含杂质气态CO_2管道减压波传播特性

针对我国现有的气态CO_2管道,结合气液两相流声速计算模型,基于PR方程,建立了气态CO_2管道减压波传播特性的预测模型,并开发了相应的计算程序,分析了不同杂质及其含量、管道断裂初始温度和压力等对气态CO_2管道减压特性的影响。实验结果表明,杂质的混入使得气态CO_2减压波曲线的压力平台降低;气态CO_2管内甲烷含量越高,初始温度越高,初始压力越低,管道断裂扩展的风险越小。该模型可用于预测气态CO_2管道减压波的传播特性,为管材选择、气质要求提供理论参考。     

输气管道断裂过程中减压波传播特性研究

天然气管道一旦发生断裂,容易引起一系列重大事故,尤其是在高压富气管道断裂过程中,管道中的流体可能由单相变为两相,增大了管道裂纹扩展的风险。为此,结合经典的气体单相流和气液两相流声速统一计算模型,建立了新的输气管道减压波模型,研究了在减压过程中发生相变时的减压波特性,并开发了相应的计算程序Decomwave,分析了气质、压力、温度对减压波特性的影响,指出随着重组分的增加、压力的升高和温度的降低,减压波特性逐渐从单相中减压波特性变为气液两相中的减压波特性。实例验证表明,该模型不仅能够准确描述干气输送管道断裂过程中的减压波传播特性,而且能够较好地描述富气管道减压波传播过程中出现的相变过程及进入两相区后的减压波特性,可用于输气管道断裂过程中减压波传播特性的研究。     

超临界CO_2管道放空特性研究

大规模长距离输送二氧化碳(CO_2)时一般采用管道输送,管内压降和温降是影响超临界CO_2管道放空安全问题的重要因素。与天然气管道相比,超临界CO_2管道放空时CO_2的降压可能导致管道内低温,甚至形成干冰从而对管道及设备造成损伤,危害管道安全。采用OLGA软件对超临界CO_2管道放空过程参数变化规律进行动态模拟,研究表明:初始压力越高或者初始温度越低,放空时间越长,管内越早产生气液两相,管内最低温度值越小,生成干冰的风险也越大。超临界CO_2管道放空时宜采取加热、保温等措施,使管道内流体保持气态泄放,从而有效防止干冰的生成以及管道低温损伤。     

含杂质CO2体系相态特性及CO2低温液态储存蒸发特性实验研究

通过实验对含杂质CO2体系相态特性和CO2低温液态储存蒸发特性进行了研究.杂质含量越高,含杂质CO2体系的泡点压力和露点压力越高;杂质含量对泡点压力的影响程度较大,露点压力仅与杂质含量有关,而与杂质种类无关.初始充满率和环境温度对储罐内CO2压力和液相蒸发率都有显著影响;在初始充满率相同的情况下,外界环境温度越高,储罐内CO2压力和液相温度上升越快,储罐内CO2平均蒸发率越大;在外界环境温度相同的情况下,储罐内CO2初始充满率越高,其平均蒸发率越小.HYSYS软件模拟计算结果与实验结果的对比表明,可以利用HYSYS软件进行含杂质CO2体系相态特性及CO2低温液态储存蒸发特性的模拟分析.     

超临界CO_2管道泄漏量计算研究

采用小尺度CO_2实验管道开展了超临界CO_2管道的泄漏实验,测量了超临界CO_2管道泄漏过程中泄漏质量流量的变化规律,分析了泄漏孔径和N_2含量对超临界CO_2管道泄漏量的影响规律。基于等熵流动原理,建立了可以用于计算泄漏口处泄漏量的等熵泄漏模型。实验结果表明,等熵泄漏模型能够很好的预测管道的泄漏质量流量,在稳定泄漏阶段,模型计算值与实验测定值几乎一致;泄漏孔径越小,模型计算值与实验测定值之间的偏差也越小;N_2的存在增大了管道初始泄漏量,而在稳定泄漏阶段,N_2含量越高,泄漏质量流量越小。     

管输超临界CO_2泄漏过程管内瞬变特性研究

CO2输送是整个CCUS技术中重要的中间环节,而管道输送则是超临界CO2最高效和最经济的输送方式。为了研究超临界CO2泄压过程中管内节点温度、压力和相态的变化,针对管道泄漏工况,利用OLGA软件对不同初始压力、温度和流量对泄放过程中管段内不同节点的温度、压力等参数和CO2的相态变化的影响进行模拟和分析。分析结果表明:泄漏发生时,输送压力越低,管道泄漏口处的温度越低,应在设计时考虑管道的耐低温能力;初始输送温度对管输压降和流量变化影响不大,主要影响管内温度,进而影响CO2的相态变化。初始温度过高,CO2易在泄漏过程中转为气态,对管道造成冲击;初始温度过低,管道温降加快,更易产生干冰,两种情况均会对管道造成损伤。针对超临界CO2管道输送系统,应考虑泄漏过程中减压波的传递对泄漏口裂纹扩展的影响。所得结果可为我国CCUS技术的发展提供理论支持。     

输送工艺参数对密相/超临界CO2管道止裂韧性的影响

为了研究密相/超临界CO₂输送管道的止裂性能，以密相/超临界CO₂长输管道断裂控制为研究目标，针对实际工况，基于GERG-2008状态方程、BTC双曲线模型和X65管道，计算分析了燃烧后捕获、燃烧前捕获和富氧燃烧捕获三种捕获方式下CO₂气质组分、初始温度、初始压力、管径和设计系数等对压力温度(P-T)状态、减压波曲线、止裂韧性的影响。结果发现，杂质组分的增加以及提高初始温度、增大管径、增大设计系数会导致密相/超临界CO₂输送管道止裂韧性增加；而提高初始压力会导致密相/超临界CO₂输送管道止裂韧性降低；燃烧后捕获产生的CO₂混合物输送管道所需的止裂韧性最小，富氧燃烧捕获产生的CO₂混合物输送管道所需的止裂韧性最高。该结果可为CO₂管道设计和工程应用提供理论依据。     

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。     

不同相态管输CO_2的节流放空实验

为了探究管输CO_2节流放空过程中的压力、温度响应及相态变化,基于Joule-Thomson效应搭建了橇装实验装置,分别进行了超临界态、液态、气态及含杂质气态CO_2多级节流放空实验。通过实验发现:(1)超临界态及气态实验出口温度先上升后下降,而液态实验出口温度先下降后上升并最终与主管温度变化一致;(2)主管内CO_2的压力、温度随着实验的进行而不断下降,且各截面之间参数差异明显,表明压力扰动传播速度受密度影响;(3)含杂质N2的CO_2放空时出口温度低于纯气态CO_2放空,主管内压力随时间变化速率大于纯CO_2实验主管压力变化速率;(4)管外气云逐渐收缩为气锥,气锥随管内压力下降、温度上升逐渐减弱并最终消失。实验结果表明:(1)在单级节流相同压降下,液态实验产生的温降明显小于超临界态及气态节流温降,但液态CO_2全节流过程会因发生相变而使平均节流效应增强;(2)密度影响内能对外耗散的程度,进而影响节流系数,即密度增大,节流系数降低。进而建议,通过增大泄放速率、节流入口增温、节流出口整流等措施来实现对CO_2放空过程的安全控制。     

负压波法在液体管道上的可检测泄漏率分析

由于管道泄漏引发的负压波大小及其沿管道的衰减程度都与管道工况、长度、口径和介质物性等管道特性有关,因此管道特性决定了负压波法在管道上的可检测性。依据特征线理论,对管道的泄漏发生机理和压力波传播机理进行了研究,建立了管道内产生负压波及其传播中衰减程度的计算模型,并利用实际输油管道的操作数据验证了所建立的计算模型的准确性。以该计算模型为基础,进一步分析了管道特性与负压波法的可检测泄漏率等指标的关系,为管道的设计和布局提供参考,并可对基于负压波法的管道泄漏检测系统进行正确的评价。     

气体杂质对管道输送CO_2相态的影响

CO_2的捕集、利用和封存(CCUS)是当前环保的热点话题,而管道输送是CCUS技术的关键环节。CO_2气源含有各种杂质,杂质对CO_2的相态有着很大影响,因此了解含杂质的CO_2的相态特征并了解其与纯CO_2性质的不同是开展CCUS技术研究的基础。通过对状态方程的对比研究,确定PR方程作为计算含杂质的CO_2相态的状态方程,并用HYSYS软件对含杂质的CO_2的基本相态特征及物化性质进行了研究。得到了延长油田含杂质的CO_2的临界温度Tc=30.36℃,临界压力Pc=7.55MPa,相比纯CO_2,含杂质的CO_2的临界温度降低,临界压力升高,且相态图中出现了两相区域,表明了杂质的存在增加了CO_2管道输送的难度;在临界点附近,压力和温度的微小变化将引起CO_2流体密度、粘度、导热系数和压缩系数较大幅度的改变。     

水合物法分离混合气体效果研究

利用可视化高压水合物生成装置对纳米石墨粉(NGP)以及SDBS添加剂体系中CO_2+N_2混合气体的水合物法分离进行实验研究。以CO_2回收率和分离因子作为主要评价参数,研究了实验温度,初始压力以及添加剂对分离效果的影响。结果发现,温度越低、压力越高,分离效果越好,并且纳米石墨粉可以很好地提高混合气体的分离效率。     

弯曲管道内气相爆轰传播特性实验研究

对乙烯-空气爆轰波在弯曲管道内的传播特性进行了实验研究,利用不锈钢弧形管和螺旋管,分析比较不同弯管对乙烯-空气爆轰波传播特性的影响。结果表明:可燃气体爆轰波在弧形管道内传播时,波速逐渐降低,且波速弯曲通道的管径越小,曲率半径越小,爆轰传播速度下降的越快。可燃气体爆轰压力在螺旋形弯管中传播时不断衰减降低,且螺旋管螺距越小,曲率半径越小,压力亏损越明显。     

某油田CO_2驱伴生气杂质对回注条件的影响

为保证循环回注CO_2驱油田伴生气的注入效果,将某油田先导试验区见气井气质组分按比例做离散处理形成初始数据并建立了仿真模型。利用所建模型分别对含氮气、硫化氢和轻烃三种杂质的伴生气物性进行了计算,分析了各杂质含量对临界压力、临界温度、相平衡以及密度的影响。结果发现,氮气含量的变化对相平衡影响最大,硫化氢和乙烷的影响较小。含杂质的伴生气其临界压力均高于纯CO_2,临界温度的升高或降低则取决于杂质的种类。在实际工程中,为了减少伴生气在回注过程中的密度波动,注入压力应高于伴生气的临界压力;当伴生气氮气含量高达20%时,回注压力需在12.56 MPa以上;当伴生气轻烃含量在80%以内,回注压力保持10.31 MPa以上即可保证回注效果。     

含杂质超临界CO_2输送管道的停输影响因素

CO_2管道输送和安全运行相关技术的研究是CCUS技术推广的重要一环。在年生产36万吨CO_2的陕西延长油田CCUS项目基础上,对管道输运含杂质超临界CO_2的过程进行研究。在分析延长油田实际含杂质CO_2物性及相图的前提下,采用OLGA软件分析超临界CO_2稳态输送过程,进而研究超临界CO_2管道停输及安全停输的影响因素,分析停输过程中流体达到准临界区的脉动规律,及初始温度、流量参数对CO_2管道停输的影响,获得初始条件对脉动冲击的影响规律。     

CO_2驱配套地面工艺技术研究现状

CO_2驱油是油田提高采收率的重要手段之一,开展对CO_2驱油配套地面工艺全过程(CO_2的捕集、管输、增压及回注)的系统梳理与总结,有利于明确其关键技术问题,以推广该技术的应用。对CO_2捕集工艺而言,须明确各工艺方法的适用性,深入研究多法联用技术以适应工况的变化;根据所建膜分离和化学吸收法联合捕集工艺的模拟,表明该工艺方案可以实现对含高浓度CO_2产出气中CO_2的富集提纯以利于CO_2的循环注入工艺。对CO_2管道输送工艺而言,根据应用PR方程所开展的含杂质CO_2物性参数计算结果,明确了杂质种类、杂质含量以及沿线温度压力变化对CO_2物性参数的影响不可忽略,选用精度高的物性计算方法,关注杂质对管输CO_2相态及物性参数的影响至关重要;根据应用商用PIPESIM软件所建立的CO_2管输工艺模型计算结果,指出在水力热力计算结果上所开展的参数优化须充分考虑各种因素对运行参数的影响,以期得到更优的计算结果。对CO_2增压工艺而言,在相平衡控制和预处理基础上开展的增压设备选型是保证该工艺经济可行的关键。对CO_2回注工艺而言,完善的注入增压技术的应用须重点关注气体组成。最后,给出了CO_2驱配套地面各关键环节工艺设计的建议。     

高压CO2管道泄漏动态压力计算模型研究

高压CO₂管道运行过程中可能因为腐蚀或外部因素发生泄漏,由于CO₂相态复杂,管内压力相应产生复杂动态响应变化,管内压力动态变化规律对于减压波预测、管材韧性止裂具有重要影响。为研究不同工况下管道泄漏过程中管内压力变化特性,基于等熵原理建立了高压CO₂管道泄漏管内动态压力计算模型,并结合工业规模CO₂管道泄漏实验数据以及HYSYS软件计算结果对模型进行了验证。结果表明：相比HYSYS软件,新建模型对于高压CO₂管道泄漏过程压降的预测与实验结果更吻合,平均预测误差为3.9%,表明新建模型可以准确预测高压CO₂管道泄漏过程管内压力的动态响应变化规律。研究成果可为高压CO₂管道泄漏过程管内动态减压特征预测提供理论支撑。     

温度压力对CO_2泡沫相态和性能影响研究

通过高温高压可视化泡沫仪研究了气态、液态和超临界状态下CO_2泡沫性能。试验结果表明,超临界CO_2形成的泡沫形态介于气态CO_2形成的泡沫和液态CO_2形成的乳状液之间。CO_2泡沫随着压力升高、温度降低均趋于稳定的状态,但压力影响显著。随着温度升高,CO_2泡沫的起泡体积和半衰期降低;随着压力增加,特别是在超临界条件下,CO_2泡沫的起泡和稳泡能力均明显增加。在泡沫封堵试验中,超临界CO_2形成的泡沫阻力因子高于气态和液态CO_2形成的泡沫体系。     

挥发性油藏CO2驱动态混相特征

挥发性油藏地层能量充足,原始地层压力高,常规水驱开发难以实施。CO_2驱以其良好的驱油特性在该类油藏中得到了应用,但由于挥发性原油气油比高,溶解气中甲烷含量高,导致CO_2驱混相压力高,使得其驱油效果受到一定的影响。通过室内实验和数值模拟,研究挥发性油藏注CO_2过程中的动态混相特征,并剖析衰竭开发转CO_2驱界限。结果表明:挥发性油藏存在着适度衰竭转CO_2驱"脱气降混"机理,即随着地层压力的降低,原油中甲烷成分部分脱出,有助于CO_2驱最小混相压力的降低。另外,其脱气降混程度与其原油类型和溶解气油比有关,原油越接近于凝析油,气油比越高,混相压力降低程度越大;反之,原油越接近于黑油,气油比越低,混相压力降低程度越小。结合动态混相机理,提出了挥发性油藏衰竭开发转CO_2驱界限,即气油比越高,其转驱界限越低,脱气后CO_2混相驱补充地层能量幅度越小;反之,转驱界限越高,补充地层能量幅度越大。     

N_2、CH_4对超临界CO_2管线温降的影响规律

气体杂质的存在会不同程度地对超临界状态下CO_2的物理性质产生影响,进而影响管道的安全运行。为研究N_2、CH_4对超临界CO_2管道沿线温降的影响规律,利用HYSYS软件对含N-2、CH_4的超临界CO_2的物理性质进行模拟计算,在苏霍夫公式的基础上建立超临界CO_2管线的温降模型,利用VB 6.0软件编写温降计算程序,采用循环迭代的方法计算管道沿线温度变化。研究表明,PR方程对含N_2、CH_4的超临界CO_2体系在物理性质模拟计算方面优于其他状态方程;N_2、CH_4的存在使超临界CO_2的密度、黏度减小,比热容、压缩因子增大;正常运行时,管道周围形成稳定的温度场,管内超临界CO_2的沿线温度降低,N_2、CH_4的混入会减小超临界CO_2管道输送过程中的温度衰降。