基于气泡尺度的泡沫压裂液流变机理研究

从介观层次入手，以高压高剪切速率下气泡尺寸均匀分布的泡沫压裂液为基础，建立了一个二维泡沫压裂液物理模型．该模型视泡沫压裂液的最小组成单元为气泡，将气泡和周围液相以及气泡与气泡之间的作用力用弹簧表示，并从能量耗散的角度出发，成功推导了当泡沫质量（气相的体积分数）大于70％、剪切速率大于500s^-1时的泡沫压裂液流变特性的本构方程．利用该本构方程计算得到的泡沫压裂液有效黏度和试验结果对比最大误差只有9．7％，平均误差只有4．9％，所得结果明显地优于Reidenbach和Mathel等人给出的拟合公式．该模型不仅可以从机理上阐述泡沫压裂液的流变特性，而且还能够很好地表现出泡沫压裂液在泡沫质量较高时的有效黏度特性．更为主要的是该模型还可以用于解释泡沫压裂液的屈服应力和壁面滑夥现象．     

低比转速离心泵气液两相流动的可视化试验及数值模拟

为研究低比转速离心泵内部气液两相流动的流型和气泡直径的变化规律,采用高速摄像技术对泵内部气液两相流动进行可视化试验,同时采用Eulerian-Eulerian非均相流模型和RNG k-ε湍流模型对泵内部气液两相流动进行数值模拟,得到不同进口气相体积分数φ_0下叶片表面中间流线气相体积分数随中间流线相对位置的变化规律。研究结果表明:当φ_0从0.4%增大到3.5%时,叶轮内部流型分别为泡状流、聚合泡状流、气团流和分层流,泵进出口压差损失逐渐增加;保持初始液相流量不变,当进气量由1 L/min增大到3 L/min时,气泡的平均直径由0.61 mm逐渐增大到0.85 mm;保持进气量不变,当液相流量由5 m~3/h增大到10 m~3/h时,气泡的平均直径由1.00 mm减小到0.82 mm;叶片压力面和吸力面中间流线上的气相体积分数从叶轮进口到出口先增大后逐渐降低,出口附近由于漩涡的存在而使气相体积分数略有增加,且随着φ_0增加,压力面的气相积聚区域逐渐扩大。     

存在温差的气体-颗粒两相流实验研究

为研究气体-颗粒两相流中温度梯度对流场特性的影响,采用三维粒子动态分析仪(particle dynamics analyzer, PDA)测量了水平管中颗粒的大小、速度和脉动速度之值.实验选用粒径小于100 μm的玻璃微珠,实验段中颗粒的体积分数约为10-4.通过PDA数据分析系统对小于2 μm和 48～52 μm颗粒的运动参数进行了分析,以小于2 μm颗粒作为两相中的气相参数.结果表明,在气粒两相流主流与壁面间存在温差时,两相流场的湍流强度和湍动能增加而横向速度减小,且在近壁区,湍流强度、湍动能和横向速度受温度场的影响更加显著.     

基于k-ε模型的剪切流中湍流动能衰减规律研究

分别从理论推导和数值模拟的角度,分析了剪切流中湍流动能的衰减规律.通过简化湍流变量输运方程,采用Matlab求解了使用标准k-ε模型计算剪切流时湍动能在不同高度处的数值解,通过fluent数值模拟,验证了理论数值解,并与均匀流中的数值模拟结果进行对比,分析了在剪切流中入口湍流强度和湍流黏性比、来流速度梯度和输运方程扩散项等对湍流变量衰减的影响规律.结果表明:剪切流中存在湍流动能衰减;入口湍流强度对湍流变量输运方程生成项的影响较大,湍流黏性比对湍流变量输运方程生成项的影响较小;当入口湍流强度相同时,入口湍流黏性比越大,湍动能衰减的越快,来流速度梯度对湍动能衰减的影响越小;当入口湍流黏性比相同时,入口湍流强度越大,湍动能衰减的越慢,来流速度梯度对湍动能衰减的影响越大.     

规整填料塔内气相流动的计算流体力学模拟

通过引入表征体元的概念，采用体积平均的方法，使规整填料塔内的非连续介质连续化，建立了规整填料塔内气相单相流的体积平均连续性方程、运动方程和质量传递方程；用PHOENICS3．3对规整填料塔内气相单相流的速度分布和质量分数分布进行了模拟，给出了xz剖面的压力分布图、xz和xy剖面的速度分布图和不同时刻xz剖面的示踪剂浓度分布图；模拟结果能反映规整填料内气体的流动情况．结果表明：在压力小于2．0MP。时，气相轴向返混系数基本不受压力的影响，且随着有效气速的增加，其明显增加；轴向返混系数的模拟值与实验值的相对偏差小于40％．     

PDA测试浮选柱液-气两相流中气泡的流速分布

采用ＰＤＡ两相流测速技术,对ＬＨＪ浮选柱下导管内液－气两相流中气泡的流速进行了测定,获得了浮选柱内液气两相流中气泡沿径向和轴向的湍流速度分布规律。测试结果证实了ＬＨＪ浮选柱内形成泡沫流时,下导管内气泡运动处于强烈的脉动状态,该结果为揭示其矿化作用机理,建立数学模型及放大提供了理论依据。     

螺旋桨叶截面空化模拟数值模型的改进与评估

考虑了多相流空化黏性模拟中多相流模型、空化模型、湍流模型和相变临界压力选择等因素,提出了在混合密度中同时包含非凝结性气核质量分数和体积分数以及在相变临界压力中考虑湍流脉动影响的改进Sauer空化模型,分析了直接引入混合密度的SST模型、湍流黏度取μt=ρmk/(w)的修正SST模型和分别引入密度函数和滤波函数的修正k-ε模型4种湍流模型对螺旋桨叶截面NACA66 (mod)片空化模拟的影响,并应用改进后的数值模型对E779A螺旋桨不同空化程度下的片空化进行了模拟与校验.结果表明,NCG质量分数取7.8×10-4和体积分数取1.0×10-6及气泡初始平均半径取1.5μm时相对最优.对二维水翼轻度和中度片空化模拟时,后3种湍流模型修正方式精度相当,且优于第一种方式.对水翼云空化模拟时,两种修正k-ε模型相对最优.联合改进Sauer空化模型和修正SST湍流模型对螺旋桨轻度、中度和重度空化下的空化范围模拟均与实验值吻合很好,表明了改进数值模型的有效性,并可直接用于低噪声桨的设计.     

离心泵气液两相流数值模拟与可视化试验

为了研究离心泵输送气液两相介质时的内部流动规律,采用FLUENT软件对其内部流动进行了数值模拟,同时采用高速摄像机及普通相机对泵内气液两相流动进行了拍摄分析。研究了叶轮、蜗壳以及吸水管内的气液两相流动,分析了进口气相体积分率对泵内部流动与外特性的影响,揭示了离心泵内气相分布随进口气相体积分率的变化规律。研究结果表明:随着进口气相体积分率的增加,吸水管内的流型从塞状流变为分层流,叶轮内气泡从相对均匀分布到积聚成团最后堵塞流道。随着进口气相体积分率的增加、小流量工况(5、7 m~3/h)下,泵的流量不断减小,扬程急剧下降;在大流量工况(10、12、15 m~3/h)下,泵的流量先增大后减小,扬程缓慢减小。在半径为0.6倍叶轮半径附近,气相体积分率和气泡直径达到最大值。气泡直径随着进口气相体积分率的增加而增大,随着转速的增大而减小。研究结果对气液两相流泵的优化设计及高效运行具有参考价值。     

近床面风沙流的颗粒拟流体大涡模拟分析

通过气相大涡模拟与基于颗粒动理学理论的颗粒相湍流拟流体模型进行耦合,对近床面风沙气固两相三维运动进行了数值计算。相同来流风速下,对跃移层内沙相速度、沙相浓度及沙粒脉动均方根速度沿近床面高度变化进行了统计分析,对比了模拟参数结果与相关实验值之间的差异。结果表明:所建计算模型能较好地揭示近床面风沙流特性,低沙相浓度运动模拟中2种曵力系数模型计算得到的各个宏观参数统计量趋于一致;跃移层内沙相平均流向速度随近床面高度的增加呈递增趋势,沙相浓度随近床面高度的增加呈递减趋势,沙相流向脉动均方根速度在跃移底层呈现单一峰值状。模拟结果获得了与相关实验结论相类似的变化规律,得出准确选取沙粒碰撞弹性恢复系数是准确揭示沙相速度脉动强弱的关键。     

气液两相射流破岩流场数值模拟

为解决传统水射流破岩资源消耗巨大的问题,急需研究出一种高效节能的射流破岩技术,以达到节能减排、绿色可持续发展的目的。本文基于计算流体力学方法,在水射流的基础上加入定量气相,形成气液两相射流,并对其进行数值仿真,研究了气液两相射流的速度场、压力场特性,分析了气相体积分数、入射压力和喷距对气液两相射流破岩性能参数的影响规律。研究结果显示：气相体积分数为30%的气液两相射流的最大轴向速度为288 m/s,相比纯水射流提升超过19%。当射流从喷嘴喷出,高压的气泡溃灭会形成高速溃灭微射流,提高射流速度和射流冲击力。随气相体积分数增加,射流最大轴向速度不断增加,而驻点压力略有下降。随入射压力增加时,射流最大轴向速度呈上升趋势,但增幅逐渐变缓。当喷距增加到35 mm时,射流中的大部分气泡在靶面附近发生溃灭,对靶面产生脉动冲击,使驻点压力回升到26 MPa,此时驻点压力高,射流扩散较小,射流破岩性能良好。     

氮气泡沫压裂液体系在水平管段中的流动规律

根据泡沫压裂液体系含有气体和液体两相这一特性,设计了一套室内泡沫流体管式流变仪,进行了泡沫压裂液体系在水平管段的流动规律研究,得到了泡沫压裂液体系在实验管段的微观结构;并对泡沫质量对泡沫压裂液体系的流变性影响进行了研究。实验结果表明,泡沫压裂液体系随着泡沫质量的增加,管路中的压降先增加后减小;并且泡沫质量较小时很难得到稳定的泡沫;泡沫质量在40%~75%之间能得到稳定的泡沫;用幂律模型研究泡沫压裂液的流变特性,得到泡沫压裂液体系的流变方程。结果表明,随着泡沫质量的不断增加,泡沫压裂液体系的稠度系数不断增加,流变指数不断减小;并且随着剪切速率的增加,表观黏度不断降低,对于研究泡沫压裂液在井筒中的流动具有一定的价值。     

临兴致密气压裂液全过程渗吸伤害规律

致密砂岩气作为重要的非常规天然气资源,需经过压裂改造才能实现有效开发。压裂施工中由于毛管力作用压裂液的渗吸现象会造成储层渗透率降低,从而降低采收率,因此开展压裂过程中压裂液渗吸伤害机理研究对储层保护和提高压后产能具有深刻意义。以临兴致密气区块为研究对象,通过室内渗吸实验模拟从压裂到返排整个过程中压裂液与储层之间的渗吸作用机理,探究了渗吸液相、压裂液黏度、岩心渗透率以及渗吸时间四种因素影响下的压裂液渗吸伤害规律,并利用灰色关联法量化分析各因素对渗吸伤害的影响程度。研究结果表明:压裂液黏度和压后焖井时间与储层伤害率呈正相关关系,与返排率呈负相关关系;岩心渗透率与伤害率呈负相关关系,与返排率呈正相关关系;压裂液渗吸对储层的伤害率较地层水大,返排率则低于地层水;各因素对致密砂岩气储层渗吸伤害的影响程度大小排序为:压裂液黏度压裂液渗吸时间岩心渗透率。研究结果为压裂施工现场的压裂液体系优选及焖井时间控制提供参考。     

应用幂律和改良幂律模型研究干法泡沫压裂液流变性

为了正确认识压裂液的流变特性,模拟高压高剪切速率实际压裂施工条件下,在大型高压泡沫压裂液实验回路上对改良的干法压裂液的流变特性进行实验研究,并用幂律模型和改良幂律模型对实验数据进行了处理.结果表明:当剪切速率和温度升高时,改良的干法压裂液流动变顺畅;当压力和泡沫质量增加时,其流动性变差.改良幂律模型中引入的比容膨胀率能包含温度造成的体积膨胀影响,但不能包含泡沫质量的影响,因为当泡沫质量高于70%时,泡沫质量增加带来的泡沫结构的变化没有考虑在比容膨胀率中.     

页岩气低伤害超临界CO2凝胶压裂液研究

针对常规水压裂液会对页岩造成伤害，容易产生水锁，不易返排，还造成水资源消耗和污染环境等问题，制备了低伤害二氧化碳凝胶压裂液。将自备的F2EU和F4EU增稠剂加入到超临界CO₂基液中，探究两种增稠剂的加入量对CO₂凝胶压裂液黏度的影响，综合考虑成本与效果，优选了2%的F4EU增稠剂，可将CO₂的黏度增至15.4 mPa·s。研究了温度、压力以及剪切速率对凝胶压裂液黏度的影响。实验结果表明，随着温度升高黏度总体降低，但中间出现一个短暂升高阶段；随着压力上升压裂液黏度增加；随着剪切速率的增加压裂液黏度下降，属于一种典型的剪切变稀的假塑性流体。F4EU超临界CO₂凝胶压裂液的平均伤害率为1.39%，远远小于常规压裂液对岩芯的伤害率。实验表明，F4EU超临界CO₂凝胶压裂液在页岩气压裂开采中具有良好的应用前景。     

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。     

气体对阴离子表活剂压裂液破胶实验研究

阴离子表活剂压裂液是新型清洁压裂液,原油和地层水对其破胶机理与实验研究已相当充分,但气体对其破胶作用至今研究很少.为解决阴离子表活剂压裂液在压裂应用中的障碍,研究采用一套实用的实验流程,评价了天然气、氮气、二氧化碳三种常见气体对阴离子表活剂压裂液的影响.实验证明,三种不同的气体对阴离子表活剂压裂液的降粘幅度存在较大的差别,其中,二氧化碳气体对阴离子清洁压裂液降粘幅度最大,可使交联液体彻底破胶,天然气对阴离子型表活剂压裂液降粘幅度较小,氮气对阴离子压裂液的粘度几乎没有影响,氮气和天然气可以使液体泡沫化,从而有利于返排.实验结果为优化压裂设计提供了依据,可有效提高现场压裂施工成功率.     

液体性质对气泡雾化液滴不稳定性的影响

为了改善气泡喷嘴雾化性能,利用基于液滴统计学的理想雾化理论模型研究了液体性质对气泡雾化液滴不稳定性的影响.同时,采用高速摄影技术分析了气泡喷嘴内部气液两相流动及喷口雾化状况,探究了雾化液滴产生不稳定现象的根本原因.实验结果表明,气泡喷嘴雾化本身具有不稳定性,且雾化下游场中不同粒径的液滴均表现出不稳定性.当喷嘴内部气液两相处于气泡流时,喷口处单个气泡的破裂可导致雾化下游场中液滴不稳定;当气液两相处于过渡流时,单个气泡、液体以及较长气柱交替流经喷口会造成气泡雾化液滴不稳定;当气液两相处于环状流时,液桥现象的存在致使雾化下游场液滴不稳定.增加牛顿流体的黏度或者降低非牛顿流体剪切变稀的强度能够有效降低雾化液滴的不稳定性.     

钻井环空中赫巴流体内气泡的上升速度

气泡在钻井环空中的运动规律是井筒多相流的一个研究重点,气泡上升速度则是其中的一个关键参数。井筒 内各流型内气泡/气体上升速度的准确性很大程度上影响了井筒多相流描述的精确性。为此,按照含气率对环空流型 进行了划分,对各流型气泡的运动行为进行了分析。系统地总结分析了单气泡在无限流域中的滑脱速度及气泡纵横 比的计算方法。利用赫巴流变模式对气泡周围表观黏度进行了修正,通过实例对比分析单气泡在赫巴流体内滑脱 速度几个计算公式,认为Rodrigue 公式相对于Harmathy 公式来说是极大的提高,能适应不同形状的气泡,可作为泡状 流流域气泡滑脱速度计算的首选公式。通过对单气泡滑脱速度进行含气率、尺寸和井斜修正,得出了环空中各流型的 气体滑脱速度计算方法,过渡流型的气泡滑脱速度则采用线性处理,并对环空气泡滑脱速度随含气率变化关系进行了 实例分析。最终通过漂移流模型给出了计算环空气泡上升速度的方法。     

致密砂岩气藏纳米封堵型低伤害压裂液研究

针对常规胍胶压裂液对致密砂岩气藏伤害大的难题,通过分子结构设计和正交实验,研制了一种纳米封堵型低伤害压裂液,在致密气藏压裂施工中能封堵部分压裂液于储层基质外,施工后液体能快速返排,从而有效降低稠化剂分子的滞留吸附与液相伤害。该压裂液在35～140℃、170 s^-1条件下剪切120 min,终黏度大于80 mPa.s:能彻底破胶,残渣含量低,破胶液表面张力为25.91 mN/m,对致密砂岩岩芯伤害率低于15%,封堵性能及其他综合性能满足现场施工要求。该压裂液在ZJ125井现场应用,效果良好,施工后液体返排快,返排率高达75.94%,比邻井提高47%,天然气产量1.647 5×10⁴ m³/d,是邻井JS316HF井产量的两倍,显示了其在致密砂岩气藏中良好的低滞留特性。