基于AUSMV算法的井筒气液两相流瞬态流动规律模拟研究

在深层油气藏钻进中,由于井筒与地层连通且安全密度窗口较窄,极易发生物质交换,导致溢流、漏失以及溢漏同存频发,进而引起井筒内的复杂多相流动。为了实现精确控压、确保井控安全,需要掌握各种工况条件下井筒多相流动规律。针对井筒内的复杂多相流动,基于漂移模型建立井筒气液两相流瞬态流动模型,并利用高计算精度的AUSMV格式进行求解。借助MATLAB软件,编程模拟气侵下井筒内的气液两相流动规律,分析气侵量、滑脱速度等参数对井底压力、井口套压、气体速度以及气体体积分数的影响。结果表明:气侵量越大,井底压力、井口套压越大,气体体积分数达到100%的速度越快,气体逆流现象越明显;滑脱速度越大,井底压力和井口套压达到稳定状态的时间越短,气体的运动速度越大,气体体积分数几乎不受滑脱速度的影响;流动参数对井口套压、井底压力和气体体积分数影响较小。该研究可以对精确计算关井后的相关压井参数起到一定的理论指导意义。     

控压钻井气液两相流动特征及影响分析

控压钻井技术能够控制地层流体侵入井眼,有效解决窄密度窗口等钻井工程问题。通过建立一维非定常流动模型,并利用有限差分法求解,发现控压钻井中不宜将气侵速率控制过高,否则不利于岩屑携带;井口回压对接近井口位置的气体膨胀影响较大,所施加井口回压值应考虑井筒含气率变化引起的钻井液柱压力变化;施加的井口回压能够有效控制井底压力,从而控制井底气侵速率。结合现场资料进行模拟计算,与现场实测结果进行对比分析,验证了模型的适用性。     

带障碍物圆管内煤气爆燃峰值超压和火焰传播速度研究

带障碍物圆管内爆燃的沿程峰值超压和火焰传播速度值是关系到安全生产的重要数据.本文在一氧化碳爆燃实验的基础上,提出了多级分区模型来计算沿程峰值超压,模型将带障碍物管看成由障碍物隔开的首尾相接的一系列的泄爆腔体.基于数据分析,得到了利用一氧化碳氧化反应当量比、膨胀比、开口面积比等已知参数来计算沿程峰值超压的经验公式,研究发现沿程峰值超压与爆燃过程中的气流湍流因子具有近似线性关系,提出了火焰传播速度的经验公式.     

低浓度固液两相流理论分析与管流数值计算

从固液两相流的动理论出发,建立了模拟水平方管固液两相流动的数学模型,并与LDV测量结果进行了比较. 模型能够正确地预测实验中观察到的两种浓度分布类型,并给出了颗粒相脉动能沿垂向不同类型的分布. 在管流主流区,计算预测的颗粒平均速度小于液相速度,在边壁附近大于液相速度. 同时,对颗粒浓度、平均速度等流动属性的垂向分布机理进行了分析,从动理论的观点揭示了浓度不同分布类型的形成机理不仅与颗粒在流场中的升力有关,还与颗粒脉动能的分布有关.     

基于黑油的多组分聚合物驱数学模型

为准确模拟不同种类聚合物交替注入进一步提高驱油效果的现象,考虑多种类型聚合物的混合增黏作用、竞争吸附作用以及由此导致的渗透率降低作用,构建了基于黑油的多组分聚合物驱数学模型,进而结合CPR(Constrained Pressure Residual)预条件GMRES算法给出了全隐式高效求解程序,并研究了交替注入增效的力学机制以及交替周期数的影响.研究表明:交替注入通过使注入介质更好地匹配储层的非均质性,改变并使各层渗流阻力的变化规律趋同,造成稠油油藏吸液剖面由倒"V"型向倒"U"型转变,增强了聚合物的纵向波及和低渗层剩余油的有效动用;合理的交替周期能够最大程度地抑制剖面返转,相比连续注入,可进一步提高低渗层吸液量11.1%、采收率幅度提高3.1%.上述成果对指导稠油油藏聚合物驱持续高效开发具有重要的理论与实际意义.     

侧钻水平井提高石油采收率的油藏物理模拟

研究了水平井开采物理模拟的相似准则, 设计了油藏相似比例模型, 建立了水平井开采油藏物理模拟系统. 在该系统上进行了侧钻水平井开采的实验研究, 分析了侧钻水平井开采曲线变化规律, 比较了侧钻水平井与直井的开采效果, 研究了侧钻水平井的侧钻时机、开采速度、水平段长度等对开采效果的影响. 由于侧钻水平井开采时改变了油藏内渗流压力场和流体流动方向, 能够开采死油区内的剩余油, 提高了最终采收率.     

页岩气储层微观渗流机理研究

页岩气储层孔隙结构复杂,纳米孔隙所占比例大,而纳米孔内部气体流动机理不同于宏观流体流动,因此认识页岩气在纳米孔隙中的流动机理对页岩气的高效开采具有重要的科学意义.页岩气开采过程中,纳米孔的吸附解吸、应力敏感效应及滑脱效应使渗透率发生显著变化.为此,基于毛细管模型耦合考虑吸附变形修正应力应变的渗透率模型,在此基础上,考虑滑脱效应影响,建立页岩表观渗透率模型来描述气体流动.通过试验数据验证其合理性,并对模型相关参数对表观渗透率的影响进行讨论.研究结果表明,新建页岩表观渗透率模型能够合理地描述页岩气真实储层条件下气体的流动,考虑了吸附变形、应力敏感及应力变化下纳米孔气体滑脱效应等微观机理.在围压恒定条件下,新建模型计算出的曲线均与实测值吻合较好;随孔隙压力升高,页岩表观渗透率呈指数函数降低.两种气体的表观渗透率随平均分子自由程的增大而增大;孔径越大,在压力区间内渗透率越高,且随孔隙压力升高,渗透率逐渐降低.页岩表观渗透率对弹性模量较为敏感,弹性模量增大会导致在其压力阶段内有较高的渗透率;在孔隙压力升高过程中,裂隙压缩系数越小,渗透率越高;随温度的升高,页岩表观渗透率呈上升趋势.所建模型能为页岩气生产动态分析、产能预测和生产制度制订提供指导.     

伪均质固液两相流水击压力的计算方程及验证

根据伪均质固液两相流的特征 ,推求了连续方程及运动方程 ,建立了伪均质固液两相流水击模型 ,并根据实验资料对伪均质流水击模型进行了验证 .由于该模型推导中考虑了伪均质固液两相流黏度、阻力及波速的特点 ,与单相流模型相比具有较高的精度     

致密砂岩气水相对渗透率模型

致密砂岩富含微米级孔隙,其气、水两相流动复杂,如何建立可靠的相对渗透率模型是目前亟待解决的问题.基于流体单管流动方程耦合二阶滑移模型,结合分形理论,建立了致密砂岩储层气、水相对渗透率模型,该模型考虑了气体滑脱效应、孔喉结构参数、含水饱和度分布,模型的可靠性通过多个已发表的气水相对渗透率实验数据验证.结果表明:1)建立的模型可用以描述致密砂岩储层微米尺度孔隙中的流体流动行为; 2)压力和含水饱和度增加都会减小滑脱效应对气相相对渗透率的提高作用,当压力小于1 MPa时,气相相对渗透率对压力极为敏感;温度对气相相对渗透的影响有限,可忽略; 3)孔径分布分形维数和孔隙迂曲度分形维数增加,有利于气相相对渗透率的提高,但会降低水相相对渗透率,且孔径分布分形维数的影响更大.     

水平井多簇压裂裂缝的竞争扩展与控制

针对水平井多簇压裂多裂缝竞争扩展问题,通过近似解显式求解了多裂缝扩展时的应力干扰作用,建立了水平井多簇射孔裂缝扩展模型.模型采用了近似方法,在保证一定精度的基础上,简化了计算工作量,并通过隐式水平集算法验证了方法的可靠性.基于该模型,对不同射孔工艺条件下各簇裂缝缝长、缝宽与进液量进行了数值模拟.结果表明:射孔摩阻和多裂缝应力干扰作用共同决定各簇裂缝流量分配.多簇裂缝同步扩展时,中间簇裂缝由于受到外侧裂缝的挤压作用,进液量、缝长和缝宽均小于外侧裂缝.缝间距增大会削弱中间簇裂缝流量、宽度和缝长减小的趋势.通过减少每簇射孔数量、射孔直径或者采用非均匀射孔的方式,可以促进各簇裂缝均衡进液与延伸.该研究为多裂缝展布形态优化与控制方法提供了理论依据与参考方法.     

倾斜圆管内超临界压力CO_2流动换热数值分析

对超临界压力CO_2在内径为10 mm、加热长度为2000 mm、倾斜角度α=45°的倾斜光管内向上和向下两个方向的流动与传热行为进行数值计算.采用SST k-ω低雷诺数湍流模型,通过超临界压力CO_2在垂直光管内向上流动传热的实验数据验证了计算模型的可靠性和准确性,分析了倾斜圆管内壁温度T_(w,i)和对流换热系数h沿圆管轴向和周向的变化规律.基于超临界压力CO_2在类临界温度T_(pc)处发生类气-类液"相变"的"类沸腾"假设,研究了超临界CO_2在倾斜圆管内不同方向流动时顶母线壁温分布产生差异的原因,通过获取圆管横截面内速度分布、物性分布和湍流分布等详细信息,重点分析了产生这一差异的传热机理.计算结果确定了类气膜厚度、轴向速度u、湍动能k和黏性底层厚度δ_(y+=5)是影响不同流动方向时顶母线壁温分布差异的主要因素.     

冲泻区水动力特性的数值分析

基于三维非稳态的Navier．Stokes方程，采用有限体积法进行数值离散，在构造高分辨率STACS格式的VOF方法的基础上，建立基于气液两相流的三维自由面流动模型，并基于该模型对三维剪切流场和圆柱水体坍塌进行了三维模拟，检验其数值精度．应用该模型数值研究冲泻区内涌波（bore）在均匀斜坡上的动态传播过程．对上爬水流自由面水位高度与实验数值进行对比，结果显示数值解与实验解吻合较好，模型能很好描述水流的掺气运动．数值分析了涌波崩塌（BoreCollapse）、上冲流（Uprush）和回落流（Backwash）等过程中的自由水面、瞬时流速及床面最大剪切应力的时空分布．结果表明，冲泻区水动力结构时空变化非常复杂，模型能捕捉到高速薄层水流结构，优于前人的数值结果，研究有利于进一步了解冲泻区内的泥沙输运规律及岸滩演变机制．     

顺层岩质边坡加陡开采的稳定性研究

为了研究确定顺层边坡陡帮开采的稳定性，以元宝山露天矿南帮边坡为研究对象，基于刚体极限平衡理论，采用RFPA中的细观本构模型，研究分析南帮边坡受采动影响应力和位移随时间的变化规律，分析滑坡机理、滑坡模式，并确定最终境界的合理边坡角。结果表明：采用细观模型得到的岩体变形随时间的变化规律与现场观测基本吻合，上部岩体沿圆弧滑面拉裂滑移，下部沿弱层组合滑面剪切滑移，且滑体上部均以下沉为主，向采空区发生水平位移，下部以水平位移为主。计算剖面边坡的稳定系数Fs〈1．2，应放缓边坡角使φ=18°以保证边坡稳定使露天矿安全生产并获得最大效益。     

蒸气在变壁温竖直细圆管内的流动凝结换热特性

针对细小直径圆管的特点, 对经典的Nusselt分析进行修正, 考虑凝结液膜弯曲引起的表面张力以及气液界面蒸气剪切力影响, 建立变壁温条件下竖直细管内流动凝结换热的数学模型, 从理论上探讨小管径下, 沿程管壁温度和重力等作用因素对流动凝结影响程度发生的变化. 实验检验证实分析模型的结果是可靠的.     

复层孔隙分布含油轴承的孔道渗流及润滑机制

含油轴承基体中油液的渗流行为对轴承油膜润滑性能影响显著.以不同孔隙率分布的环面复层含油轴承为研究对象,耦合分析轴承系统(包括轴承间隙和多孔轴承内部)的流体流动,基于Darcy定律描述油液渗流行为,并在极坐标下建立含油轴承系统的渗流润滑模型,研究轴承系统中油膜压力的分布规律,分析表面粗糙度、结构参数等对油膜润滑性能的影响.采用粉末冶金工艺制备不同表层孔隙率的复层含油轴承试样,在端面摩擦试验机上开展含油轴承的摩擦学实验,并对数值分析结果进行验证.结果表明,与普通单层含油轴承相比,不同孔隙率分布的复层含油轴承能阻止润滑油液渗入多孔介质,提高轴承润滑性能;随着综合表面均方根粗糙度增大,油膜润滑性能变好,随着表层厚度或表层渗透率增加,油膜润滑性能变差.摩擦实验与润滑理论分析具有相似的结论,验证了所建数值模型的可靠性.研究工作为明晰含油轴承渗流润滑机理及其影响机制提供一定理论依据.     

浑水渗流理论及其工程应用

以Darcy定律为基础, 区分泥沙的渗透系数与地层的渗透系数相当或者相差较大、渗透层为均质或者为层状几种情况, 分别推导出浑水渗流时计算渗流量的积分方程和微分方程, 给出了求解这些浑水渗流微分方程的差分格式. 石嘴山市在全国首次开展利用电厂冷却尾水进行深层回灌回采试验, 利用本文方法研究了回灌试验场冷却水浑水回灌时, 地表泥沙的淤积规律, 入渗量随时间的变化规律, 并预测了回灌影响下地下水位随时间的变化规律.     

纳米流体的格子Boltzmann模拟

纳米流体是由流体与纳米粒子组成的胶体悬浮物, 与普通固液两相流相比, 其传热性能明显增强. 悬浮在流体中的纳米粒子会受到运动阻力、Brown力、粒子间扩散力、重力等内力或外力的影响, 因而其运动规律极其复杂. 根据纳米流体中粒子和液体介质的受力关系, 建立了纳米流体的格子Boltzmann流动与传热模型, 并用于分析纳米粒子的动态分布.     

纳米尺度下页岩基质中的页岩气渗流及渗吸特征

基于页岩基质的纳米尺度孔隙特征,分析了页岩气在纳米孔隙中渗流的扩散、滑脱和达西渗流等对页岩气流动流量的影响.压差作用下页岩气流量的特征研究表明:达西流动产生的流量与地层压力、压力梯度和渗透率成正比;扩散引发的流量与压力梯度成正比,与平均压力成反比,与渗透率无关;滑脱引发的流量与压力梯度、渗透率成正比,压力梯度和渗透率一定时,滑脱流量为定值,与地层平均压力无关.低压下,气体的扩散效应和滑脱效应明显,扩散产生的流量所占比例较大,高压下渗流以达西流为主;在整个从低压到高压的地层压力区间,在低压下由于扩散作用,总的页岩气有一定的流量,随着地层压力的增大扩散产生的流量减小,到一定值后随着达西流量的进一步增大,总流量随地层压力的增加而增大,说明页岩气生产中存在一个最低效生产的压力区域.水在页岩薄片上吸水过程近似分为三个阶段:(1)水在页岩薄片表面的快速吸附;(2)水在裂缝中较快速度的渗吸;(3)水沿着微裂缝的缓慢渗吸.为页岩气开发中的压裂水的反排特征研究提供了理论基础.     

砂砾石地层隧道开挖模拟多尺度分析方法

在砂砾石地层中,围岩土体及隧道结构的变形与力学行为主要受控于开挖扰动程度及开挖扰动范围内块石细观结构的影响.结合土石混合体的细观结构分布特征,基于尺度分离与尺度耦合相结合的思想,提出了砂砾石地层隧道开挖多尺度分析方法及分析模型,继而对该分析方法中的3个关键问题,即核心区域与非核心区域的划分,核心区域内关键粒径的确定及土石混合体宏观等效物理力学参数的确定方法进行了探讨.该多尺度分析方法的基本思想是:将砂砾石地层隧道开挖模型划分为核心区域与非核心区域,在核心区域内从细观上考虑土石混合体的分布特征,在非核心区域将土石混合体视为宏观均质材料,在此基础上进行砂砾石地层隧道开挖的宏细观模拟与分析.采用该分析方法对砂砾石地层隧道开挖过程进行了多尺度模拟,从围岩土体变形与围岩压力两个角度,与砂砾石地层隧道开挖细观分析模型及宏观分析模型得到的结果进行了对比,发现本文多尺度分析方法与细观分析模型的结果吻合较好,验证了多尺度分析方法的有效性,且该方法大大减少了计算量与建模工作量,提高了计算效率.     

旋涡泵高扬程工况结构变化数值模拟研究

为深入了解高扬程工况旋涡泵内部流体的流动机理,获得进出口结构参数变化对旋涡泵性能的影响规律,建立了固定流道的旋涡泵三维流动模型,借助ANSYS FLUENT研究了旋涡泵进出口几何参数变化的基本特征,对比分析旋涡泵内部流场、场程等随几何参数的变化规律.选取典型的闭式双支撑结构旋涡泵的流动区域建立模型,研究不同进出口结构的旋涡泵内部压力场和速度场的分布情况,提出了在固定流道结构下进出口参数对旋涡泵效率提高的设计思路,对优化旋涡泵接口设计有一定的参考价值.