基于群体平衡理论的管内水合物沉积特性数值模拟

引入基于水合物颗粒聚集动力学的群体平衡模型,建立了三维几何模型,利用Fluent软件对群体平衡模型和相关固液两相流模型进行联合求解,模拟了流速、水合物颗粒粒径及体积分数对管内水合物颗粒沉积特性的影响。模拟结果表明,着床沉积发生时,管道横截面处的水合物分布和粒径分布有较好的一致性。流速增加对管内水合物颗粒粒径大小的影响并不具有明显的规律性,但会减小管道横截面上水合物的浓度梯度,使水合物分布渐趋均匀,从而减弱水合物的着床沉积。管内水合物颗粒的初始粒径越大、体积分数越高,水合物颗粒的平均和最大粒径的模拟值越大,水合物颗粒的起始沉积位置距管道入口也越近,管内水合物的沉积越严重。模拟结果与相关实验结果吻合良好,可为深水流动安全保障技术的发展提供基础支持。     

基于群体平衡理论的竖直管内水合物浆液流动特性模拟

基于海洋非成岩天然气水合物(简称水合物)颗粒聚集动力学的群体平衡模型,对水合物浆液在竖直管内的流动特性进行了模拟研究,重点模拟研究了水合物浆液体积分数、平均流速对竖直管内水合物浆液流动特性的影响;根据模拟结果,研究了不同工况下流动压降、浓度分布以及水合物粒径分布等流动特性,为水合物开采中举升管内水合物浆液流动特性提供借鉴。实验结果表明,所建模型可较好地模拟水合物浆液在竖直管内的流动状态;较低的浓度和较高的流速有利于保证水合物浆液地竖直管内的流动安全,但不利于输送的经济性。     

基于Fluent的管道内水合物浆液流动特性数值模拟

利用ANSYS Fluent 14.0对R11水合物浆液在弯曲管道中的流动情况进行了模拟,考察了水合物颗粒密度和颗粒平均粒径对管路压降梯度和水合物颗粒体积分数分布的影响。结果显示,水合物浆液的压降梯度和颗粒平均尺寸均随着水合物密度的增加而增大,但水合物颗粒粒径的增加使得压降梯度降低。此外,增大水合物颗粒密度和平均粒径均促进了水合物向管壁聚集,出现了较大的体积分数分布梯度。水合物颗粒沉积特性表明,对于体积分数为14%的水合物浆液,当流体速率小于0.40 m/s时,水合物颗粒会沉积在管壁上,引起管道堵塞;当流速为0.10 m/s时,水合物颗粒沉积床层厚度可达14 mm,随着流速的增加,床层高度减小。     

基于群体平衡模型的竖直管内水合物浆液流动特性模拟研究

水合物的开发与利用已经成为热点能源问题之一。固态流开采是我国为开发非成岩水合物矿藏提出的一种绿色水合物开采方法。固态流开采是将深水浅层的水合物进行破碎流化,经过预处理后,通过管道举升至海面。引入基于水合物颗粒聚集动力学的群体平衡方程,对开采过程中竖直管道内水合物流动特性进行了正交试验研究。结果表明,对竖直管内水合物浆液流动摩阻影响最大的因素为水合物浆液的平均流速,而对竖直管内最大粒径影响最大的因素为浆液中水合物的体积分数。研究结果可为深水水合物浆液流动安全保障和水合物固态流开采技术的发展提供技术支持。     

高压天然气管道内水合物浆液流动特性的数值模拟

高压天然气管道内水合物的沉降堆积会引发严重的安全问题,而理解水合物浆液流动特性是解决问题的关键。文中运用计算流体力学的方法,利用FLUENT软件对高压直管内水合物浆液的流动特性进行数值模拟,探究入口压强、水合物颗粒体积分数、水合物颗粒粒径和水合物颗粒密度对水合物浆液流动特性的影响。结果表明,在高压天然气管道内,水合物颗粒会沿着管道壁面在近壁面区域发生沉降堆积,且其沉积程度会随着入口压力,颗粒体积分数,水合物颗粒粒径的增大而增加,而水合物颗粒密度对其沉积特性整体影响较大。     

管道内二氧化碳水合物的形成和流动特性研究

随着油气开采从陆地向深海发展,防止气体水合物堵塞管道成为重要的安全挑战之一。在50m长的高压循环管路里,对CO2水合物的形成过程和流动特性进行了研究。研究结果显示在管径相同的水平管道内各处水合物几乎是同时形成的,最先成核形成小颗粒,然后小颗粒聚集成絮状;在水转化率为4%时,管道内没有形成局部堵塞;水合物形成后会导致管道内流动阻力增大,液体流速瞬间降低。     

固态流化采掘海洋天然气水合物藏的水平管段固相颗粒运移特征

为了弄清在固态流化采掘条件下,海洋非成岩天然气水合物(以下简称水合物)藏固相颗粒在水平管段内的运移规律,基于液固两相流模型,采用Fluent软件耦合EDEM软件模拟了在水平管段不同液相速度、不同粒径、不同丰度下的水合物固相颗粒运移特征,并采用大型固态流化采掘物理实验模拟工具对数值模拟结果进行验证。研究结果表明:(1)单颗粒水合物在水平管段中的运移方式以跃移和蠕移为主,水合物颗粒群在水平管段中的运移方式受水合物丰度、液相速度、管径、水合物固相颗粒粒径影响较大;(2)当水合物丰度较低、颗粒粒径较大、液相流速较低时,固相颗粒运移方式主要以跃移、蠕移为主;(3)当水合物丰度较高、颗粒粒径较小、液相流速较大时,固相颗粒运移方式主要以悬移为主;(4)提高液相进口速度是提高水平管内净化效果的有效手段。结论认为:(1)选取破碎效果较好的二级破碎工具可以提高水平管段固相颗粒群的净化效果;(2)水合物固态流化开采水平管段内压力降主要受液相流速影响较大,在满足举升泵设备负荷前提下,应调整注入排量来达到合适的液相流速。     

固态流化采掘天然气水合物藏的水平管段固相颗粒运移特征

为了弄清在固态流化采掘条件下,海洋非成岩天然气水合物(以下简称水合物)藏固相颗粒在水平管段内的运移规律,基于液固两相流模型,采用Fluent软件耦合EDEM软件模拟了在水平管段不同液相速度、不同粒径、不同丰度下的水合物固相颗粒运移特征,并采用大型固态流化采掘物理实验模拟工具对数值模拟结果进行验证。研究结果表明：①单颗粒水合物在水平管段中的运移方式以跃移和蠕移为主,水合物颗粒群在水平管段中的运移方式受水合物丰度、液相速度、管径、水合物固相颗粒粒径影响较大;②当水合物丰度较低、颗粒粒径较大、液相流速较低时,固相颗粒运移方式主要以跃移、蠕移为主;③当水合物丰度较高、颗粒粒径较小、液相流速较大时,固相颗粒运移方式主要以悬移为主;④提高液相进口速度是提高水平管内净化效果的有效手段。结论认为：①选取破碎效果较好的二级破碎工具可以提高水平管段固相颗粒群的净化效果;②水合物固态流化开采水平管段内压力降主要受液相流速影响较大,在满足举升泵设备负荷前提下,应调整注入排量来达到合适的液相流速。     

天然气水合物在管道中沉积与崩塌的预测模型研究

针对海洋油气管道中发生的由于天然气水合物生成所引起的管道堵塞问题,文章以天然气水合物的 生成、沉积和崩塌机制为基础,从管道内部流体系统的能量平衡、动量平衡、气液界面的传热传质过程和壁面切应力对沉积物的冲击过程出发,建立了相应的天然气水合物生长、沉积和崩塌模型。模型能准确的预测天然气水合物在管道中的生成速率,生长速率的模型计算值与实验值相比较,偏差在 ±１５％之间;针对存在天然气水合物抑制剂（ＭＥＧ）或不存在 ＭＥＧ的条件下,该数学模型对管道内压降的分布情况均能具有较好的预测结果,与实验值相比吻合度较高;在低流速条件下发生天然气水合物沉积时,引发了管道内部的相分布不均匀,而文章的数学模型是基于管道内部各相均匀分布的假设所建立的,因此在低流速条件下模型计算的压降值偏低;该数学模型准确的预测到了当天然气水合物发生崩塌时的管道内部压降突变过程,能很好的对天然气水合物的崩塌现象进行 预测。     

深水钻井天然气水合物井筒多相流动模型及敏感性分析

深水天然气水合物层钻井时,水合物颗粒随钻井液上返过程中会随压力降低、温度升高而不断分解,管流相态、特征参数变化明显,对井控要求高。在天然气水合物动态传质分解基础上考虑管流速度、温度及压力对其分解的影响,建立了深水天然气水合物井筒气、液、固复杂介质非平衡相态条件下的多相流动求解模型,并采用数值模拟方法对天然气水合物分解过程中在不同机械钻速、钻井液排量和钻头尺寸下多相流动敏感性影响因素进行了分析,结果表明:天然气水合物摩尔分解速率随着分解反应的进行而降低,随着相对流速的变大而增大,随着环境压力降低而变大,随着环境温度降低而变小,总摩尔分解速率随着破岩粒径的降低而变大;随着钻头尺寸、机械钻速增大,环空流速增加,环空压力降低;随着钻井液排量增大,井筒流速增加,井筒压力升高。上述结果可为深水天然气水合物层钻井井下安全控制提供参考。     

水平井段内不同丰度天然气水合物固相颗粒的运移规律

在采用水平井对不同丰度天然气水合物(以下简称水合物)层进行钻进的过程中,含水合物的固相岩屑容易导致水平段固相颗粒沉积或黏附聚并,从而造成携岩不畅。为此,依据水平井多相流条件下的岩屑受力与运移规律及颗粒运移理论,建立了考虑水合物凝聚力条件下水平段岩屑滚动(正常钻进)和跃移(停泵沉砂)时钻井液临界返速模型并进行了数值模拟,分析了正常钻进和停泵条件下钻屑起动的影响因素和运移规律。结果表明:(1)起动临界流速随水合物丰度的增大而降低,该值在考虑水合物凝聚力条件下比不考虑该条件下要高,且水合物丰度越高水合物凝聚力的影响越明显;(2)水合物丰度小于85%时,起动临界流速随钻屑颗粒粒径的增大而增大,水合物丰度超过85%后,起动临界流速随钻屑颗粒粒径的增大而减小;(3)起动临界流速随钻井液密度、黏度的增大而减小;(4)相同条件下跃移所需临界返速约为滚动条件的1.28倍。结论认为,正常钻进条件下应考虑滚动模型,而停泵沉砂后再循环应考虑跃移模型的工艺思路,该成果对于优化水合物钻井施工参数以及降低钻井安全风险均具有重要意义。     

水合物颗粒与矿物表面间粘附力特性及其影响因素

在水合物开采过程中,管道内的液滴和气泡受环境条件影响会转化生成水合物颗粒,水合物颗粒发生聚集时会引起堵塞,导致潜在的安全问题.粘附力是探究开采管道流动安全及水合物颗粒聚集和沉积机理的关键,目前相关研究主要集中在输运过程中水合物颗粒间或颗粒-表面间粘附力的测量和描述,而对开采过程中沉积物矿物润湿性及表面粗糙度对粘附力的影...     

叶轮起旋水合物管道螺旋流动及传热数值模拟

为了进一步研究输气管道中天然气水合物颗粒输送体系的螺旋悬浮流动规律,建立了圆管螺旋流的三维模型。采用RNG k-ε模型和DPM模型对天然气管道内的气固两相螺旋流动和传热进行了三维瞬态数值模拟。主要研究了水合物管道内不同横截面的速度场、壁面剪切力、水合物颗粒停留时间、水合物颗粒浓度分布规律以及传热规律。研究结果表明:螺旋流具有较强的颗粒携带能力,对增强水合物颗粒之间的传热,防治输气管道中水合物堵塞问题有较好的效果。研究结果可为保障输气管道的安全输送提供理论指导。     

天然气油基水合物浆液流动实验

为了解决高压油气混输管道中天然气水合物堵塞的问题,利用中国石油大学(北京)新建的中国首套高压(设计压力15 MPa)天然气水合物实验环路进行了天然气油基水合物浆液流动实验,探究了压力、流量等因素对天然气水合物浆液流动、堵管趋势以及堵塞时间的影响,并利用实时在线颗粒粒度仪监测了天然气水合物浆液生成过程中体系内天然气水合物颗粒粒径的变化趋势。实验结果表明:压力越高,天然气水合物堵管时间越短,天然气水合物的堵管风险增大;增大流量可以减缓天然气水合物堵管趋势,降低天然气水合物堵管的概率,但存在"临界最低安全流量"现象,即当流量大于某值时,天然气水合物不会发生堵管,流体以浆液的形式在环路中流动。反之,则会发生天然气水合物堵管事故;在天然气水合物生成过程中天然气水合物颗粒的粒径(弦长)分布会发生显著变化,天然气水合物颗粒间的聚并是导致天然气水合物浆液发生堵管的主要原因。     

立管内水合物浆液流动特性及正交实验研究

通过FLUENT数值模拟技术对CO_2及天然气水合物浆液在立管内的流动特性进行了模拟,研究了水合物浆液平均流速、水合物体积分数、水合物颗粒粒径及连续相黏度对立管出口截面水合物浓度分布、速度分布及立管段压降的影响。通过正交实验确定了立管中CO_2水合物和天然气水合物阻力特性各影响因素的顺序均为:连续相黏度水合物颗粒的体积分数水合物颗粒的直径水合物浆液的平均流速,并在此基础上确定了各影响因素的最优组合,即平均流速2.5 m/s、水合物体积分数10%、连续相黏度1.79 m Pa·s、水合物颗粒直径50μm。研究结果可为深水流动安全保障技术的发展提供技术支持。     

水合物颗粒螺旋输送数值模拟研究

为了更好地了解天然气水合物颗粒在两相螺旋管流中的流动特性和传热规律,采用DPM模型和RSM模型对以扭带起旋的水合物颗粒螺旋输送进行数值模拟。主要研究了不同扭率和流速下的温度场、速度场、湍流强度和水合物颗粒的沉积规律。研究结果表明螺旋流能加强壁面传热效率,且扭率越小雷诺数Re越大时管道壁面的传热效率越高;流体在扭带作用下速度开始呈双峰形式运动,最后峰值在管道中心处合并;螺旋流能有效提高水合物颗粒的运动距离,在螺旋流较强段水合物颗粒沉积明显较少;在扭带段湍流强度分布曲线呈"W"型中心刚性涡处湍流强度较小,在后管两个对称涡合并过程中加大了中心涡处的脉动速度,湍流强度分布曲线呈"U"型。     

天然气水合物管道螺旋流动与传热数值模拟

为了对输气管道中天然气水合物颗粒输送体系的螺旋悬浮流动规律做进一步研究,通过建立圆管螺旋流的三维模型,采用RNG k-ε湍流模型和DPM模型对天然气管道内的气固两相螺旋流动和传热进行三维瞬态的数值模拟,主要研究了天然气管道内不同横截面的速度场、温度场、水合物颗粒体积分数分布规律以及传热规律。数值模拟计算表明,螺旋流具有较强的颗粒携带能力,对增强水合物颗粒之间的传热、防治输气管道中水合物堵塞有较好的效果。该研究结果可为输气管道的安全输送提供理论指导。     

天然气水合物颗粒间液桥力的理论研究

天然气水合物聚集堵塞管道是安全输气的一大威胁,而天然气水合物颗粒间的液桥力是决定天然气水合物颗粒聚集与否的主导力。为此,对天然气水合物颗粒间的液桥力进行了相关理论研究,明确了液桥力为静态液桥力和动态黏性力之和,进而分析了接触角、半填充角、颗粒表面间距、颗粒粒径对天然气水合物颗粒间液桥力的影响。结果表明：接触角、半填充角、颗粒表面间距的增加以及天然气水合物颗粒粒径减小都可以有效降低甚至消除天然气水合物颗粒间的液桥力;通过添加表面活性剂增大接触角、添加防聚剂控制天然气水合物颗粒粒径以及增大体系中的水含量来增大半填充角都是降低颗粒间液桥力、防止颗粒聚集的有效手段。同时,还研究了液桥力与液桥破裂能、液桥体积的关系,结论表明：在颗粒表面间距大于液桥临界破裂距离的1/10时,液桥力随液桥体积增大而增大,而液桥破裂能与液桥体积无关。     

以扭带起旋的气固两相螺旋流流动与传热数值模拟

为了探讨输气管道中天然气水合物颗粒输送体系的螺旋悬浮流动规律,利用ANSYS软件对天然气管道内的气固两相螺旋流动和传热进行了三维瞬态数值模拟。研究了天然气管道内不同横截面的速度场、水合物颗粒体积分数分布规律、水合物颗粒沉降规律以及传热规律。模拟结果表明:螺旋流具有较强的携带能力,可以防止颗粒沉积,增强水合物颗粒之间的传热,避免形成水合物堵塞,保障管道安全;固体颗粒含量对携带能力有较大影响,当不含固体颗粒时,螺旋流流线稳定,衰减并不明显;当水合物颗粒体积分数达到8%左右,螺旋流的切向速度迅速衰减,衰减速率是无颗粒螺旋流的3倍。研究结果可为保障输气管道的安全输送提供理论指导。     

输气管道水合物颗粒螺旋流动数值模拟

为了对输气管道中天然气水合物颗粒输送体系的螺旋悬浮流动规律做出进一步研究,利用ICEM软件对天然气管道内的气固两相螺旋流进行了三维瞬态数值模拟与仿真。研究了天然气管道内不同横截面的速度场、水合物颗粒体积分数分布规律以及水合物颗粒沉降规律。模拟结果表明:当水合物颗粒体积分数达到8%左右时,螺旋流的切向速度衰减迅速,对水合物颗粒的携带能力也急剧下降,衰减速率是无颗粒螺旋流的几倍;螺旋强度较大时,流体速度曲线表现出"双峰"特点,螺旋强度较小时,流体速度曲线表现出"抛物线"特点;流体速度是影响颗粒运动的主要因素,叶轮角度是次要因素,流体携带能力与颗粒体积分数及颗粒粒径成反比。所得结论可为输气管道的安全输送提供理论指导。