串联管道串联阀芯受瞬变压力研究

结合成品油停输再启动特性,建立了成品油控制体运动方程、连续方程,提出了串联阀芯流阻系数模型。通过差分方法对其编程求解,以串联管道串联阀芯为例,得出了串联阀芯受瞬变压力变化规律,探讨了停输再启动输油管路瞬变压力震荡衰减问题。以一个具体的工程实例进行研究,结果表明:串联管道串联阀芯线性关闭较单阀门线性关闭产生的最大瞬变压力由5.6MPa减至4.3MPa,减少了30.23%;管路瞬变压力震荡过程中,随着流体可压缩性的增大,流体的振幅衰减加剧,在43.2s时间内,瞬变压力最大峰值由4.85MPa减至1.28MPa;双阀门停输再启动中延长任一个阀门启闭时间均可使最大瞬变压力减小;对于相同关阀计划,阀芯流量系数越平缓,阀芯受瞬变压力越小。     

微流量控制钻井环空波动压力反问题研究

根据质量守恒及动量守恒方程,建立了微流量控制钻井过程中的节流阀调节的限压/限时动作模型,通过计算机编程对其求解,提出了有模型的节流阀控制环空波动压力方法。计算结果表明:环空中最大波动压力可通过限压/限时调节控制;节流阀控制环空最大波动压力均遵循省时不省压、省压不省时的规律,随限时减小环空波动压力高峰值增加,随限压减小节流阀调节时间增大,随井底溢流量增大,节流阀驻阀开度减小;节流阀关阀时间延长3.2s,节流阀开度低谷值增大2.5度,环空所受波动压力高峰值减小0.3MPa;限压/限时调节控制核心是采用触探式反复调节的方式控制节流阀开度。     

套管阀关阀井下压力动态演变规律的研究

套管阀是实现全过程欠平衡钻井最为简捷、安全的技术之一，但其面临很难预测和控制关阀后井下动态压力的问题，因此常常在关阀后阀下压力急剧上升，导致无法正常开阀。造成这一客观事实的主要原因是单向封闭管流的特殊多相流动的特征参数预测模型与求解方法的不完善。因此，本文在分析套管阀使用流程的基础上，根据不同的地层介质建立了井下气液两相流动数学模型并采用数值方法得出了规律性的认识。通过数值模拟发现：孔隙性地层在较大的初始欠压值条件下，井下与地层压力平衡时间较短，套管阀下气柱压力更大；而对于裂缝性地层，因不断有钻井液向地层漏失，其地层压力平衡时间较孔隙性地层也更长。针对不同地层在条件，在使用套管阀时需严格控制起下钻作业时间（即井底压力与地层压力的平衡时间），以免由于阀下压力过大造成钻后无法正常打开套管阀。本文研究对于指导套管阀施工作业以及完善全过程欠平衡钻井流动理论均具有积极的意义。     

控压钻井气-钻井液两相压力衰减影响因素分析

考虑虚拟质量力、相间阻力、气相溶解度和滑脱速度等因素,在双流体模型基础上,建立了控压钻井气-钻井液两相流动中的压力衰减模型,借助小扰动理论和半隐式差分等数学方法,对其进行编程求解。结果表明:随着温度的增大,压力衰减系数呈线性增大趋势;随着压力的增大,压力衰减系数与压力呈反比例函数趋势;随着空隙率增大,压力衰减系数呈先增大后减小的抛物线趋势。当φg≈21%时,压力衰减系数达到最大值,当p=0.1MPa时,最大压力衰减系数可达2.32dB·m~(-1)。在低频段(w≤50Hz),压力衰减系数随频率逐渐增大;在高频段(w500Hz),压力波的色散性基本不存在,压力衰减系数趋于恒定值。不考虑虚拟质量力的压力衰减系数最大误差达3.09dB·m~(-1),不考虑拖拽力的压力衰减系数最大误差达1.13dB·m~(-1)。     

煤液化高压差调节阀空蚀/冲蚀磨损预测

针对煤液化示范工程中高压差调节阀高速气-液-粒三相流传输引起的阀芯严重空蚀和冲蚀磨损问题,采用k-ε湍流模型、Schnerr-Saur空化模型、随机轨道模型和冲蚀磨损模型,计算了典型开度下的速度、压力、相分率和磨损率等参数.计算结果表明:阀芯头部圆弧段下游附近有空化区,其顶部附近存在高速回流且压力高于介质的饱和蒸气压,综合分析空化区、回流区和壁面压力可预测空蚀主要发生在阀芯顶部;阀芯的最大冲蚀磨损率发生在顶部,且随开度减小而加剧.并结合调节阀实际损伤形貌,验证了空蚀预测方法及冲蚀磨损计算的正确性.本研究有望为多相介质传输设备的优化设计提供参考.     

多相流水击模型在泄压阀压力精度设定中的应用

为了有效地指导氮气式水击泄压阀的压力精度设定工作,提出了理论方法。该方法根据动量守恒定理与动力学理论,通过对油-气-水三相流的运动状态与泄压阀阀芯的受力进行分析,构建了油-气-水三相流水击模型和阀芯运动力学模型;设计了油-气-水三相流水击试验方案并进行了试验。结合MATLAB/Simulink仿真模拟结果与试验数据进行对比,结果表明:构建的数学模型能准确地计算出符合实际工况的水击压强、氮气压力、弹簧力的理论数值;氮气压力、弹簧力、水击压强的大小呈周期性变化,且变化周期基本同步;水击压强可进一步确定氮气压力、弹簧力的设定数值,解决了泄压阀的压力精度设定问题。     

控压钻井环空卡森流体两相螺旋流轴向速度研究

考虑控压钻井环空气液两相流参数、钻井液周向与轴向运动等因素,本文提出了控压钻井环空卡森流体两相螺旋流柱坐标理论模型;通过新疆玛湖油田区块具体实例,分析了摩阻压降、屈服应力、环空外径、空隙率等对控压钻井两相螺旋流轴向速度的影响。结果表明:控压钻井环空卡森流体两相螺旋流流核及流速峰值向钻杆壁面靠近,距离环空内壁与钻杆外壁中心点的偏度可达8.36%;由于柯特流及钻井液动粘切力下降的影响,随杆转速和管径增大,卡森流体最大速度峰值在轴向的分布向环空壁面移动;随屈服应力的增大,流核宽度呈现增大趋势,当钻井液屈服应力为1.9Pa时,卡森流体流核宽度约为19.3mm;随控压钻井环空内空隙率增大,气液两相的粘度下降,螺旋流的轴向速度峰值呈增大趋势。分析螺旋流轴向速度分布可为控压钻井井口回压加载及环空流速控制提供帮助。     

球阀不同开度下自流注水管路流固耦合动力学特性研究

以输流管道、电液球阀等附件组成的自流注水复杂管路系统为研究对象,基于流固耦合理论,利用有限元软件ANSYS建立系统仿真计算模型并研究其动力学特性。由于管路不同位置的动力学特性不同,本文根据所建立的有限元模型计算球阀不同开度对管路同一位置流体的压力和速度的影响,并比较不同位置在球阀固定开度时的流体特性。结果表明:阀前弯头的流体压力随阀门开度的增加而减小,阀后弯头随阀门开度的增加而增大;当阀门开度固定时,管路不同位置的流体压力分别以球阀(固定开度≤50%)、大小头(固定开度为50%)为分界点呈现不同的趋势。根据流固耦合理论计算球阀不同开度下自流注水管路结构的振动情况,结果发现阀门开度为50%时在0.5s比其他开度多出现一次激振,且加速度幅值较其它开度明显增大。     

新型深井排气阀设计及动态分析

为有效保护和提高电潜泵及生产套管的有效寿命,防止生产过程中的伴生气体大量积累影响生产,设计了一种新型深井排气阀,对其结构、驱动方式、工作原理进行了介绍。利用FEM模拟深井排气阀从开启状态到闭合状态过程中,在不同倒角情况下排气阀所受压力的变化规律及流场特性。模拟结果表明:排气阀在整个闭合过程中流场最高速度约为263m/s,排气阀可承受的最大压力约为40MPa;排气阀能承受的压力、流场速度与排气阀开度、排气阀倒角变化趋势相反。经过对排气阀阀块角度的优选,最终确定55°倒角为最优角。本文设计的新型深井排气阀采用液压驱动方式,中间传动部件减少,结构简单,可靠性高;此外,该液压驱动方式借用高压气体作为一部分动力控制排气阀的开合,简化了结构,节省了动力组件布置空间。     

一种考虑虚拟质量力的井筒气液两相压力波色散经验模型

考虑虚拟质量力、管道特性、频率、空隙率等因素,建立气液双流体压力波速模型,结合小扰动理论,提出了一种新的考虑虚拟质量力的两相压力波色散经验模型,与前人气液两相流（12.5%空隙率）中波色散实验测试数据对比是一致的,且经验公式也可达到准确求解压力衰减系数的目的．对控压钻井两相压力波进行计算,结果表明：(1)随系统压力的增大,压力波衰减系数呈现减小趋势,随节流阀动作频率增大、温度增大,压力波衰减系数呈现增大趋势;(2)随空隙率增大,压力衰减呈现先增大后减小趋势,空隙率在8%≤φ≤40%区间,两相压力衰减系数存在最大峰值,当压力为0.2 MPa时,空隙率在19.5%时达到峰值2.78 dB/m;(3)在低频下,波色散主要受相间机械及热力学平衡机制的制约,波色散现象明显;在高频下,相间来不及进行动量及能量交换,气液状态达不到有序的状态,因而波色散现象不明显;(4)不考虑虚拟质量力,两相压力衰减系数呈现增大趋势,波色散现象显著性下降．     

双喷嘴挡板力反馈伺服阀的阀芯振荡分析

基于双喷嘴挡板力反馈伺服阀的结构特点,根据伺服阀内部的压力-流量方程、阀芯运动学方程,首次建立了伺服阀阀芯振动的数学模型,推导了伺服阀固有频率及幅值放大系数的数学表达式;并以国产某型号伺服阀为例进行了理论分析,研究了阀芯质量、反馈杆刚度对于伺服阀固有频率及幅值放大系数的影响。结果表明:固有频率随阀芯质量的增加、弹簧杆刚度的降低而依次降低;幅值放大系数随阀芯质量、载荷频率、弹簧杆刚度的增加而依次降低。本文研究为双喷嘴挡板力反馈伺服阀的设计提供了理论基础。     

控压钻井中三相流体压力波速传播特性

考虑虚拟质量力、相间阻力、气相溶解度及滑脱速度等因素,在双流体模型基础上,建立了控压钻井中油-气-钻井液三相流体压力波速模型. 将溢流气体视为气相,将溢流油相及钻井液相视为液相,液相弹性模量及密度等参数为油相及钻井液相中各参数的加权和,利用半隐式差分及小扰动理论等数学方法,借助计算机编程对其求解. 结果表明,当井底气侵量从0.36m3/h 增至3.6m3/h,波速减小峰值为498.59m/s,而相同的油侵增加量,波速呈缓慢减小趋势,波速减小峰值为19.21m/s;当回压从0.1MPa 增至9.0MPa,波速呈增大趋势,波速增大峰值为233.15m/s;不考虑虚拟质量力,在低频段引起的波速误差呈增大趋势,在高频段引起的波速误差峰值稳定于10.03%.      

RESEARCH ON PRESSURE WAVE PROPAGATION CHARACTERISTICS IN THREE-PHASE FLOW DURING MANAGED PRESSURE DRILLING

考虑虚拟质量力、相间阻力、气相溶解度及滑脱速度等因素,在双流体模型基础上,建立了控压钻井中油-气-钻井液三相流体压力波速模型. 将溢流气体视为气相,将溢流油相及钻井液相视为液相,液相弹性模量及密度等参数为油相及钻井液相中各参数的加权和,利用半隐式差分及小扰动理论等数学方法,借助计算机编程对其求解. 结果表明,当井底气侵量从0.36m³/h 增至3.6m³/h,波速减小峰值为498.59m/s,而相同的油侵增加量,波速呈缓慢减小趋势,波速减小峰值为19.21m/s;当回压从0.1MPa 增至9.0MPa,波速呈增大趋势,波速增大峰值为233.15m/s;不考虑虚拟质量力,在低频段引起的波速误差呈增大趋势,在高频段引起的波速误差峰值稳定于10.03%.     

改进的特征线方法及过载对水锤效应影响分析

传统特征线方法对过载作用下的水锤计算具有局限性，无法为水锤防护提供可靠性指导。本文在考虑过载效应和动态摩阻的基础上，提出了改进的特征线方法，该方法能准确模拟过载作用下水锤最大压力峰值及水锤波的衰减特性。基于该方法，建立了过载作用下水锤效应数学模型，通过分析结果与CFD数值仿真及实验数据对比，验证了改进特征线方法的正确性。分析结果表明，在恒定过载作用时，阀门位置的流体压力随过载量的增加而增大，且管轴向过载的影响大于横向过载；关阀过程受到瞬时过载作用时，过载效应对水锤最大压力峰值影响显著，而对关阀后水锤波的传播和衰减影响较小；同时，分析了过载效应下关阀特性和流体密度等参数对水锤效应的影响规律。     

向心关节轴承的结构优化及摩擦磨损性能研究

利用ANSYS有限元软件对向心关节轴承GEZ101ES进行结构优化，在装配尺寸不变的条件下，通过改变球径尺寸，得到了静载荷条件下向心关节轴承球径的优化值；并对优化前后的关节轴承进行了摩擦磨损对比试验．结果表明：将球径减小1．0mm时，关节轴承所受的最大压应力从1623．4MPa减小到1150．1MPa；在磨损量一定的情况下，结构优化后关节轴承的磨损距离(15760m)比优化前的(13847m)显著增大．     

气态ClO2体积分数与爆炸压力的关系

采用20 L柱状爆炸罐研究了气态ClO2的爆炸特性,得出了气态ClO2分解爆炸的体积分数下限为9.5%,不存在上限。在实验条件下,气态ClO2的爆炸压力随体积分数的增加而增大,体积分数为90%时,最大爆炸超压达到0.64 MPa,且气态ClO2的爆炸压力与其体积分数梯度有关。最大爆炸超压出现的时间随气态ClO2体积分数的增加而缩短,体积分数为10%时,最大爆压在2 195 ms时出现,当体积分数达到70%时,最大爆压出现的时间在10 ms以内,体积分数继续增加,最大爆压出现的时间基本维持在8 ms。     

圆管流动水击压力波测量及水力计算

为探索水击现象的物理过程和机理,研制了自循环定常流动管路瞬态特性计算机控制试验装置,并利用该装置进行圆管流动水击压力波实验测量。用12只扩散硅压力传感器测定圆管流动水击压力波瞬态分布及最大、最小压力值,由试验数据拟合出水击波波形,揭示了水击压力波传播方式、特性及衰减规律。通过分析随机捕捉测量技术方法,理论上推断出测量数据达到可信精度。在归纳分析试验数据基础上,得出最大压力随关阀时间的关系曲线,对圆管流动直接水击等概念进行了探讨,用数值分析方法拟合出水击最大压力水力计算修正方程式。     

氢气定容燃烧的实验研究

利用定容燃烧弹和高速数据采集系统对氢气定容燃烧进行实验研究,得出氢气定容燃烧压力变化过程、燃烧爆压及爆炸常数的变化规律。研究结果表明:中心点火定容燃烧的压力变化过程为:从开始的火花跳火干扰到平稳的等压燃烧,再到压力的慢速和快速增加,在燃烧的中后期会出现压力振荡;在非燃烧极限工况下,随着燃空当量比的增加燃烧爆压先增加后减小,随着初始压力的升高燃烧爆压几乎线性增加,随着温度的增加燃烧爆压和最大燃烧爆压都减小;随着燃空当量比的增加爆炸常数先增加后减小,在燃空当量比小于4.0的工况,燃烧爆炸常数随初始压力的升高而增加,而燃空当量比大于4.0的工况随着初始压力的升高而下降;在燃空当量比小于2.5时,燃烧爆炸常数随温度升高而减小,在燃空当量比大于2.5时,则正好相反。     

深井气侵关井引发的井筒多相水击压力特性研究

结合小扰动理论,建立了深井气侵关井引发的井筒多相水击压力模型。利用有限体积及特征线等数学方法,提出了基于离散网格求解井筒多相水击压力方法。结果表明:气侵量、井深及关井时间等参数均对井筒多相水击压力影响显著;井底气体的侵入,大幅降低了环空压力,增大了井筒空隙率,减小了井筒水击波速,延缓了井底水击压力峰值点出现时间;随井底气侵量增大,井筒多相水击压力呈减小趋势,气侵量从1.46m3/h增至4.14m3/h,水击压力高峰值大幅度降低;随井深增大,水击压力呈减小趋势,井深1550m同井口处相比,水击压力高峰值减小86.63%;随关井时间延长,水击压力呈减小趋势,关井时间延长10s,水击压力高峰值减小44.46%。     

消能锥阀结构改进的三维数值模拟研究

对常规消能锥阀体型进行了改进,提出了一种新型的嵌套式消能锥阀.该新阀将原来通过阀体的一股环状射流变为两股互不平行的环状射流,通过这两股高速水流在阀口的碰撞提高消能率、改善流态.采用可压缩的两相流模型,辅以Realizable k–ε湍流模型来模拟锥阀附近水流的水力特性,对于自由水面的处理采用了VOF法,并进行压强场和流速场及消能情况的对比分析.结果显示:在上游进口端控制断面的水流流量相同的情况下使用嵌套式消能锥阀,阀前进水管道的压强可由原来的25kPa减小到15kPa,减小了40%;阀体所承受的压力由35kPa减小到10kPa,减小了57%;下游管道中水流落点之后的沿程断面平均流速减小了约0.1m/s.在上游进口端具有相同的总水头的情况下,嵌套式消能锥阀对流速水头及压强水头的消能能力都要比使用常规消能锥阀好.