注蒸汽井筒热损模拟实验及改进设计研究

稠油开采主要以注蒸汽热采为主,蒸汽沿井筒流动过程中,井筒散热损失和蒸汽温度、干度等均沿流程变化,对其进行精确计算和分析,对油田提高采收效果具有重要意义。本文对井筒结构和传热过程进行了分析,通过地面模拟实验,实测了隔热管的热损分布,并提出了热损合理分布概念。研究发现,接箍和隔热管外壁存在热桥,受影响的隔热管长度在0.5 m左右.同时,接箍处热流密度是正常隔热管的3倍以上,是需要研究的重点。按热损合理分布概念提出了三套改进设计方案,并对其进行了对比分析.     

水平井注汽启动阶段流动特性研究

水平井技术已成为稠油油藏开采中的一项重要技术被广泛应用。在理论和数值研究中使用较多的井筒线源模型,假定水平井段湿蒸汽参数不变,没有考虑湿蒸汽在井筒内传热传质的变化对油藏吸汽的影响。为进一步完善注蒸汽模型,本文以筛管水平井为例,建立了井筒与储层数值模型,研究了注蒸汽采油启动阶段的油、水、汽三相在井筒和油藏中流动与传热规律,分析了井筒内积存原油对蒸汽推进的影响及湿蒸汽参数沿水平井段变化规律。结果表明:水平井段沿程热损失大,湿蒸汽热焓值从水平井跟端到趾端下降较快,造成跟端吸汽量高,趾端吸汽少甚至无法吸汽;井筒内积存原油影响蒸汽沿井筒轴向的扩散和热传递,加剧了油藏吸热的不均匀。     

注蒸汽井井筒内参数计算新模型

从动量定理角度出发建立求解蒸汽压降方程,而从能量守恒角度出发建立求解蒸汽干度变化的方程,采用节点分析方法和数值计算方法对模型求解.计算过程中借鉴传统的气液两相流Beggs-Brill方法计算水蒸汽混合物的物性参数.通过对辽河油田齐40块和杜80块10口井井筒的压力、温度和干度分布计算表明该模型计算精度较高.     

光纤传感用于油田热采的蒸汽干度测量

折射率调制的光纤传感器可用于测量稠油热采过程中的蒸汽干度测量。当油田的油井中注入高温高压蒸汽时，从井口到井底连续地查明汽液比对节省能源和提高产出率意义重大。由于干蒸汽和水的折射率不同，汽液的比例可以从汽液两相流的折射率响应特性反映出来。研制的测量装置直接对汽液两相流的比例变化产生响应，能够应用于高温高压及狭窄工作空间的输汽环境中。在井深850m，井口蒸汽温度287℃，压力7．49MPa的油田注汽井中进行了测试。测试结果对注汽法采油的井况分析具有一定的参考作用。油田注汽井的测量数据表明，这种干度测量仪可以实现在线、连续的测量工作。     

热采井注蒸汽与注多元热流体井筒流动与传热对比分析

针对海上稠油开采出现的问题,国内发展了注多元热流体吞吐热力采油技术。与蒸汽热力采油相比,多元热流体可以显著降低稠油黏度、增加油层压力,提高开采效率。本文基于实际气体状态方程和混合法则建立注多元热流体内部流动与传热模型,并与注蒸汽井筒流动与传热状态进行对比,详细对比两种热采介质在井筒流动与传热情况。通过研究发现:在井筒注入相同温度与相同注入速率的多元热流体与饱和蒸汽,多元热流体井筒压力和温度下降速度更快,到达井底时压力更大,温度更低,与地层和油层的温差更小,井筒热损失更少,但是热量含量低,油层加热范围小。要想达到与蒸汽一样加热效果,可以增加多元热流体注入速率和注入温度。同时由于CO_2和N_2作用,油层温度分布更加均匀,热量更多,油层加热范围更大,注多元热流体开采效果更好。     

SAGD循环预热割缝筛管参数影响规律研究

为预测SAGD循环预热阶段井筒内蒸汽热力参数分布规律,提高地层受热均匀程度,考虑割缝筛管管柱结构特点,建立水平井井筒与储层耦合数值模型,采用全隐式有限差分法和迭代技术对模型进行求解,并验证模型的准确性。利用该模型可预测井筒内蒸汽压力、温度、干度和地层吸热率等参数分布规律,对比不同割缝宽度、长度和密度对循环预热效果的影响。结果表明:蒸汽压降和温度降主要发生在长油管内,蒸汽干度降主要发生在环空内。随割缝宽度、长度和密度的增加,水平段吸汽长度均减小;压力下降幅度均变缓;蒸汽干度下降幅度均增大;地层受热非均匀性均增强。优化割缝筛管参数,避免蒸汽冷凝成水,提高返回跟端处的蒸汽干度值,可提高地层受热均匀程度。     

超临界注汽油井中蒸汽参数的数值计算

本文通过对动量方程、能量方程、散热方程等控制方程的离散求解,用稳态和瞬态相结合的方法,计算了超临界注汽油井地下垂直段、过渡段和水平段蒸汽参数（压力、温度等）和井简散热损失、压力降等随注入时间、注入流量和压力的变化规律．计算结果表明,随着井深的增加,蒸汽压力在垂直段和过渡段的前半部分是增加的,而在过渡段后半部分和水平段则减小,且同一井深位置随流量增加蒸汽压力减小,注入蒸汽压力高于２２ ＭＰａ时,井底蒸汽出口压力比入口高。同一井深位置每公斤蒸汽散热损失随流量的增加而减少,而随压力的增加无明显变化。井底蒸汽压力和温度在注入时间大约３天左右即趋于一稳定值,而井底热损失则随注入时间的增加而减少．     

真空隔热油管接箍传热实验与模拟研究

真空隔热油管井筒的传热计算是稠油开采领域的重要研究课题.注蒸汽采油井筒内,隔热油管是靠接箍连接在一起的,接箍虽然很短,但其隔热性能较差.目前,隔热油管接箍段引起的散热损失均按经验比例计算,本文对隔热油管接箍的传热进行了深入研究,提出用接箍视导热系数来衡量接箍的隔热性能.并通过现场实验、fluent模拟和理论计算相结合的方法,得到带衬套的接箍视导热系数为0.4 W/(m·K)左右.在实验条件下,接箍散热损失占总散热损失的比例大于1/3.因此,应采用必要措施提高接箍的隔热性能,以保证整个隔热油管的隔热效果.     

水平井蒸汽辅助重力驱油藏模拟方法

研究了油藏与水平井段耦合的蒸汽辅助重力驱整体模拟的数学模型及其求解方法.将研制的沿水平井井筒方向有质量、能量损失的一维多相管流模块与油藏模拟主体软件集成,能预测水平井蒸汽辅助重力驱蒸汽腔室的大小及形状的动态变化.通过模拟计算分析了毛管力、蒸汽干度、地层深度等对蒸汽腔室发育程度的影响,并取得了结果.     

增压锅炉过热器三维数值模拟及热偏差分析

本文选择简化的增压锅炉过热器整体模型作为计算区域,综合考虑过热器热力特性、水力特性和结构特性,给出合理的边界条件,利用FLUENT软件对过热器内部流场进行流动与传热的三维数值模拟,得到蒸汽质量流量、蒸汽密度、蒸汽焓值以及热偏差等参数的分布规律.简化的整体模型计算方法克服r大量弯曲长管束网格划分的难题,实现了过热器内流场的整体计算.计算结果和实际数据能够较好地吻合,较准确地反映出该锅炉的实际情况.为进一步确立过热器管柬壁温分布规律提供理论基础.     

一种能克服两方程湍流模型刚性的流热一体化算法

使用流热一体化算法解决传统耦合算法难于处理的流场与固体温度场耦合计算问题.为保证其计算效率,提出一个简单有效的方法用以克服两方程湍流模型刚性.给出该方法的理论证明,并验证其配合多重网格提高LUSGS隐式时间推进法的计算效率.     

汽轮机静叶除湿方法的数值研究

本文针对蒸汽轮机末级湿蒸汽形成现象,分析湿蒸汽非平衡凝结流动的控制方程及物理模型。对Moses and Stein喷嘴进行了计算分析,得出湿蒸汽形成过程的特点,并与实验结果相比,契合度可以证明数值计算模型及方法的正确性。最后对某汽轮机静叶进行数值计算,分析湿度及过冷度分布,提出一种新型的静叶除湿结构,并对除湿效果进行计算分析。结果表明,随着通道直径的增加,静叶出口位置的平均湿度降低,湿汽损失减小。     

两级跨音湿蒸汽离心透平的设计与气动分析

以湿蒸汽为流动工质,利用一维方法,进行了两级跨音湿蒸汽离心透平的气动初步设计,并采用平衡凝结流动模型,对该两级透平进行流道优化设计与性能分析。所设计的离心透平在进汽干度为0.995 kg/kg、压比为10.15的设计工况下,功率为250.62 kW,轮周效率为82.838%。在变工况条件下,通过调节转速、蒸汽干度、进汽压力、进汽温度与出口背压,获得了两级跨音湿蒸汽离心透平的性能变化规律。结果表明:低转速下小膨胀比的透平效率高,高转速下大膨胀比的透平效率高;进汽干度大的透平效率高;随着膨胀比的增大,效率先增大后减小,存在最佳膨胀比对应的极大值。     

精细分层注水约束的油藏数值模拟

考虑分层注水的井筒约束方程作为内边界条件,基于黑油模型建立精细分层注水约束的油藏数值模型,形成带有加边七对角稀疏系数矩阵的封闭线性系统,采用分块矩阵乘法与预处理共轭梯度法相结合的方法进行求解.通过实例计算五点井网分层注水与笼统注水的开发效果,评价不同分段和配注模式对开发效果的影响.     

煤的热天平燃烧反应动力学特性的研究

采用热天平获得同一种煤在不同升温速率下的TG、DTG曲线,可求出燃烧速率、燃烧温度随燃烬度的变化曲线,根据两个不同升温速率下的数据,可计算出化学动力学参数活化能和指前因子随燃烬度的变化曲线。根据实验数据计算得到四个煤种的反应动力学参数随燃烬度变化的曲线,并预测其中一种煤在第三个升温速率下的燃烧速率随燃烬度的变化曲线,计算结果与实验结果符合较好。用此模型预测了在不同的恒定温度下试验煤种的煤粉燃烧速率随燃烬度的变化趋势。     

毛细相变回路热力学和水动力学分析

基于质量守恒、能量守恒方程,耦合环路热管各关键节点处压力、温度及传热传质关系,通过计算冷凝器中汽液界面位置,将环路热管内压力损失分为蒸汽侧压损和液相侧压损,并构建了从局部到整体的稳态运行数学物理模型,重点分析了冷凝界面位置和蒸发器热泄漏对环路热管稳态运行的影响规律。发现,低热流密度下,冷凝界面越靠近蒸汽出口越有利于提高环路热管的传热性能,但随着热流密度增加,冷凝位置对环路热管稳态性能的影响程度越来越小;抑制热泄漏或增加流入补偿室内的冷量,均可增大毛细芯两侧温度梯度,降低运行温度,进而提高环路热管的传热性能。     

绝对吸收式激光能量计高准确度校准技术研究

采用量热法的高能激光能量计用于测量能量大于50 kJ的连续波高能激光能量,通常用已知功率的连续激光开展激光能量计的光电校准需要激光照射时间超过20 min,而由于热损失等原因,进行长时间激光能量校准时,校准不确定度高达12%。以量热式平面吸收高能激光能量计为模型,从理论上分析了热辐射、热对流对连续波高能激光能量测量结果的影响,得到了较准确的平面吸收腔激光能量计冷却数学模型,实现了能量计热损失补偿,并通过建立相应的实验装置验证了该模型,用其对装置的测量结果加以修正,可使光电校准的测量不确定度减小到1%以下。     

进汽参数对汽轮机叶栅通道内自发凝结影响的数值分析

为准确描述汽轮机级内湿蒸汽凝结流动特性,采用双流体模型结合修正的均质成核和水滴生长模型,实现汽轮机初始成核级叶栅通道内非平衡凝结数值求解。通过焓损失系数与自由能理论进一步分析了进汽参数变化对汽轮机叶栅通道内湿蒸汽自发凝结流动的影响,结果表明:随着过热度的降低,非平衡凝结起始位置提前,非平衡凝结现象更剧烈,凝结产生的液相质量分数增加,热力学损失升高;进口湿度对水滴的生长和蒸发速率非常敏感,对凝结冲击位置有很大的影响;入口湿蒸汽液滴直径越大,阻碍相变的自由能壁垒越低,二次凝结现象越易发生,热力学损失越大,当湿度为0.01的液滴直径超过0.2μm时,均质成核的二次凝结现象逐渐发生;二次成核的临界水滴直径随着湿度的增加而增大。     

自发凝结流动数值模拟方法及其在Laval喷管中的应用

本文对存在自发凝结的湿蒸汽两相流动建立了完全欧拉坐标系统下的数理模型。采用考虑了真实流体性质的 LU-SGS-GE隐式时间推进算法和改良型高精度、高分辨率MuSCL TVD差分格式求解存在自发凝结的汽液两相流动控制方程组。文中水及水蒸汽性质数据全部取自IAPWS-IF97国际标准公式。对某Laval缩放喷管内的湿蒸汽自发凝结流动的数值模拟结果表明,本文所采用的数理模型及计算方法是有效和可靠的。     

实心与空心锥形喷雾与热多孔介质相互作用的数值研究

在KIVA-3V中增加了油滴碰撞热多孔介质壁面的碰撞模型、传热模型及空心喷雾的线性不稳定性液膜破碎模型(LISA).在多孔介质结构简化描述的基础上,详细模拟了实心喷雾与空心锥形油雾与热多孔介质之间的碰撞过程.针对Senda等人的实验进行了数值计算,油束碰壁后油滴和油蒸汽分布的数值计算结果与实验结果吻合得很好.计算结果表明油雾在碰撞到热多孔介质后,油束会发生分裂,为油滴的快速蒸发和油蒸汽与空气充分混合创造了前提.油滴初始动能相同的条件下,空心喷雾的油滴穿越多孔介质的可能性比实心喷雾要小.