气侵期间环空气液两相流动研究

本文建立了描述钻井气侵期间井眼气液两相流偏微分方程组,该方程组既考虑了不同渗透率的储层与储层钻开不同厚度下的气体侵入井眼情况,也给出了这种情况下该偏微分方程组的求解方法。利用实验数据进行了模拟,揭示了环空气液两相流型与流动参数变化特征,据此,能够为安全有效地井控提供理论基础。     

钻井气液两相流体溢流与分布特征研究

常规钻井返出管线敞口,钻井液在返出管线中流动为非满管流动,小气侵量时,泥浆池液面变化不明显,检测装置无法测量液面变化,钻井液返出流量无法测量或者测量误差较大,无法感知小流量差的变化。本文基于气液两相流理论建立了井筒气液两相流参数与井口溢流速度的关系模型,计算表明气侵速度越大,气泡运移距井口越近,井口溢流速度越大。并以空气和钻井液(非牛顿流体)为介质,基于VOF多相流模型,模拟了钻井液返出流量变化时气液界面变化情况,分析了纯钻井液和不同含气率钻井液在返出管线流动时液面变化特征,得出纯钻井液流动时喇叭口处液面变化最明显,优化液面检测装置安装在喇叭上,更能准确及时地检测液面变化早期发现溢流,进气速度影响返出管线钻井液液面稳定性。     

溢流期间气体沿井眼膨胀规律研究

气体沿井眼体积的变化规律对于溢流检测技术、压井方法和井控措施的及时采取至关重要,为了正确认识气体沿井眼上升体积变化规律,本文在接近钻井实际工况下对气侵进行了模拟,包括单个气泡沿井眼膨胀规律及连续进气时井底压力的变化规律,并取得了初步认识,对今后的安全钻井具有一定的指导意义.     

表面活性剂对倾斜上升气液两相流流型的影响

应用电导断层测量技术研究表面活性剂添加对倾斜上升气液两相流流型的影响,实验工质为空气/水、空气/100 mg/kg十二烷基硫酸钠(SDS)水溶液。结果表明,当倾角较小时(2.5°和5°),添加少量纯度为95％的SDS到空气/水两相流系统,可以推迟了分层流型向环状流型的转换,使其发生在较高的气体流速条件下;与水平流动的实验结果类似,在本文的实验条件下没有观测到表面活性剂对塞状流型、弹状流型转换特性的影响。随着倾角的增大(10°),表面活性剂添加对气液两相流流型的影响更为显著,在空气/水气液两相流系统中没有观测到分层流动,而加入表面活性剂后在一定范围内存在分层流动。     

微推进器两相流型特征及产生机理

针对以低浓度过氧化氢作为液体燃料的硅基微推进器,采用高速可视化手段考察过氧化氢分解形成的气液两相流在微喷嘴扩张段的流动特征.发现流型总体特点是泡状流型阶段和环状流型喷气阶段交替出现.在环状流喷气阶段,微喷嘴扩张段内的气液界面呈现特殊的瓶颈形结构,形成瓶颈形流型结构的微液滴在微喷嘴出口处往复运动,形成单向止回阀效应,使得环状流喷气过程呈现周期性间断的特点.     

磁场作用下气液两相混合流动的数值研究

本文采用流体体积法(Volume of fluid,VOF)捕捉气–液态金属两相的交界面,数值研究了有、无外加磁场作用时不同工质对的气–液态金属两相流体在多入口磁流体发电通道中的混合流动过程。结果表明,气–液两相流体在通道中形成了具有周期性变化的两相流型。液态金属密度与气体密度的比值h较大时,分层流中液态金属速度的变化范围较大,但流动较稳定;h较小时,液态金属的界面容易断裂而形成柱状流,使气–液两相流体的接触面积减小,降低了气体对液态金属的携带能力。在磁场的作用下,洛伦兹力抑制了液态金属的流动,削弱了气体对液态金属的携带能力,使三维时空流型的变化周期缩短。     

钻井液径向温度梯度与轴向导热对井筒温度分布影响

本文基于井筒与地层间能量平衡原理, 将井筒钻井液划分成不同径向单元网格, 建立了考虑径向温度梯度条件下钻井液层间温度模型; 同时引入钻井液轴向导热项, 建立了钻井液轴向导热温度模型, 将数学模型应用隐式有限差分法离散与求解. 计算结果表明: 钻井液径向温度梯度对井筒径向与轴向温度产生的误差分别为0.15 ℃和0.2 ℃左右; 而钻井液轴向导热对井筒温度分布几乎不产生影响. 因此, 通过建立的数学模型进行系统分析表明, 在建立井筒-地层耦合瞬态传热模型时可忽略两者对井筒温度分布的影响. 基于数学建模方法验证了以前学者模型假设条件的正确性, 为油气井与地热井井下温度分布规律深入研究奠定了可靠的理论基础. 关键词： 径向温度梯度 轴向导热 井筒温度 瞬态传热模型     

基于比例积分控制原理预测钻井全过程原始地层温度的新方法研究

应用比例积分控制原理将瞬态传热模型预测结果与出口 温度实测数据逐步进行反馈可准确预测原始静态地层温度. 为此, 本文基于井下各控制组件质量、动量及能量守恒原理, 建立了实际井身结构与钻具组合条件下循环和停止循环期间井筒-地层温度分布全瞬态传热模型, 应用全隐式有限差分法进行求解, 并引入比例积分控制原理对比分析实测温度与预测温度的误差范围进而精确、 快速获取原始地层温度. 结合一口深井基础数据计算表明, 套管下入深度改变了井筒-地层间热交换效率, 进而影响了近井壁地层温度分布状况; 同时, 钻井过程中循环和停止循环作业过程改变了井下各控制组件的初始条件与边界条件, 致使近井壁原始地层温度分布距离产生变化. 建立的数学模型和研究方法可为石油钻井、地热井开采及地球深部原始地层温度信息准确、 经济、快速获取提供理论基础. 关键词： 原始地层温度 循环与停止循环 瞬态传热模型 比例积分控制原理     

利用磁共振技术检测钻井液含油量的方法探讨

含油气的岩层被钻开以后,其中的油气一部分保留在岩样中,另一部分则进入钻井液,岩样中的油、气及钻井液中的气都有相应的录井方法来检测,唯独钻井液中的油一直是录井检测的空白. 随着油气勘探程度的加深及钻井工艺技术的发展,岩屑含油级别低甚至无显示、气测异常幅度低甚至无异常的油井是越来越多,导致油气层的发现与评价变得十分困难. 因此,急需对钻井液中的含油量进行随钻检测. 通过对不同油质、 不同含油量的钻井液进行磁共振试验,结果表明,可以通过核磁共振一维谱(T₂谱)实现轻～中质油的含油量分析,通过二维谱(T₂-D谱)以实现对重质油的含油量分析. 该项研究对于完善录井技术系列、提高油层发现率和评价准确率具有十分重要的意义.     

矩形微通道中气–非牛顿流体两相流实验研究

本文通过实验研究了空气与非牛顿流体在小尺寸矩形微通道中的两相流动特性,给出了在不同气液两相流速下的流型图。同时比较了气液两相流速,液相黏度,表面张力,微通道尺寸对各流型分布区域以及Taylor气泡/液柱长度的影响。发现气液两相流流速变化对流型区域的影响极为明显,而黏性力和表面张力只是在局部范围改变了流型分布。Taylor气泡长度随气液两相流速比增大而增大,随液相黏度及表面张力增大而减小。液柱长度随液相黏度增大而增大,随两相流速比及表面张力增大而减小。最后,我们给出了基于无量纲数JG/JL,Re和Ca的Taylor气泡/液柱长度预测公式,公式预测结果与实验结果基本一致。     

S-T-B流型判别方法

通过分析气相、液相、管壁之间的关系,将气液混输管道中的流型划分为五种,并总结了各流型的特点及气液相和管壁间的几何关系;在对Baker、Brill、Beggs-Brill、Taitel、段塞特征分析(SCA)等流型判别方法进行分析的基础上,提出了一种综合使用SCA、Taitel和Brill三种方法的流型判别方法—S-T-B法。经算例验证,该方法对气液两相混输的流型判断准确性较高,可以作为气液混输工艺计算过程中确定流型的方法。     

水平环道内油水气多相流动研究

为建立自主的多相流动数据库,在水平环道中进行了一系列水－气两相、油－气两相和油－水－气三相流动试验。本文测量了各相流动中由于摩擦而产生的压力损失,计算了压差梯度并作了比较;观察了各相流动中的流型;描述了各种流型的发生、发展和变化及其与流动介质的关系,并作了相互比较。     

卧式螺旋管内油－气两相流流型的研究

本文在两种不同尺寸的卧式螺旋管内进行了油－气两相流流型的实验研究，得到了流型图，并对各种流型之间的转变机理进行了讨论和分析，同时给出了各流型之间转变的准则关系式。     

集输管路上升管系统严重段塞流实验和理论模拟

严重段塞流的实验研究表明,在气泡进入上升管底部到运动至出口的过程中,上升管中气泡头部以下流型为弹状流型;当气泡头部流出上升管后,上升管中的流型可看作块状流型。根据实验结果,本文提出了采用漂移流模型简化计算上升管中两相流动、上游管道中气体膨胀满足质量守恒,同时考虑上升管内液体动量守恒的严重段塞流计算模型。计算值与测量值比较表明,模型可以正确预测出气体膨胀流动过程,气体流动时间不受入口气液流量的影响。模型可以准确计算出严重段塞流周期、液塞长度和倾斜管中液柱最大长度等参数。     

集输-上升管路系统严重段塞流实验研究

在模拟集输上升管路系统的实验装置上,研究了多种倾斜管角度下严重段塞流发生规律,给出了流型图。实验发现,倾斜管水平时仍会出现严重段塞流。流动参数分析表明,严重段塞流具有显著的周期性,压力大幅度振荡,气液间歇流出上升管,出口气体速度可能超过入口数十倍,对分离器造成剧烈冲击。研究发现,严重段塞流周期随气液流量增大而减小,并且符合幂律定律。     

垂直圆管氮气-磁性液体两相流电磁感应现象

基于磁性液体与非磁性气泡磁导率的差异,理论分析与实验研究了氮气-磁性液体两相流的电磁感应现象。以颗粒体积浓度为3.83%的水基Fe₃O₄磁性液体为工质,同时采用物性与其相近的去离子水进行流型的可视化对比研究。研究结果表明,当管内为泡状流、弹状流、搅拌流时均能产生毫伏级的感应电压,且感应电压的峰峰值随着气体流量的增加而增大,另外根据感应电压随时间变化的波形可以辨识出管内的流型。     

严重段塞流顶部节流作用下的流型及其转变

严重段塞流是常见于海洋石油工业集输-立管系统中的一种有害流型,而立管顶部阀门节流是抑制和消除严重段塞流的有效方法。本文实验研究了对严重段塞流采取节流操作所引起的流型及其转变特性,结果表明,随着阀门开度的减小,节流阀压降增大,背压升高,很大程度上抵消了下倾管内封闭气体的压力,从而抑制了下倾管内气体体积的膨胀,导致下倾管内的大量气体无法在短时间内快速连续地进入立管,而只能以大气泡或小气泡群的形式间歇进入立管,促进了弹状流和泡状流的形成。考虑了气液流速对节流阀压降的影响,建立了节流作用下S型立管内气液稳定流动边界,与实验数据吻合良好。     

跨临界CO2带膨胀机和带喷射器逆循环的性能比较

针对跨临界CO2带膨胀机和带喷射器逆循环的差异,从循环工作原理、CO2超临界流体降压过程及循环性能三方面进行对比分析.利用蒸发波理论分析了CO2超临界流体降压过程,结果表明这两个降压过程均是由亚稳态经历蒸发波后发生气液两相流的,其过程均受蒸发波影响.当其他条件相同,气体冷却器出口温度为35℃时,带膨胀机η<,e>为0....     

钛吸／放氚的热力学特性

在金属测试系统上进行了钛（Ti）吸收和解吸氚（T）的热力学初步实验研究。加热氚化铀床，放出一定量氚气，记录平衡压力；加热样品至预定温度后恒温；将主管道中的氚气引入样品室，记录引入氚气后的平衡压，由系统中气体压力变化计算样品的吸氚量，以测定氚化过程中的p-C-T曲线。而解吸p-C-T曲线则是将接近饱和的样品温度恒定，记录平衡压力。关闭样品室阀门，用铀床回收管道里的气体后抽真空，然后再打开样品室阀门，让钛解吸，记录平衡压力，计算钛氚原子比。如此循环直至氚接近完全解吸。     

水平管气液螺旋流流型辨识及压降波动研究

本文通过实验研究了水平管中叶片式起旋器引发的气液螺旋流流型及压降规律。采用背光成像法拍摄了流型并记录了压降波动情况。在该实验范围内观察到4种气液螺旋流流型:螺旋泡状流、螺旋气柱流、螺旋间歇流和螺旋环状流,并结合压降的概率密度函数(PDF)曲线图分析了各流型特点。同时研究了来流雷诺数及相分布对起旋器下游螺旋流流型的影响,发现气液相雷诺数的大小是流型转变的关键,另外,来流气液相分布也会影响起旋器下游流型。最后基于流型及压降波动的PDF分布,绘制了起旋器出口附近的螺旋流流型图,并与已有流型图进行比较。