常切力盘状螺旋流特性的试验与研究

从实测的盘状螺旋流压力与流动角的变化规律出发,分析了螺旋流流动角与工作压力的关系;给出了流速场随旋流半径的分布情况;对压力与流动角、水流速度、螺旋流的旋转强度、摩阻流速、压差系数以及旋流泄泥器之间的相互关系进行了研究;利用Blassius公式计算了切应力;利用运动方程求解压应力并以实测值进行验证。研究表明:螺旋流中除工作压力及流量外,流动角是影响压差、压差系数的主要因素:缝隙高度越小,压差变化越大,对增加泄泥器的推移力越有利。     

环空加砂压裂管柱流体压降分析及现场应用

连续油管(CT)水力喷射压裂技术是提高低渗透油藏开发效率的一种重要手段。选择压裂作业连续油管时需要考虑连续油管及套管的强度及尺寸,不仅要保证压裂施工作业过程中管柱结构安全可靠,而且还要保证压裂施工中高压力、大排量要求。环空喷射压裂作业就是为了满足现场施工大排量而采取的一种有效措施,然而,增大环空排量会增加环空流体摩阻压降,摩阻压降又会直接影响地面设备选择、以及井下压裂作业成功与否。因此,针对连续油管水力喷射压裂环空流的流动特点,通过理论分析及现场数据回归的方法开展连续油管环空喷砂压裂环空流体压降分析,主要研究内容包括:连续油管偏心、流体流变参数对压裂液环空流压降规律研究。分析结果表明:连续油管偏心降低了环空流体摩阻压降,且影响明显;流变指数及压裂管柱尺寸增加,油套环空流体摩阻压降增加;压裂液环空流压降为清水压降的36%,根据校正Gallego F理论模型可以准确预测压裂液环空流压降梯度变化规律。研究成果可为连续油管环空压裂施工及设计提供理论指导。     

高温高压下钻井液循环流动摩阻实验研究

深层油气勘探开发过程中常面临高温高压的挑战,钻井液在高温高压等复杂工况下,其性能会发生改变,研究钻井液在复杂工况下的流动摩阻变化规律,能为特深井钻井提速及井控提供理论基础。根据实际工况要求,建立了高温高压钻井液循环流动摩阻测试装置,实验研究了温度、压力、固相颗粒及含气率对钻井液流动摩阻的影响,采用多元回归方法拟合并绘制温压摩阻系数图版,能更好阐述温压与钻井液流动摩阻的定量关系。结果表明：顺北区块钻井液流动摩阻随温度增大而减小,随压力增大而增大,摩阻系数图版能更准确体现摩阻系数与温压的定量关系,固体颗粒含量对流动摩阻影响不大,钻井液流动摩阻随着含气率增加而增大。该实验装置与分析方法,对于研究复杂工况下钻井液流动摩阻变化规律具有重要意义。     

基于钻柱动力学的井筒摩阻系数预测与应用

井筒摩阻系数是钻井设计和施工阶段准确预测和控制摩阻扭矩的关键因素,对比摩阻扭矩的实测值与预测值可预防钻井事故的发生。为此,基于钻柱动力学摩阻扭矩计算模型,结合近钻头多参数测量仪实测数据,开展了大斜度井实钻条件下套管段和裸眼段摩阻系数的预测方法研究,结果成功应用于同类型邻井的三开钻进阶段摩阻扭矩分析与控制。现场应用结果表明,实钻井筒套管内摩阻系数0.27~0.29,裸眼段摩阻系数0.39~0.41,均高于经验值;案例井钩载和扭矩预测值与实际值的误差满足施工精度要求,依托摩阻扭矩预测图版实时监测实钻摩阻扭矩的异常变化,保障了该井顺利施工。研究结果可为大斜度井钻机设备优选、井身剖面优化和现场钻井施工方案决策等提供科学依据。     

基于动态摩阻的大落差输油管道 不稳定流动模拟

大落差输油管道高程起伏大,压力波动大,易由停泵、关阀等工况引发不稳定流动,导致管道局部压力降低和油品气化,引发弥合水击等现象。为准确预测大落差管道不稳定中流动压力、流量的变化,基于连续性方程、动量方程和能量方程,建立了大落差管道不稳定流动分析模型;结合Brunone-Vitkovsky动态摩阻模型,描述不稳定流动过程中的液体惯性加速带来的附加摩阻损失;采用特征线法和有限差分法求解模型。以某大落差管道中间泵站停泵工况为例,分析基于稳态摩阻与动态摩阻仿真的管道不稳定流动特征。结果表明：在稳定流动工况下,基于稳态摩阻和动态摩阻计算的管道压力、流量参数是一致的,但是在不稳定流动条件下基于动态摩阻计算的压力、流量比稳态摩阻模型值偏低。因此,基于动态模拟方法分析大落差输油管道的不稳定流动,对于提高管道压力、流量等工艺参数的预测精度,制定更加有效的不稳定流动安全防护措施具有重要意义。     

垂直管不同黏度下油气水三相流压降规律研究

为研究垂直管不同粘度油气水三相流压降变化规律以及建立新的三相流压降预测计算方法,依托于中石油气举试验基地多相流试验室,对垂直上升管道中不同粘度油相下的油气水三相流动进行模拟。在固定油水比条件下,通过调整不同油相粘度、气液比、气液流量等参数进行油气水三相流试验,研究油相粘度对油气水三相管流压降变化影响规律。利用CFD软件参考试验工况模拟油气水三相流动,确定在不同粘度条件下气液两相分布情况,通过CFD软件模拟确定油水两相在充分混合后可视为单一非牛顿流体混合相。基于CFD模型结果,将三相流看作油水混合相与气相的两相流动,考虑粘度对摩阻系数的影响,根据非牛顿流体剪切特性建立了新的摩阻系数计算方法,基于M-B模型重新建立了新的压力计算方法。对比试验数据与计算结果,发现压降计算模型误差范围在15%内,满足工程实际需求,说明压降模型具有实用性。     

井筒两相涡流场液膜动力学分析与涡流工具优化

井下涡流排液采气的理论研究相对落后于现场应用,井筒两相涡流场中同时存在液膜流动和液滴流动,目前缺乏井筒涡流场液膜的动力学研究。为此,根据井筒涡流场液膜流动形态特性和受力特性,开展涡流场液膜动力学分析,得到液膜垂向受力平衡方程式。借鉴环状流液膜理论,计算摩阻系数和平均液膜厚度等特性参数。用涡流场液膜垂向合力公式对螺旋角求导,计算垂向合力最大时对应的涡流工具最优螺旋角。实例分析表明,液膜动力学分析得到的最优螺旋角结果与液滴动力学分析结果相对差值小于8%,与数值模拟结果相对差值小于4%,计算结果可靠,可以指导涡流工具结构优化。     

油套环空压耗实验研究

修井/压裂作业中,油管上多个接箍导致环空流动压耗难以精确预测。按照油田油管和套管的实际尺寸,设计加工一套实验装置,分别改变油管上接箍数量、接箍直径、油管外径、环空排量等参数,测试不同参数组合条件下环空出口和入口的压差,该压差即为当前实验条件下的流动压耗。结果表明:流量较大时,油管接箍数与环空压耗呈线性关系;泵入流量与环空压耗呈二次函数关系。     

考虑流变特性改变的水力压裂管内摩阻计算模型研究

水力压裂管内摩阻的准确计算是确定井底压力和地层破裂压力的关键。压裂过程中由于压裂液与地层之间的热交换,压裂液的流动温度会发生明显变化;而温度的改变会影响压裂液的流变特性,使得不同深度处单位长度流体流动摩阻发生改变。通过建立油管注液过程管内流体温度分布数学模型,得到了不同油管注入排量下管内液体温度沿井深的分布。结合温度对压裂液流动特性的影响实验,考虑压裂液流性指数和稠度系数沿井深的变化,建立了压裂过程中管内流动摩阻的分段计算模型。通过与现场实测摩阻数据对比,模型与传统不考虑压裂液流变特性改变的摩阻力计算模型相比更为符合工程实际。     

螺旋管在小倍线充填中的应用及充填倍线公式修正

为解决小倍线充填管道局部压力过大、管路磨损严重等问题,本文提出用螺旋管增阻调压的结构与实施方案.结合计算流体力学( computational fluid dynamics, CFD)对增阻调压结构与实施方案进行模拟分析,基于模拟计算的结果提出增加螺旋管道增阻调压结构后计算充填倍线的修正公式.研究结果表明,在2m·s-1的模拟流速下,螺旋管增阻调压结构所产生的阻力可达同等高度直管的10.1~16.8倍,在保证料浆连续输送的前提下可以有效的起到增阻降压的作用.结合数值模拟的充填倍线修正公式能够较为完善地计算增阻降压后的有效充填倍线.     

基于图卷积循环网络的非定常周期性流体流动预测

基于纳维-斯托克斯（Navier-Stokes, N-S）方程的计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）数值模拟是研究非定常周期性流体流动问题的常用方法之一，但其计算需占用大量时间。针对N-S方程求解CFD过程费时的问题，本文提出一种基于图卷积循环网络的非定常周期性流体流动预测框架，实现流体流动状态的快速预测。文中输入历史流体流动数据，通过图卷积循环网络学习非定常周期性流体流动的物理过程，预测流场变量分布。结果表明，基于图卷积循环网络的预测模型可以准确预测流体力学规律，其在流速、涡旋、压力等流场变量预测方面均具有较好表现。相比于传统N-S方程求解方法，采用图卷积循环网络预测速度提高了5倍以上，为流场变量的预测提供了一种新方法。     

低渗气藏带节流器水平井积液预测模型

近年来,水平井技术已在低渗气藏的开发过程中得到广泛运用,但水平井在生产状态下准确预测井筒积液的问题,目前仍没有得到较好地解决。通过对低渗气藏水平井单相渗管耦合的理论研究,考虑了气液两相流动及井筒摩擦损失,建立了新的低渗气藏水平井气液两相渗管耦合模型,并以此推导出了水平井井筒积液量的计算公式。然后,以井口套压为约束,结合几何转换建立了环空积液量计算方法。最后,以环空算出的井底压力约束,联立各模型,建立了水平井积液预测模型。同时,通过程序编译和流体软件模拟分别对苏里格气田某井区单井的直井段和水平段的积液量进行了计算,与实际积液情况符合较好。结果显示,该预测模型不仅可在气井正常生产时较为准确地预测井筒积液量,且该方法也能为其他类似气藏的水平井积液研究工作提供新的思路。     

非牛顿流体充填料浆的管输摩擦阻力预测

在矿山充填采矿中,充填料浆在管道输送中的阻力损失计算是一重要环节.为探索采用摩擦阻力系数模型简单高效地预测充填料浆管输阻力损失的方法,按照流态分类,总结了7种常用的非牛顿流体的摩擦阻力系数模型,结合一个具体案例分析讨论了模型的正确使用.结果显示,选取模型时必须先考虑工程实际的流体类型和流态;对于最常见的宾汉塑性体的层流运动,使用Darby-Melson模型和Swamee-Aggarwal方程可近似替代Buckingham-Reiner方程,其预测的沿程阻力损失与实际监测十分吻合,是宾汉塑性体层流流动首选的阻力预测模型,而Danish-Kumar模型则过低估计阻力值,适合赫德数较大的流体.实际监测中的速度、沿程阻力波动原因与料浆配比的波动、骨料变异性、料浆非均匀性和充填采场倍线大小等因素密切相关且不可避免.对于层流紊流过渡区流体的沿程阻力预测仍是工程难题.     

泡沫流体管流流动与换热数值模拟

基于质量、动量和能量守恒方程,建立泡沫流体在圆管内流动与换热的物理模型和数学模型,并利用FLUENT软件进行模拟,得到不同雷诺数下圆管内的压力损失、管道横截面上的速度分布和表观黏度分布,同时回归了不同雷诺数下的摩阻系数和努塞尔数经验关系式.结果表明:管内压力沿管程不断降低,且流速越大压降越大;管内温度沿管程不断升高,且流速越小温升越大;管道横截面上的速度、温度分布不均匀,越接近管壁速度越小,温度越高.     

双螺带-螺杆搅拌桨在不同流体中的搅拌流场特性

采用计算流体力学方法对双螺带-螺杆搅拌桨在层流域内的搅拌流场进行了数值模拟,考察流体为高黏牛顿流体和假塑性非牛顿流体数值模拟计算得到的功率值与实验测量值吻合较好;双螺带-螺杆搅拌桨的功率常数为162．7,Metzner常数为19．0;搅拌雷诺数以及流体的流变指数对非牛顿流体搅拌流场的无因次速度、循环量数均有不同程度的影响;与双螺带搅拌桨相比,双螺带-螺杆搅拌桨能在一定程度上提高全槽平均剪切速率和平均速度研究进一步认识了双螺带-螺杆搅拌桨的混合性能特点,为高黏流体搅拌桨的设计、应用以及开发新型搅拌桨提供了指导和参考     

聚合物溶液在孔隙介质中的渗流机理

以收缩流道作为孔喉模型,采用数值方法研究了粘弹性流体、幂律流体和牛顿流体在孔喉中的流动压力梯度随流变参数和喉道直径的变化,以此作为流体在多孔介质中渗流的理论基础,探讨了3种具有不同流变性质的流体在多孔介质中的流动阻力特性。结果表明,对于粘弹性流体,阻力系数随着松弛时间和流速的增加而增大,随充填颗粒尺寸的减小而增大;对于牛顿流体,阻力系数为常数;对于幂律流体,阻力系数为幂指数、稠度系数、孔隙度和渗透率的函数。     

小井眼钻井环空压耗计算与分析

环空水力学是小井眼钻井的关键技术,通过对钻井水力参数的分析和研究,结合小井眼钻井的实际情况,采用合适的流变模式来描述小间隙环空中的流动规律．并应用非牛顿流体力学的基本原理建立偏心环空螺旋流模型,对小井眼情况下的环空压耗进行了计算,进一步对小井眼环空中的压力损失进行了研究．所选择的模型层流时为偏心环空螺旋流模型,紊流时为考虑广义雷诺数、范宁摩阻系数、水力直径的模型．分别运用当量直径和水力直径,层流时通过迭代、积分,紊流时通过修正系数进行了求解,并与实验和现场数据相比较,经验证,此模型基本上满足现场需要．结果表明：①在小井眼钻井中,环空中的压力损失远大于常规井;②钻杆偏心及高转速对环空压耗的影响很明显;③在窄的环空间隙,需要建立准确的环空压耗模型来调整泥浆密度及钻井液的流变性能．     

从动能损失看弯道路段的通行能力

基于元胞自动机NaSch交通流模型,提出弯道交通流的能耗公式.在开放边界条件下研究不同弯道曲率半径、弧长、摩擦系数等因素对各种能耗的影响.模拟结果表明:在不同影响因素情况下,对应的各种能耗随进车概率的变化趋势相似,安全能耗总是最小的,趋于零;弯道的曲率半径和摩擦系数越小、弯道弧长越长,出现能耗平台的临界进车概率点越小,...     

空化过程对核主泵外特性变化的影响与分析

为研究空化发展对核主泵外特性及内部流场的影响,基于连续性方程、雷诺时均N-S方程和RNG k-ε湍流模型,对核主泵模型泵在设计工况下进行全流场空化模拟.研究中选择四种空化工况,通过对比模拟结果,得出核主泵在发生空化时,其性能变化规律及内部流场变化规律.模拟结果表明:核主泵发生空化时,泵的外特性对有效空化余量降低的敏感程度不同.随着空化程度的加剧,扬程下降最快,功率下降最慢.空化状态下,由于空化产生的气泡对叶轮流道产生排挤作用,使得过流断面面积减小,流体相对速度增大.此外,由于空化产生的气泡改变了空化区域流体状态,使流体动力黏度减小,导致空化区域湍流耗散率减小,湍流耗散损失降低.