基于多相压力波响应图版识别超深井气侵位置

考虑相界面雷诺应力、拖拽力、虚拟质量力、气液物性差异等参数,创建井筒多相压力波速及压力响应数学模型,基于超深井环空多相压力波响应图版唯一性,提出压力波响应图版识别超深井气侵位置的新方法;考虑井口气体溢流量、回压、钻井液密度等边界参数,结合差分数学方法对其求解,该方法在超深井YS1井(8 680 m)验证,压力响应误差小于等于1.703 s,计算与实测误差小于等于6.15%。结果表明：随回压增大,井筒流体可压缩性减小,井筒压力波速增大,压力响应时间减小;随井口气体溢流量增大,环空空隙率增大,压力波速减小,井筒压力响应时间延长,井口气体溢流量从0.83 L/min变化至38.33 L/min,井底8 680 m处压力响应时间从10.127 s增至36.643 s,增大了261.83%;气侵位置识别结果不仅取决于井口压力及流量传感器准确度,也与压力波响应图版计算准确性有关;实践证明借助压力波响应图版识别超深井气侵溢流位置的方法可行。     

液基全过程欠平衡钻井停止循环连续气侵井筒瞬态流动

液基全过程欠平衡钻井井筒流动过程主要包括正常钻进时稳态气液固多相流动以及停止循环条件下的瞬态气液两相流动。建立停止循环开井条件下遇到连续气侵时井下瞬态气液两相流动特征参数变化数值模拟计算方法及数学求解模型,计算对比遇到不同气侵量的井下气液两相流特征参数变化。结果表明:较大气量条件下气体运动速度更快、顶出钻井液更多、井底流压波动更大;井口回压的施加能有效控制井下气体膨胀与井底压力波动。     

控压钻井井控过程中排量优化设计

控压钻井井控是处理气侵溢流问题的有效新方法,包括前期控制和循环排气两个阶段。基于快速施加井口回压控制方法,根据气液固多相流理论,建立控压钻井井控数学模型,并采用有限差分法迭代求解。在此基础上,分析排量对最大井口回压、最大套管鞋处压力和最大立管压力的影响,并提出基于井控安全目标函数的排量优化设计方法。模拟结果表明:在循环排气阶段,立管压力维持不变且为最大值,井口回压达到最大值与气体前沿运移到井口之间存在明显的时间滞后性,气体运移到套管鞋处时套管鞋处压力最大;验证了以出入口流量一致表征井底气侵停止的合理性。模型计算得到的压力值与实验测量值吻合较好。     

地层H2S侵入时井筒压力变化规律及控制研究

随着我国酸性油气藏勘探开发的深入,处于对井控安全的考虑,需对酸性气体侵入后井筒多相流动及相态转变规律进行研究。针对H₂S特殊的物理性质,并考虑其在井筒内相态变化,建立了钻井过程中H₂S侵入时井筒流动与传热的数学模型。将井筒传热、压力与H₂S物性参数耦合迭代计算,给出了求解方法并编写程序进行数值计算。计算结果表明:井口回压较小时,H₂S在环空上升过程中由液态转化为气态,相态转变点上部为气液两相流,其压力梯度较小,下部为井筒单相流,其压力梯度较大。H₂S侵入速度对环空压力和相变井深均有影响。随着侵入量增大,井底压力先急剧减小,后基本保持不变,而相变井深先增大后减小。井口回压对井底压力影响较大。随着井口回压增大,井底压力增大,但影响程度逐渐减小。井口回压不仅可以控制井筒是否发生相变,而且对相变井深位置影响十分大。对是否考虑传热对相变井深和井底压力的影响进行了对比分析。研究对提高酸性油气藏开发勘探安全具有一定指导意义。     

欠平衡气侵与重力置换气侵特征及判定方法

在裂缝性碳酸盐岩地层中,地层气体以欠平衡或重力置换方式进入井筒形成气侵。对重力置换气侵和欠平衡气侵类型及进气量进行分析;基于气液两相流理论建立井筒气侵模型,改变边界条件计算精细控压钻井气侵期间井底压力和泥浆池增量的变化;通过改变井口压力观察泥浆池总量或出口流量的变化,分析井底气侵方式。结果表明:井口增加回压后,井底压力由欠平衡状态转变为过平衡状态,泥浆池增量略微增加,而重力置换气侵泥浆池增量保持原趋势增加,由此可以判断出井底的气侵方式;该判定方法在现场试验中得到验证,对精细控压钻井安全快速控制气侵有指导意义。     

页岩气钻井岩屑运移规律仿真分析

页岩气水平井钻井过程中岩屑在重力作用下极易在斜井段及水平段中沉积形成岩屑床,清洁难度大,进而导致井底高摩阻、高扭矩和阻卡,严重时造成卡钻、钻具断落井下安全事故。基于液固两相流理论,建立了三维井眼环空岩屑运移模型,通过控制变量法分别分析了钻杆转速、排量、岩屑粒径、偏心度、井斜角度等因素变化对环空井筒岩屑体积分数及运移轴向速度的影响规律。研究结果表明：随着转速和钻偏心度增大,岩屑体积分数降低及轴向速度增大;随着岩屑粒径增大,岩屑体积分数增加及轴向速度降低;随着井斜角降低,岩屑体积分数降低及轴向速度增加。可见提高转速、钻井液排量和控制钻头破坏岩屑粒径大小有利于提高井眼清洁,降低井下安全事故。     

基于赫巴模式的页岩气水平井岩屑床清除工具安放间距

岩屑床清除工具可有效地解决页岩气水平井岩屑沉积的问题,安放间距是岩屑床清除工具的重要设计参数,与钻井液性能相关。建立了基于赫巴模式的页岩气水平井岩屑床清除工具安放间距计算模型;对影响安放间距的参数（岩屑颗粒直径、稠度系数、流型指数、屈服值、钻井液密度、钻井液排量）进行了敏感性分析。结论表明：在满足井眼清洁的条件下应尽量增大安放间距;岩屑颗粒直径减小,钻井液稠度系数、流性指数、屈服值、密度和排量增加,有助于增大岩屑床清除工具安放间距。     

水合物藏钻探中的环空多相流溢流特性研究

含天然气水合物相变的环空多相流动问题是天然气水合物藏钻探过程中井筒流体力学问题的一个关键．考虑天然气水合物的相变,建立了溢流期间环空各相流体的连续性方程、动量方程以及能量方程．模拟计算结果表明：溢流期间,天然气水合物的生成区域会随着循环流量的增大或抑制剂浓度的提高而减小,可通过增大流量和抑制剂浓度使水合物的生成区域脱离海底,减小防喷器管线被堵塞的危险;水合物的生成使环空中气体体积分数降低,泥浆池增量减小,给溢流检测带来延迟;当检测到有气侵发生时,水合物藏分解速率比较小时,井筒中生成水合物的可能性要比分解速率大的情况下更为严重;水合物相变对井底压力的影响较小,在工程中计算井底压力时可以忽略;由于天然气水合物的生成使得关井套压值不能真实反应气侵情况,而且随着时间的增加情况会更加严重．     

控压钻井气侵流动分析模型研究与应用

控压钻井(managed pressure drilling,MPD)发生气侵时,可通过实时动态压力控制在保持井底压力恒定的情况下实现气侵有效控制与安全排溢,气侵安全控制的关键是实时准确地井筒流动分析。通过理论分析建立了考虑侵入流体在不同类型钻井液中溶解析出影响的井筒气液两相流模型,考虑动态回压影响,给出了不同控压钻井模式下模型求解的初始及边界条件。基于有限差分法充分考虑不同控压模式下的压力动态调节对气体滑脱、相态变化的综合影响,给出了该模型的求解流程。运用全尺寸模拟井筒气侵测试数据对模型进行了验证分析,运用该模型对页岩气水平井控压钻井气侵控制进行了计算分析。结果表明,该模型具有较高的精度,能够很好地为控压钻井气侵控制与分析提供技术支持。     

回油槽结构参数对轴承腔油气两相流的影响

针对航空发动机轴承腔滑油回收和冷却困难等问题,对现有轴承腔回油结构进行了改进,基于VOF多相流模型,采用CFD软件对腔内油气两相流动及换热进行瞬态数值模拟,分析了回油槽结构参数对腔内滑油滞留体积分数、回油比和壁面对流换热系数的影响.结果表明:随着转速增大,轴承腔的回油能力呈下降趋势,而壁面换热能力逐渐增强;随着槽宽的增加,滑油滞留体积分数先减小后增大,而回油比逐渐增大;随着槽深的增加,滑油滞留体积分数逐渐减小,回油比呈增大趋势;相比于基础模型,窄槽(w=1.0)和浅槽(h=1)能有效提高轴承腔壁面换热能力;适当调整回油槽位置可提高轴承腔回油与换热性能.     

新一代螺旋轴流式多相泵的外特性试验研究及数值模拟(英文)

以中国石油大学(北京)自主研发的新一代螺旋轴流式多相泵为研究对象,在不同工况下对其进行外特性试验研究.实验表明新一代螺旋轴流式多相泵能够输送很大范围的单相或多相流体.并且测定了转速、进口含气率、吸入压力等主要操作参数对多相泵性能的影响.通过实验发现多相泵的性能随着转数和进口吸入压力的提高得到明显改善,增压有所提高,高效区变宽,最优工况对应的流量增大.当含气率升高时,多相泵内两相流体产生速度滑移,泵内流型发生转变,导致多相泵振动、性能不稳定,多相泵的增压能力降低.另外多相泵入口处的均混器能够改善多相泵入口来流的条件,扩大多相泵的操作范围,对多相泵的性能影响很大.为了更好地了解多相泵内流场情况,建立了多相泵CFD数学模型.运用Fluent6.2进行数值模拟.通过求解雷诺时均N-S方程,并应用标准k-ε湍流模型来模拟泵内流动特性.首先用收敛的模拟结果与实验结果进行对比,将模型进一步修正,然后进行其他工况下的模拟.修正后的模型以及本文模拟的结果很好的反映了多相泵内流体流动的特点,同时利用该模型还可以进行各种工况下的性能预测以及多相泵的叶片翼型的优化.为今后新泵的设计提供了一种经济实用的方法.     

气液混输管线气相流量瞬态变化特性实验研究

在大型多相流实验环道上进行了气体流量快速变化的瞬态特性实验。结果表明 ,气体流量突变产生沿管线衰减传播的压力波 ,它在分层流中的传播速度大于其在段塞流中的传播速度。气体流量突变后 ,不同流型下其压力变化趋势相同。在气体流量突然增加的过程中 ,出现压力过增量 ;在气体流量突然下降过程中 ,出现压力过降量。但是 ,压力在两种流型中的瞬态变化机理不同 ,分层流中压力的瞬态变化取决于气体的惯性和可压缩性 ;段塞流中压力的瞬态变化过程则取决于液塞的惯性和液膜区气体的可压缩性。在气体流量瞬态变化过程中还可能出现对应准稳态过程未出现的流型。当气体流量突然增加时 ,在分层流的瞬态变化过程中可能出现段塞流 ,在段塞流的瞬态变化过程中会出现冲击性增强的高频段塞流 ;当气体流量突然降低时 ,在段塞流的瞬态变化过程中则会出现短时间的分层流。     

悬链线立管多相流流型研究

以水和空气为介质,在不同倾角的水平段和悬链线段组合中,研究气液两相流可能出现的流型及其特点,其中流型主要通过肉眼观察结合压力波动检测的方法来进行辨别.同时针对实验范围内出现的部分流型,研究该流型下管段压力和压降随气液速度以及角度的变化规律,并对悬链线管段为段塞流和严重段塞流时管内含气率、气泡长度、气泡速度、气泡频率等参数进行测量.结果表明:试验范围内共出现9种组合流型,4种组合区域所占区域最广;气液流速的变化对管线压降有一定的影响,水平管段的角度对压降的影响远小于气液速度的影响;液速一定时,段塞流和严重段塞流含气率随气速的增加而增加,气速一定时,段塞流和严重段塞流含气率随液速的增加而减小.     

导叶叶片数对气液混输泵性能的影响

以自主研制的第三代YQH-100气液混输泵为研究对象,利用Fluent流场模拟软件进行数值模拟.通过对叶片式气液混输泵不同导叶叶片数及不同含气率时的流场进行数值模拟,得出混输泵叶轮、导叶压力场及速度分布,进而得到不同工况下整机效率及相对扬程曲线.经分析在不同含气率下,各导叶叶片数的效率及相对扬程均随着含气率的增大而降低;在相同含气率下,导叶叶片数为13时整机效率明显高于其他2种情况的整机效率,相对扬程也是在导叶叶片数为13时最大,且9叶片数情况要稍好于15叶片数情况.由此表明选用导叶叶片数为13时可以提高气液混输泵的整机性能.     

双螺杆多相流混输泵内部回流机理分析

双螺杆多相流混输泵是用于油气混输的增压装置 ,回流是影响多相泵性能的重要因素 .通过对双螺杆油气多相流混输泵的几何解析 ,建立了不同形状回流通道的回流模型 ,回流量与压差、含气率有关 ,随着含气率的提高 ,回流量减少 ;压差增大 ,回流量提高 .可以利用气体的可压缩性 ,降低双螺杆多相流混输泵的回流量 ,从而提高其容积效率 .     

叶顶间隙对轴流泵外特性及空化性能影响研究

为探究叶顶间隙对轴流泵外特性及空化性能的影响,基于修正的SST k-ω湍流模型和Z-G-B空化模型,对350ZQ-70型潜水轴流泵进行数值模拟,对比分析不同叶顶间隙下轴流泵的外特性曲线、叶轮流道内的压力脉动、空泡体积分数分布等.结果表明:随着间隙的增大,泵扬程和效率降低;小流量工况下流动失稳现象明显加强,扬程曲线会出现驼峰现象;进口边近轮毂侧比近轮缘侧更易发生空化;设计流量下,轮缘间隙空化首先出现在叶片中部,而不是叶片进口;叶片背面空化会影响相邻叶片工作面压力分布;存在临界间隙值,未达该值前,间隙增大主要降低叶轮的做功能力,对空化性能影响不大,超过该值后,空化稳定性降低,诱导压力脉动;对于实验泵,临界值在1.5~2 mm;随着间隙的增大,轮缘处空化程度不断增强,进口边空化程度反而有所减轻;根据轴流泵叶轮组装结构,从保护轮毂叶轮体的角度考虑,兼顾做功能力和运行稳定性,实验泵选择间隙为1.5 mm较为合适.     

垂直环空空气－泥浆气液两相流实验研究

对空气在垂直环空泥浆中流型分布规律及运移规律进行了研究，结果表明，气体在泥浆中流型分布与在水中流型分布相比差别很大，同样流型下气体在泥浆中的上升速度比在水中上升速度略低，但基本接近，然而二者的数学表达式却相差甚远．这是因为在同样的含气率的情况下，在空气－泥浆两相流系统中，从泡状流向团块状流过渡要比空气．水两相流系统中早得多．实验还发现，在常温常压且泥浆粘度高的情况下，空气泥浆两相流系统中不存在泡状流，气体含量小时即为弹状流，因此．气体在水中的流型分布规律及上升速度模型不能简单地用于泥浆作为液相的气液两相流中．     

泡沫排液采气井筒多相流机理模型

基于基本物理原理建立了适用于多种流型的泡排井多相流机理模型。首先,基于Mitchell 和Taitel 的实验成
果,将泡排井流型分为泡状流、段塞流、均质泡沫流和雾状流,建立了流型转换机理模型;随后,建立了各流型的压降
计算方法,其中泡状流、段塞流采用漂移模型描述,将均质泡沫流视为幂律流体处理,而雾状流简化为无滑脱模型处
理。和川南、鄂尔多斯39 口包含多种流型的泡排井测压数据对比,模型的相对误差仅为–0.55%。敏感性分析表明,低
气液比泡排井可能呈现泡状流或段塞流,适度注气可实现流型向泡沫流的转变,提高举升效率。     

油气混输管道段塞流稳态计算模型

在石油工业中油气混输管道中的段塞流的水力计算一直是多相流管道稳态工艺计算中的难点。本文在总结国内外相关研究成果的基础上提出了一种基于段塞流结构参数的计算方法。计算结果表明,该模型能够对段塞流的压力梯度进行模拟,在油气混输管道的水力计算方面具有实用价值。