二氧化碳水合物浆液在不同含水率下的流动特性

石油和天然气行业正努力寻求更好的天然气水合物管理方法,因此需要更好地了解多相流中水合物的形成和堵塞趋势。利用高压可视流动环路研究了二氧化碳水合物的形成和水合物浆液在完全分散和部分分散系统流动条件下的性质。结果表明,在高含水率的完全分散相体系中,气体分子与水的接触面积较大,能够充分地生成水合物,对环路内流量有较大的影响;对于不同含水率条件下的两种体系,由于高含水率体系中的油水界面被破坏得较严重,生成的大量水合物更容易堵塞环路,而低含水率体系中的油水界面在被破坏后能够生成新的油水界面,因此堵管风险较低。深入地了解水合物的形成过程和稳定性,能够准确地预测和应对堵塞的风险,对开发高效水合物管理策略是至关重要的。     

油基体系下天然气水合物浆液流动实验研究

在多相流管输体系下,水合物浆液在流动过程中会遇到崎岖不平的地形地貌,此时采用倾斜管道显得尤为重要。因此,研究了天然气水合物浆液在倾斜管内的流动特性对堵塞管路的影响。在低温高压可视水合物实验环路上,开展了油基体系下油＋天然气的水合物堵管实验,探究了初始压力、初始流量等因素对天然气水合物浆液流动和堵管时间的影响。同时,利用实时在线颗粒测试仪,对水合物生成、流动及堵管过程中水合物颗粒的微观变化进行了分析。结果表明,随着初始压力增大,天然气水合物的诱导时间、生成时间和浆液流动时间均缩短,天然气水合物堵管趋势增大;随着初始流量增大,天然气水合物的诱导时间、生成时间和浆液流动时间均延长,天然气水合物堵管趋势减小。对水合物生成至堵管的过程以及堵塞机理进行了分析。对油基体系下天然气水合物堵塞管路的研究结果表明,在油基体系下可以通过减小初始压力、增大初始流量来有效地减小天然气水合物堵塞管路的概率。研究结果可为维持和保证天然气水合物在管道中的安全流动提供理论参考及依据。     

CO2水合物生成及流动特性研究进展

在深海油气田开发中,水合物堵塞会严重制约管输的效率及安全性.基于CO2水合物,系统地综述了水合物生成动力学中诱导期的概念.水合物从生成、流动到堵塞的整个过程中经历了多个阶段,其间流动参数不断发生变化;在不同的流动体系中,水合物的堵塞机理存在差异,其真实规律未得到统一认识.总结了现阶段水合物流动特性研究的不足,以及未来重点研究的方向.     

高黏原油和石英砂复配体系中水合物生成实验研究

在油井开采原油时,会产生伴生气,而在高压和低温环境中会生成天然气水合物,进而堵塞运输管道,因此研究油砂体系（含原油的体系）和纯石英砂体系（不含原油的体系）中水合物生成情况具有重要意义。在初始压力为4.00、6.00、8.00 MPa,石英砂粒径为20、30、60、80目,温度恒定的条件下,研究了油砂体系和纯石英砂体系中甲烷水合物的生成情况以及最终耗气量。结果表明,在初始压力相同的油砂体系中,石英砂粒径越小,水合物生成诱导期越短,水合物生成速率越大。研究石英砂粒径对水合物生成最终耗气量的影响发现,随着石英砂粒径的减小,耗气量先增加后减少,当石英砂粒径为60目时,耗气量达到最大,其值为0.19 mol。同时,对油砂体系和纯石英砂体系中水合物生成情况进行了对比。结果表明,由于两种体系中都存在SDS（十二烷基硫酸钠）溶液,因此水合物生成速率相差不大;在石英砂粒径相同的条件下,油砂体系中最终耗气量小于纯石英砂体系中的最终耗气量,这说明原油对水合物生成具有抑制作用。在油砂体系中,压力越大,越有利于水合物的生成。     

天然气水合物的形成影响因素与浆体输送研究

天然气深水集输管道内极易生成水合物,研究其形成影响因素对管道的安全运行具有重要意义。采用PVTsim建立了数值模型,并基于5种实验数据对模型进行了可靠性分析。利用该模型,模拟在不同工况下天然气形成水合物的边界条件,基于实验和OLGA模拟数据得到了水合物体积分数与介质摩尔分数的定量关系。研究表明,相比压力,水合物的形成受温度的影响更大。在天然气中,加入乙烷、丙烷、二氧化碳、硫化氢,均会使水合物形成范围扩大,而加入氮气,会使水合物形成范围缩小。随着水中盐度的增大,水合物生成范围缩小。外界温度、压力对水合物生成量的影响较小,几乎可忽略不计。基于水合物浆输送技术的研究成果,得到了保障HCFC⁃141b型和THF型水合物浆流动安全的临界甲烷摩尔分数。     

促进水合物生成传质过程实验研究

研究在纯水(静态)、纯水(搅拌)、三种表面活性剂溶液(静态)和表面活性剂溶液(搅拌)体系下,水合物生成速率及储气量变化,并从传质角度进行理论分析。结果表明,纯水搅拌体系可有效提高水合物生成速率,但相比静态及搅拌表面活性剂溶液体系,对储气量改善不明显;表面活性剂能够促进水合物生成,这与其双亲性及能在金属表面发生吸附有关,随着表面活性剂HLB值增大,水合物生成速率提高,储气量降低;在表面活性剂溶液中添加搅拌可进一步提高水合物生成速率。     

非金属管道内原油流动静电起电速率实验研究

油品在非金属管道内流动过程中和管道内壁面发生接触产生大量的电荷,过量电荷聚集放电会产生火花导致管壁的穿孔以及引起火灾,严重影响正常生产。对其静电产生的原因及影响因素进行分析可知,起电速率受油品流速、温度、含水率、管线材质及粗糙度影响。结果表明,起电速率与油品流速呈正相关;油品温度的升高不利于油品静电的积累;在一定含水率范围内起电速率随着含水率的上升而逐渐增大,超过反向点后呈相反趋势;起电速率与管线粗糙度呈正比;并结合已有实验数据,建立油品流动静电模型。     

蜡沉积速率的逐步回归模型

含蜡原油在管道输送过程中经常会有蜡析出，并有一部分蜡沉积到管道内壁上形成结蜡层。结蜡层对管道经济运行有一定的影响，它使管道的输送能力下降，严重时甚至会造成凝管事故，给管道运输造成很大的安全隐患。为了解决上述问题，必须研究含蜡原油管道的蜡沉积规律。针对影响蜡沉积速率的主要因素有管壁处的剪切应力，管壁处温度梯度，管壁处蜡分子浓度梯度和原油的动力粘度，在小型环道上对太庆原油进行管道蜡沉积试验，采用逐步回归的方法对实验数据作回归处理，从而建立了大庆原油蜡沉积速率模型，为进一步研究原油管道蜡沉积规律和管道优化运行奠定了基础。     

碳酸钙和SDS协同体系对甲烷水合物生成影响的特性研究

天然气水合物的储量决定其潜在的商业开发价值。结合海底沉积物成分及海底环境，在2 ℃和6.08 MPa的条件下研究碳酸钙作为多孔介质与十二烷基硫酸钠（SDS）的协同体系对甲烷水合物生成情况的影响，并对其进行机理分析。结果表明，二者协同体系的储气效果和储气速率均优于纯SDS溶液。碳酸钙的粒径变化会改变水合物的生成量和储气效果，其中1 mm碳酸钙的储气效果最优。协同体系极大地缩短了水合物的诱导期，加快了水合物成核速率。协同体系的促进效果体现在SDS的促进效果和碳酸钙表面特性和粒径改变的促进效果及吸附特性，打破了SDS的胶束作用和水合物的“固封”效应，增大了水合物在异相非均质环境中的生成速率，进而促进水合物的生成。因此，多孔介质与表面活性剂的协同体系可以明显地改善水合物生成速率和储气效果，为水合物快速生成技术提供了理论依据和研究方向。     

蜡沉积速率的逐步回归模型

含蜡原油在管道输送过程中经常会有蜡析出,并有一部分蜡沉积到管道内壁上形成结蜡层。结蜡层对管道经济运行有一定的影响,它使管道的输送能力下降,严重时甚至会造成凝管事故,给管道运输造成很大的安全隐患。为了解决上述问题,必须研究含蜡原油管道的蜡沉积规律。针对影响蜡沉积速率的主要因素有管壁处的剪切应力,管壁处温度梯度,管壁处蜡分子浓度梯度和原油的动力粘度,在小型环道上对大庆原油进行管道蜡沉积试验,采用逐步回归的方法对实验数据作回归处理,从而建立了大庆原油蜡沉积速率模型,为进一步研究原油管道蜡沉积规律和管道优化运行奠定了基础。     

Analysis on the multi-phase flow characterization in cross-measure borehole during coal hydraulic slotting

Hydraulic slotting in a gas drainage borehole is an effective method of enhancing gas drainage performance. However, it frequently occurs that a large amount of slotting products(mainly the coal slurry and gas) intensely spurt out of the borehole during the slotting, which adversely affects the slotting efficiency. Despite extensive previous investigations on the mechanism and prevention-device design of the spurt during ordinary borehole drilling, a very few studies has focused on the spurt in the slotting process. The slotting spurt is mainly caused by two reasons: the coal and gas outburst in the borehole and the borehole deslagging blockage. This paper focuses on the second reason, and investigates the hydraulic deslagging flow patterns in the annular space between the drill pipe and borehole wall.Results show that there are six deslagging flow patterns when the drill pipe is still: pure slurry flow, pure gas flow, bubble flow, intermittent flow, layering flow and annular flow. When the drill pipe rotates, each of those six flow patterns changes due to the Taylor vortex effect. Outcomes of this study could help to better understand the slotting-spurt mechanism and provide guidance on the anti-spurt strategies through eliminating the borehole deslagging blockage.     

干预作业下深水气井井筒水合物沉积规律研究

了解水合物沉积规律,可为深水气井干预作业方案优化及井筒内水合物防治提供思路。在气液两相流动模型的基础上,结合干预作业工具下放引起的热量交换和摩阻梯度变化,建立了干预作业下井筒压力和温度预测模型,采用迭代法对温度和压力模型耦合求解。基于水合物生长动力学模型,结合井筒温度和压力预测结果,建立水合物沉积模型,分析了干预作业下井筒内水合物沉积规律。结果表明,产量的增加导致井筒内压差升高,高产量下泥线处井筒温度较高;随着干预作业工具的下放,井筒内压力升高,但压力升高幅度逐渐减小,井口处压力的最大升高幅度约为3.0 MPa;干预作业工具直径占比小于50%时,干预作业工具直径越大,井筒压力越高;井筒泥线位置是水合物沉积堵塞高风险区域,低产井的水合物沉积速度比高产井的水合物沉积速度快;干预作业工具下放至泥线附近时井筒水合物沉积速度最快,干预作业工具直径占比50%时井筒水合物沉积速度较快。     

管输过程中天然气水合物沉降规律计算研究

天然气水合物具有气含率高、污染低、储量大等优点,具有良好的发展前景,因此对天然气水合物进行研究很有必要。以海底输送管道为研究背景,在多相流模型的基础上,建立了基于有限体积法的天然气水合物气-固两相流问题的数学模型,并进行了数值计算与分析,得出了直径差(管径与通流直径之差)与距管道入口距离之间的关系。设定管道入口流速和管径规格为定值,通过直径差分析了管道中水合物的堆积位置。计算结果表明,在其他条件不变的情况下,随着距管道入口距离的增加,直径差的变化规律符合Gauss曲线函数,并对此进行了拟合,得到了Gauss函数方程,利用此方程在给定管道位置的情况下能计算直径差。最后,通过改变管径大小进行了模拟和分析,得知Gauss函数方程也适用于不同管径的管道,可为预测水合物在管道中的堆积位置以及提高天然气水合物输送效率提供理论依据。     

Deposition of aerosol in a laminar pipe flow

In a laminar pipe flow, thermophoretic deposition occurs when the temperature of the pipe wall is less than the temperature of the fluid. For a horizontal pipe, gravity has a significant effect on the deposition of aerosol. Due to the laminar flow of gas fluid, a lift force is imposed on the particle and could affect the deposition of aerosol. In the present work, we considered the influences of various factors on the deposition of aerosol, including diffusion and convection, thermophoresis, gravitational settling and the lift force effect. The revised semi-implicit method for pressure-linked (SIMPLER) was employed to solve the aerosol transport equation. The deposition efficiency of aerosol in a pipe was obtained and the concentration distribution of aerosol at an arbitrary cross-section of pipe was given. The results reveal that when gravitational settling was considered the deposition efficiency had a minimum, corresponding to the penetration efficiency having a maximum. For large particles, the deposition of aerosol was dominated by external forces, and the critical particle trajectory method (CPTM) was used to analyze the deposition of aerosol with the action of thermophoretic force and gravity. The result from CPTM coincided very well with the result from SIMPLER. Supported by the National Natural Science Fundation of China (Grant No. 50476010) and the Tsinghua University Key Personnel Support Plan (Grant No. 05321400)     

摇摆状态下水平管内气液两相流流型转换研究

以空气和水为工质,对摇摆状态下管径为25mm有机玻璃管内两相流流型转换规律进行了实验和理论研究.依据稳态条件下的流型转换机理,通过考虑摇摆引起的附加惯性力的作用,确定了影响分散泡状流和环状流型转换的主要因素,进而提出摇摆状态下分散泡状流向泡状流或间歇流和环状流向分层流 间歇流或间歇流型转换的准则关系式.并将该理论模型与实验数据以及稳态条件下的半理论公式进行了比较,结果表明新准则关系式要比稳态关系式能更好地预测摇摆状态下流型转换边界.     

π型管液固两相冲刷腐蚀数值模拟

输油管道系统常常会发生冲刷腐蚀现象,冲刷腐蚀现象产生的主要原因是颗粒对壁面的撞击。使用DPM模型研究固体颗粒对管壁的冲蚀作用,分析π型管的流动特性,研究流体速度、颗粒质量流量、颗粒直径以及颗粒密度对管道冲刷腐蚀速率的影响。模拟结果表明,π型管道在弯头处冲刷腐蚀最严重;当流体速度增大、颗粒质量流量增多时,最大冲刷腐蚀速率增大;当颗粒直径和密度增大时,冲刷腐蚀效果削弱。     

流体动力学能量方程实验设备抽排气研究

一般圆管的液体流动过程中通常混有气体,管流是液体与气体的两相流动。实验依靠能量方程实验设备把低位水箱的水输送至高位水箱形成恒定流,由下水管送到实验区,当流量增大时串入大量气体,测量点参数完全失效。采用新研究的液气两相流抽气装置有效克服了气体串入实验管段,保证实验管路为满管流,满足能量方程、能量损失的科学实验。