天然气水合物气液分离方案设计与样机试制

针对海域天然气水合物降压开采过程中气相含液严重影响水合物采收率的问题,结合我国南海神狐海域天然气水合物的实际工况,提出了一种天然气水合物气液螺旋分离装置设计方案,基于压缩因子校正的理想气体状态方程和Dean-Stiel黏度模型,计算了开采地层温压条件下天然气的物性参数,结合计算的关键零部件的结构参数,完成了气液螺旋分离装置的结构设计,同时开展了天然气水合物气液螺旋分离装置的样机试制与试验测试。研究结果表明：天然气实际开采过程中,气体流量较小,液相含量较低,适宜采用螺旋分离装置;在实际开采地层中天然气的密度为130.785 kg/m³,动力黏度为0.018 2 mPa·s,确定天然气水合物气液螺旋分离装置的螺距为70 mm,圈数为7,螺旋体管外径为105.0 mm;在液相体积分数10%以下,样机分离效率整体在90%以上。研究结果可为高效安全地开发天然气水合物资源提供技术支持。     

自主开发实验教学仪器对教学质量影响研究与实践

中国石油大学是一所石油特色鲜明的综合性大学,机械工程专业的核心课程大部分与石油装备相关。目前专业实验教学环节存在教学设备老旧、仪器较为通用的问题,针对这些问题,课程团队提出了基于教学大纲自主设计开发实验教学仪器的理念,并进行了两轮教学应用,分析了自主研发实验教学平台对教学质量的影响。     

车载页岩气压裂泵动力端特性分析

车载页岩气压裂泵工况恶劣,要求承受高压、循环载荷作用,承受的工作载荷随着压裂压力的提高而越来越大。压裂泵的动力端是动力输入端的与液力端间传递力的部分,为保证压裂泵安全、有效地工作,有必要对压裂泵动力端进行分析研究。本文针对压裂泵动力端重要零部件建立了三维模型,对动力端曲柄滑块机构进行运动学、动力学分析,结果表明,该机构运行稳定可靠,满足使用要求。     

锦纶帘线封隔器胶筒工作性能及其影响因素

锦纶帘线封隔器胶筒适用于井眼小、井壁不规则、地层压力大的裸眼井况,但是也存在着承压性能低、密封性能差等不足。为了提高锦纶帘线胶筒的工作性能,通过拉伸试验和Gough-Tangorra理论获得橡胶和帘线的材料参数,建立锦纶帘线胶筒三维数值仿真模型,并结合室内试验验证仿真模型的准确性;进而研究不同坐封压力下锦纶帘线胶筒应力和接触应力变化规律,系统地分析了帘线角度、帘线层数和帘线间距对胶筒承压性能和密封性能的影响。研究结果表明:①试验测得锦纶帘线胶筒最大坐封压力为70MPa,最大工作压力为50 MPa,残余变形为3.2%;②基于REFINE 265单元建立锦纶帘线胶筒三维数值仿真模型,仿真结果与试验结果误差小于15%,可以满足工程分析的需求;③随着帘线角度从14°增加至20°,帘线应力线性增大,橡胶应力和接触应力小幅度降低;④随着帘线层数从2层增加至8层,橡胶应力和接触应力显著下降,帘线应力加速下降,最高下降幅度达到64%;⑤随着帘线间距从1.4 mm增加至2 mm,橡胶应力和帘线应力同步增大,接触应力降低。结论认为,该研究成果为提高锦纶帘线胶筒的工作性能提供了理论依据。     

一种新型多级分段压裂自动投球器

投球压裂是页岩气水平井分段压裂改造的常用技术,目前的投球器存在着压裂球尺寸小、投球数量有限、结构过于复杂、适用性差等问题,不能满足页岩气井大通径、小间距压裂作业的需求。为此,设计出了一种转板式大通径井口自动投球器,该投球器上端设置储球筒,下端的底座内部布置投球机构,通过驱动电机控制投球机构实现逐个投球的功能;采用FEM(有限单元法)对该投球器的投球过程进行碰撞分析,通过任意拉格朗日欧拉(ALE)网格自适应方法和耦合的光滑粒子流体动力学(FEM-SPH)方法进行仿真模拟和样机实验。研究结果表明:①投球碰撞在转板上边缘处产生最大的等效应力、等效塑性应变和位移,产生的最大应力在600 MPa左右,小于42CrMo的屈服强度930 MPa,满足强度要求,并且具有一定的安全余量;②样机成功实现了投球直径介于64～108 mm、投球级差为4 mm的12级分段压裂连续投球测试。结论认为,该投球器操作简单、适用性广,可有效满足页岩气水平井多级分段压裂工艺的需要。     

磨粒布齿角度对旋进式修井磨鞋工作特性影响规律

针对复杂井筒工况下修井磨鞋钻进慢、磨损快的技术瓶颈问题，以前期优选的旋进式修井磨鞋为研究对象，基于剪切滑移线理论模型建立磨粒力学解析模型，明确磨粒布齿角度与修井磨鞋工作扭矩定量关系，基于Python语言的ABAQUS二次开发编写单磨粒切削仿真软件，实现单磨粒切削仿真模型参数化建模，试制不同布齿角度单磨粒修井磨鞋并完成实验测试，从布齿类型、成屑特征、切屑形态、切痕形貌和工作特性5个方面确定优选布齿角度。研究结果表明，零布齿角磨粒切削力增长最快，正布齿角切削力数值最大，负布齿角磨粒切削力数值最小且平稳波动变化，波动范围为642.5～785.3 N。随着磨粒布齿角度在0°～45°范围内增大，切屑体积逐渐减小，切屑长度由5 mm减小为2 mm,切屑形状由卷筒状变为不规则颗粒状。当布齿角度为5°和10°时，实验工件表面轮廓深度最大，达到1.0 mm。当磨粒布齿角度为8°时，材料去除质量最大，达到9.49 g,同时工作扭矩仅为28.7 N·m,工作过程较为平稳。综合考虑工作效率和工作安全，旋进式修井磨鞋的优选布齿角度为-8°。     

海域天然气水合物开采方案设计及气液分离特性分析

为了解决海域天然气水合物开采效率低、水合物大面积分解和二次生成等问题，以我国南海海域某天然气水合物开采井为例，结合降压法和热激法设计一种海域天然气水合物整体开采方案，运用数值模拟方法研究螺旋式、轴流导叶式、管柱式分离装置在不同气液比下分离效率及分离特性，同时开展气液分离实验验证结果准确性。结果表明：海域天然气水合物开采采用双管柱结构方案，生产井采用泄流面积更大的水平井方案。螺旋式分离装置适用于10%的液相含量（体积分数），优选螺旋分离装置进行海域天然气水合物气液分离，螺旋式分离装置前两圈螺旋处压降较大，压降达到325 Pa。液滴直径25～100μm时分离效率均达到了100%，分离效率随圈数的增多而增大，变化范围为79.2%～91.8%。分离效率实验与数值分析结果误差为5%，验证了气液分离数值模拟分析结果的准确性。本研究可为高效安全开发海域天然气水合物提供重要技术支持。