物性参数影响较大,且三者之间相互影响,需进行耦合求解。基于连续性方程、运动方程、能量守恒定律和传热学理论,建立了超临界二氧化碳压裂井筒非稳态温度-压力耦合模型。采用交错网格全隐式离散模型,并调用Refprop软件计算二氧化碳物性参数,采用循环迭代求解。计算结果表明:在目前施工条件下井底二氧化碳能达到超临界状态;井口二氧化碳注入温度对井筒温度影响明显,而对井筒压力影响较弱;二氧化碳注入压力和油管粗糙度对井筒压力影响较大,而对井筒温度影响较弱;二氧化碳注入排量对井筒温度、压力均有明显影响。二氧化碳的高摩阻和低黏度分别限制了施工排量和砂比的提升,因此需进一步加强流体减阻和增稠方面的研究。     

适用于超临界CO2管道的稳态输送水力热力计算模型

超临界CO₂管道输送是碳捕集、利用与封存(Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS)中的重要环节,由于超临界CO₂水力热力特性与气液有明显差异,为满足实际CO₂管道工艺方案设计要求,需要建立适用于超临界CO₂的水力热力计算模型,为CO₂管道工艺设计参数选择及方案优选提供理论支撑。基于此,以考虑高程差的管道稳态连续性方程、运动方程、能量方程三大守恒方程为基础,结合相平衡实验选择适宜状态方程计算纯CO₂或含杂质CO₂的物性参数,采用四阶龙格—库塔法迭代数值求解,通过C++语言采用自适应步长设置来满足实际高程变化影响,自主编程得到了一维非等温考虑地形起伏的超临界CO₂管输稳态水力热力计算模型,并分别通过实验和OLGA软件从多个方面验证了模型具有较高的精度。利用建立的模型研究杂质含量及种类对CO₂管道稳态输送过程的压降和温降的影响,得到杂质种类对压降...     

超临界CO_2管道安全输送距离敏感性分析

为保障超临界CO_2管道安全、高效运行,有必要研究超临界CO_2管道安全输送距离。以长庆油田超临界CO_2管道工程为例,对含杂质CO_2流体的相态特性及物化性质进行计算分析,确定超临界CO_2管道的最低运行压力和最低运行温度;改变管径、高程差与地温设计参数,调整入口温度与输量运行参数,计算不同条件下超临界CO_2管道输送距离,分析在输送距离范围内的压降梯度和流速变化。结果表明:影响输送距离的主要因素为入口温度、地温及输量,综合考虑输送距离和管道压降,为使CO_2在输送过程中处于超临界态运行,在管道设计时,选择管道路由应尽量避开上坡段,管径为250 mm较合适;在管道运行时,输量控制在1～1.5 Mt/a,出口温度不宜高于60℃。对不同入口压力进行经济性分析,当入口压力为13 MPa时,CO_2管道运输成本最低,为29.57元/t,通过经济优化得出管道输送距离为177.6 km。     

成品油长输管道顺序输送离线模拟

根据管道和泵站能量平衡和质量平衡原则的数学物理模型,模拟了长输管道顺序输送不同油品的水力变化情况,并对不同油品的混油界面进行了离线跟踪。编制的应用软件,能给出计算结果,可用于同实际管道运行结果进行对比。编制的应用软件能够自动优化用户输入的油品数据;能够在分油和不分油两种情况下,计算输送单一油品的输量及各站的进出站压力,得出全线输量随时间的变化关系。如用该软件可以对管道顺序输送中输送状态及混油界面进行离线监控。该软件可应用于实际工程。     

超临界二氧化碳钻井流体关键技术研究

超临界二氧化碳钻井技术是利用超临界二氧化碳作为钻井流体的一种新型钻井方法,具有能有效驱动深井井下马达,控制井底压力容易,破岩门限压力低、破岩速度快,能防止储层损害等优点,但成功利用超临界二氧化碳钻井技术的关键是充分了解超临界二氧化碳钻井过程中井筒中二氧化碳流体的温度和压力分布。为此,建立了考虑井筒流体与地层换热对井筒流体温度影响的井筒传热模型,根据能量守恒原理,推导出了井筒流体温度计算模型,并考虑到钻井过程中可能钻遇水层的情况,对该计算模型进行了修正;利用有限元方法,推导出了井筒内二氧化碳钻井流体的压力计算公式。实例计算表明:钻杆内二氧化碳流体的温度和压力随井深增深而增大,但与井深的关系是非线性关系;钻杆内二氧化碳流体的密度随井深的增加而减小,但到近钻头处开始增大。环空中的压力随井深的增加而增大,但两者的关系也是非线性关系;环空中的温度随井深增加先升高后降低;环空中的二氧化碳密度随井深增加而增大,但两者为非线性关系。      

井筒注二氧化碳双重非稳态耦合模型

二氧化碳在石油工业中有着广阔的应用前景,但目前井筒注二氧化碳模型均未能表征注二氧化碳过程井筒内流动和传热双重非稳态问题。采用Span-Wagner模型和Vesovic模型对二氧化碳热物性参数进行计算,联立连续性方程、运动方程和能量守恒方程,建立了能模拟短期和长期注二氧化碳过程的井筒双重非稳态耦合模型。采用温度和流速双重迭代算法进行数值求解,并完成实例验证和相关理论分析。计算结果表明:新模型能较准确地计算注二氧化碳井筒温度、压力值;摩擦生热项在较大摩阻梯度下不能忽略,而焦耳-汤姆森效应和储层岩性的影响可以忽略。修正后的新模型还可用于预测水力压裂等工艺过程井筒温度分布。     

湿气混输管道瞬态输送数值模拟研究

湿天然气在混输过程中管道内会产生凝析液和水,由此带来水合物和腐蚀等一系列安全隐患问题,而现有的多相流模型对湿天然气管道低含液率输送工况的计算适用性较差。为准确预测湿天然气管道的低含液率瞬态流动特性,基于双流体模型和特征线算法提出了一个新的低含液率气液混输瞬态水力计算模型,通过实验验证了模型的计算精度,并针对湿天然气管道长距离输送的供气和储气瞬态过程进行了模拟分析。研究结果表明,建立的瞬态水力计算模型能够较准确地预测湿天然气管道的集液量、集气量、起终点压力变化等瞬态输送过程,模型所采用的差分特征线算法具有较好的稳定性和收敛性。     

超临界/密相二氧化碳长输管道内径计算方法探讨

随着二氧化碳捕集、利用及封存技术的不断应用,二氧化碳管道的建设需求逐渐增大。确定长输管道的直径,是研究超临界/密相二氧化碳管道输运工艺及经济性的首要问题。通过理论分析,基于机械能衡算方程推导了超临界/密相二氧化碳长输管道内径计算公式,分析了部分计算参数,如平均压力、平均温度、平均压缩因子和摩擦因数等的确定方法。将管道内径计算结果与现有文献计算结果进行了对比,验证了提出的管道内径计算公式的可靠性。     

超临界二氧化碳管道杂质对节流温降的影响

超临界二氧化碳管道输送安全是碳捕集与封存技术(Carbon Capture and Storage,即CCS)的一个重要环节。当超临界管道压力过高时,一般采用节流方式泄放管内高压,节流过程产生的温降可以根据绝热假设进行预测。根据绝热假设及能量守恒关系,通过求解临界节流过程中出口速度与音速的关系式,建立临界节流比与绝热指数关系;烟气二氧化碳中含有杂质,会影响节流过程中产生的温降,根据伯努利方程及等温焓差迭代方法计算节流温降,并依据二元交互作用系数混合规则分析超临界二氧化碳管道中杂质对节流温降的影响。研究结果表明:当二氧化碳中含有的杂质为二氧化硫时,有助于提高节流后的温度,并降低发生干冰堵塞的可能,然而当杂质为氮气时则会进一步降低节流后的温度。通过实例分析给出烟气二氧化碳节流具体操作建议:当采用多级节流时,较高的初始温度可以防止放空管出口处形成干冰。     

超临界二氧化碳射流计算模型的建立与射流特性分析北大核心CSCD

超临界二氧化碳射流是开发天然气水合物、页岩气等非常规能源的一项新兴技术,射流计算和特性分析是该技术的理论基础。基于一维可压缩流动理论,考虑二氧化碳气体的真实性质,建立了超临界二氧化碳射流计算模型,并分析了工况参数对超临界二氧化碳射流特性的影响。研究结果表明,本文建立的超临界二氧化碳射流计算模型具有较高的计算精度,可适用于现场工艺参数优化和方案设计;提高喷嘴压降可以增加射流速度,但是对射流马赫数的影响不明显;随着入口温度的增加,射流速度和射流马赫数均有所增长;围压的升高抑制了射流速度的增加,且极大降低了射流马赫数;提高喷嘴压降和围压都使射流的性质向高密度不可压缩流体转化,而入口温度的增加使射流性质更趋向于低密度可压缩流体。本文研究成果可为超临界二氧化碳射流技术的现场应用和方案设计提供理论支撑。     

超临界二氧化碳射流计算模型的建立与射流特性分析

超临界二氧化碳射流是开发天然气水合物、页岩气等非常规能源的一项新兴技术,射流计算和特性分析是该技术的理论基础。基于一维可压缩流动理论,考虑二氧化碳气体的真实性质,建立了超临界二氧化碳射流计算模型,并分析了工况参数对超临界二氧化碳射流特性的影响。研究结果表明,本文建立的超临界二氧化碳射流计算模型具有较高的计算精度,可适用于现场工艺参数优化和方案设计;提高喷嘴压降可以增加射流速度,但是对射流马赫数的影响不明显;随着入口温度的增加,射流速度和射流马赫数均有所增长;围压的升高抑制了射流速度的增加,且极大降低了射流马赫数;提高喷嘴压降和围压都使射流的性质向高密度不可压缩流体转化,而入口温度的增加使射流性质更趋向于低密度可压缩流体。本文研究成果可为超临界二氧化碳射流技术的现场应用和方案设计提供理论支撑。     

CO2超临界态输送技术研究

为了提高CO₂管道输送效率,一般采用超临界密相输送。为此,利用组分热力学模型以及水力学模型,分别对CO₂液化管道输送、超临界输送和密相输送进行分析研究,对不同相态条件下的管道输送规律进行了模拟计算,得到了压力、温度等在输送过程的变化规律,并就压降-长度关系、压降-二氧化碳摩尔流量关系和压降-内径关系对3种输送方式进行了对比,得到如下结论：在相同的情况下,超临界输送时的压降比液化输送和密相输送的压降值要大,而液化输送的压降比密相输送大;超临界输送和密相输送的压力都很高,输送过程中基本不会发生气化,而液化输送随着输送过程中压力的降低、温度的升高,CO₂很容易气化;不同的输送方式无论从经济性还是能耗上都有很大的差别,输送状态的选择要根据整个系统的具体情况进行综合分析和评价。     

海底长距离湿气管线清管流动规律及方案优化

针对长距离湿气管线清管时出现的清管器速度过快、管线出口液体峰值过高、提高输量造成能耗增加等问题,基于OLGA软件建立长距离湿气管线清管模型,研究不同输量对水力清管管线入口压力、积液量的影响,研究不同输量下清管器作业时管线入口压力、清管器速度、管线出口累积液量变化规律。研究结果表明：在水力清管时,输量提升越多管线内积液量越低,但超过一定范围输量提升对积液量影响不明显;在清管器清管时,输量越大,管线入口压力振荡越小,清管器平均速度越高,管线出口瞬时液量峰值也越小。针对某气田进行清管瞬态模拟,结果表明,水力清管作业时将20万m3输量上调至28万m3、清管器清管作业时将输量下调至42万m3清管效果最佳。     

原油顺序输送管道安全停输时间研究

针对原油差温顺序输送工艺,建立了原油顺序输送管道安全停输时间计算模型,利用有限差分法对停输模型和再启动模型进行离散化,采用迭代法计算最小安全停输时间。以原油管道顺序输送大庆油和俄罗斯油为例,分别探讨混油界面位置、油品输量、油品输送温度和油品输送顺序对安全停输时间的影响。研究结果表明,大庆油顶俄油的停输时间长于俄油顶大庆油的停输时间;混油界面离出站点越远,停输时间越短;油品输送温度越高,停输时间越长;油品输量越大,停输时间越长。     

多源单汇多批次顺序输送管道调度优化

多源单汇管道系统可用于油田烃液、成品油、原油等的多批次顺序输送,是经济有效的输送模式之一。国内外学者对该种输送模式下批次调度优化做了一些研究,但目前并无模型及算法可以有效解决水力与调度非线性耦合、多源点同时注入的批次界面跟踪等问题。针对多源单汇多批次顺序输送管道,考虑源点外输模式、批次运移、新批次注入、罐存、流量以及水力等约束条件,以运行过程中泵的运行费用、启停泵成本及掺混成本最小作为多目标函数,建立混合整数非线性规划模型(MINLP),并选用优先级算法对模型进行求解。以多源单汇多批次顺序输送油田烃液管道为算例,建立了长期规划模型并求解,计算用时4.58 s,计算结果符合现场操作工艺。     

长输原油管道设计方案优化研究

研究了原油管道优化设计中考虑加减阻剂输送工艺时数学模型的建立及求解.首先建立了加减阻剂后水力坡降和减阻剂浓度与原油流量、粘度及管径关系的两个数学模型.用遗传算法优化技术分别求得两个模型中的回归参数,实例检验其最大误差仅为2.9750%.以此模型为基础,建立了加减阻剂与不加减阻剂时原油管道优化设计数学模型,采用混合离散变量遗传算法,混合离散变量复合形法与数据库技术相结合的策略来求解模型.这样既保证了最优解的可靠性、准确性,又加快了寻优速度.给出了原油管道优化设计数学模型的求解流程.算例表明,采用加减阻剂输送方案进行优化设计时,必须考虑减阻剂、电力、燃料价格对年折合费用、运行管理费用的影响.该算例的最优方案是:先按平均流量下不加剂进行优化设计;运行输量超过平均输量时,采用加剂输送工艺进行优化运行.     

轻烃管网顺序输送的可行性研究

某油气田轻烃管网系统目前采用间歇混合输送的方式将原稳烃、浅冷烃和深冷烃混合输送至下游,存在管网压力偏高且波动大、管输轻烃质量差、外输泵能耗偏大、管网运行操作难度大等问题。为此,借鉴成品油管道顺序输送原理,综合考虑各站场产烃类型、产烃量、泵机组外输量、启泵时间需求、管道承压能力、输烃顺序、混烃界面等,计算得出轻烃管网的顺序输送方案,并提出了顺序输送时应遵循的原则:①所有站场采取集中注入方式进行轻烃注入作业;②应尽量避免各站场同时注入轻烃,采取相邻站场相继注入的方式,确保管道稳定运行;③各站场注入轻烃时应避开混烃段;④各站场注入轻烃管网时,必须满足各注入支线的管输能力及外输泵的工作流量要求。最后验证了该方案的水力可行性和经济性。结果表明:轻烃管网采取顺序输送方案,可节省泵站运行费用19.4万元/a,减少混烃量约133.3×104 m3/a,对现场减少管网压力波动和混烃损失量等具有重要意义。     

超临界二氧化碳钻井时瞬态波动压力

利用超临界二氧化碳开发油气藏资源极具潜力,但是有许多基础问题仍有待研究,瞬态井底波动压力变化问题是其中之一。基于超临界二氧化碳的物性,文中考虑了超临界二氧化碳与钻柱、井壁的传热,建立了井筒流动控制方程、瞬态控制方程,最终获得井底的热流固耦合瞬态波动压力模型。在停泵条件下,起下钻速度越快,井底波动压力越大。当地面入口温度增大时,最大波动压力降低;当地面出口压力增大时,最大波动压力增大;当起下钻速度为0.1~2.0 m/s时,最大激动压力从0.13 MPa升到3.86 MPa,产生的最大抽汲压力从0.13 MPa升到1.83 MPa。与清水钻井对比发现,超临界二氧化碳钻井产生的波动压力偏低,有利于现场作业,可以适当加快起下钻速度,提高工作效率。     

支撑剂在超临界二氧化碳中的跟随性计算

超临界二氧化碳作为一种新型压裂液,是目前国内外的研究热点,但其携砂机理尚不明确,成为制约该项技术的关键问题之一。将跟随性的概念引入压裂液携砂研究,以支撑剂水平速度和压裂液水平流速的比值来表征支撑剂的跟随性或压裂液的携砂性能,并以跟随性为标准,对超临界二氧化碳的水平携砂性能进行了评价。在经典BBO方程的基础上,改进了拖曳力的表达式,联立拖曳力系数辅助方程组,建立了支撑剂在超临界二氧化碳中的跟随性计算模型,为评价和优化超临界二氧化碳输送支撑剂提供了理论依据。采用自主研发的实验设备,通过跟随性实验对该模型进行了检验,并采用模型进行了支撑剂在超临界二氧化碳中跟随性的影响因素分析。研究结果表明,在常用密度范围内,支撑剂密度对跟随性的影响不大,该数值分析结论与以往学者的实验研究结果相一致。此外,对比了砂粒在超临界二氧化碳、滑溜水以及空气中的跟随性,超临界二氧化碳的高密度特性对其携砂性能的影响大于低黏度特性对其携砂性能的影响,两者综合作用导致其携砂性能远高于空气,小于并接近滑溜水的携砂性能,特别是在较高流速下,超临界二氧化碳的水平携砂性能与滑溜水相当。     

西气东输一线管道掺氢输送压缩机运行工况适应性分析

目的将氢气掺入天然气管网会改变气体的组成和物性参数,使离心式压缩机运行工况点发生偏移,影响压缩机进出口压力、功率和能耗。为此,需对掺氢输送压缩机的运行工况进行适应性分析。 方法以西气东输一线管道为研究对象,考虑氢气掺入对天然气物性参数的影响,建立了基于相似换算方法的掺氢天然气离心压缩机特性计算模型、掺氢量为0%~20%条件下的掺氢天然气输送管道仿真模型;分析了掺氢前后在同等输量和同等发热量两种状态下,管道沿线压力、温度、离心式压缩机工况点与性能参数的变化规律。 结果对于同等输量工况,在输量为(2 800～4 500)×10⁴ m³/d,掺氢量为0%～20%时,掺氢量每增加5%,典型R-R型压缩机进口压力、出口压力和压头平均增加3.34%、1.60%和0.39%,压缩机自耗气、功率和压比平均减少0.35%、4.11%和1.64%;对于同等发热量工况,在输量为(2 800～3 500)×10⁴ m³/d、掺氢量为0%～20%时,掺氢量每增加5%,典型R-R型压缩机进口压力、出口压力、自耗气和功率平均增加7.31%、5.37%、4.78%和0.84%,压头和压比平均减少0.11%和1.72%。 结论西气东输一线管道压缩机适用于掺氢输送工况。 