油水分离器中水洗流场液滴破裂特性初探

对水洗流场中液滴的界面膜剪切破裂机理进行了分析和初步探讨,认为水洗流场中控制着液滴产生变形和剪切破裂的无因次群有3个,其中韦伯数群控制着液滴的破裂;在紊流状态的水洗流场中,导致液滴破碎的水力学因素可归结为由于时均的速度梯度而产生的粘性剪切力和由于紊流而产生的瞬时剪切力和局部压力波动等;当流场动压力所提供的流场能量较小时,主要以粘性剪切力为主控制着液滴的变形;当连续相提供的能量达到使液滴破裂的能量时,瞬时剪切力和局部压力波动将控制着液滴的破碎。当液滴振动的动能Ek≥液滴的表面自由能Es,液滴发生破裂。     

黏性流体的二次雾化特性

 针对渣油沥青气化工艺,以高温下渣油沥青的雾化为研究背景,选择与其物性相近的甘油水溶液作为模拟介质,进行了黏性液体二次雾化的实验。利用高速摄像仪和图像处理软件,对单个液滴在不同条件下的破裂模式、特征尺度、破裂时间和破裂后的平均液滴直径等进行了观察和分析。结果表明,随着韦伯数(We)的增加,甘油液滴的破裂依次呈现5种不同的模式：袋状破裂、袋状-雄蕊破裂、双重袋状破裂、剪切破裂和爆发式破裂。在低 We 下,液滴直径最大变形率基本相同;在高 We 下,总破裂时间明显缩短,破裂产生的液滴粒径很小,雾化效果良好。     

剪切流场中分散相液滴内外流场静压差研究

目前,在乳化液破乳机理研究中,剪切流场作用下分散相液滴行为的研究因流场复杂性及测量技术的局限性,对变形前后液滴内外流场静压差的了解非常有限,并多假设其在变形过程中保持恒定或变化不大。针对这一问题,通过改进设计内外桶反向旋转剪切实验装置,结合数字图像处理技术,设计了一种较为精确的液滴内外压差测量方法。从实验角度率先研究了液滴变形过程中内外压差变化规律,数据结果显示液滴变形过程中内外压差变化显著,且影响液滴形态变化,内外压差随剪切速率及液滴综合变形度单调递增。分析表明,对于剪切流场中液滴形变模型的建立及数值模拟相关研究,需考虑过程中存在的液滴内外压差变动因素。     

泡沫破裂机制及其稳定性影响因素研究

采用COMSOL软件建立了一种气液模型,分析了气液压力变化及气液体分布情况对泡沫破碎的影响。实验结果表明,泡沫在破碎的过程中主要受内部能量释放的影响,泡沫液膜处存在斑点状压力集中,引起液膜发生波动性变形,当内外压差过大时发生破裂。随着时间的延长,液膜的存在形式会发生变化。液膜靠近气体处形成许多分散的液滴,液滴的分布形态与压力分布形态相似。推测是由于液膜到液滴的形式转变引起压力变化,从而导致泡沫破裂。进一步研究发现液相的密度和黏度对泡沫稳定性影响相对较小;表面活性剂种类对泡沫稳定性影响较小,表面活性剂浓度越大,泡沫越稳定。     

油水分离过程中液滴受特殊力时的运动分析

当流场处于非水平流动状态下，液滴所受的曳力除与流体密度、液滴几何形状和阻力系数有关外，还与流体的流动速度和液滴速度有关。当流场中存在热源时，热源附近将形成温度梯度，使得液滴获得一个自高温区向低温区的附加热推动力，导致了自高温区向低温区的液滴迁移，进而影响液滴的正常运动。在具有压力梯度的流场中，压力梯度使得农滴产生一个附加作用力，该作用力与压力梯度和液滴体积成正比，方向与压力梯度方向一致。     

剪切流场中分散相液滴形变三维力学模型论证

针对乳化液破乳机理研究中剪切流场作用下分散相液滴形变模型选择的问题,通过改进设计内、外桶反向旋转剪切实验装置,并结合数字图像处理技术,从实验的角度率先对液滴变形的基本模型进行验证,实验结果表明,液滴在剪切流场中发生三维力学变形。在此基础上进一步对其变形规律及变形机理进行了一定的实验及理论探讨,提出了液滴形变非仿射度概念。通过对剪切流场中变形液滴表面应力分布进行模拟,提出了更加准确的液滴模型描述方法,为今后精确变形液滴形态数学模型的建立打下基础。     

高强电场中液滴静电运动特性

针对油田生产中含表面活性剂原油电脱水极为困难,缺乏理论指导的现状,采用动态微观实验的方法,研究含表面活性剂的油水系统中液滴在电场力作用下聚并排液的情况,计算液滴的聚结时间,并观测液滴发生形变直至破裂时各个阶段的现象。结果表明,表面活性剂可引起液滴界面排斥力上升,聚并过程中液面出现形变,降低液滴聚结速度。此外,液滴表面所吸附的表面活性剂分子会加剧液滴形变率,降低液滴破裂所需临界场强,并改变液滴破裂机制,增加了次级微小液滴的产生。须严格控制电场强度,以避免液滴变形破裂,提高聚结效率,确保电脱水的效果。     

电促芳烃萃取研究

研究环己烷-二甲亚砜-甲苯体系于电场中的液滴破碎情况,提出并确定了电促萃取的场强操作区;在场强操作区内,对电促芳烃萃取过程进行探索.实验结果表明,在接近液滴破碎极限场强时,电促过程每厘米理论级数为θ环填料塔每厘米理论级数的3倍以上;而在接近液滴破碎临界场强时,电促过程每厘米理论级数与θ环填料塔相近.     

气井超声速激波雾化喷管的PSV试验研究

天然气在开采过程中存在"气井积液"现象,为了排除积水并保障生产的连续性,采用了超声速激波雾化技术,为了验证该技术中心喷管的雾化效果,利用粒子阴影图像测速技术(PSV),对比分析了拉瓦尔喷管和直孔喷管在不同进口压力条件下的雾化性能;利用数字图像处理算法,同步测量液滴粒径和液体速度,验证了拉瓦尔喷管雾化技术的有效性和可行性。研究结果表明:气相被喷管加速之后,可以促进液滴破碎为小液滴,从而起到雾化作用;利用PSV技术证实了拉瓦尔喷管的雾化性能要优于直孔喷管,液滴随着来流气相压力的增大获得了更大的动能,在与速度更高的气体碰撞之后,液滴平均粒径进一步减小;气相中应该添加另一种示踪粒子,使该粒子的跟随性好,且其粒子图像能与液滴的图像区分开,由此进一步获得气相和液相的流场分布。研究结果可以为低产气井的积液排除提供技术支撑。     

考虑界面张力和液滴变形影响的携液临界流量模型

现有的携液临界流量模型通常认为界面张力及曳力系数为常数,忽略温度及压力对界面张力、液滴尺寸及液滴变形对曳力系数的影响,造成预测携液临界流量的结果与实际结果有较大差异。为了更准确预测气井携液临界流量,首先通过分段拟合界面张力实验数据,建立界面张力公式,然后引入变形液滴曳力系数公式及液滴变形程度和液滴尺寸之间的关系式,得到考虑界面张力和液滴变形影响的携液临界流量模型。研究结果表明,温度越高,压力越大,界面张力越小,携液临界流量越小;液滴尺寸越大,液滴变形越严重,液滴高宽比越小,曳力系数越大,携液临界流量越小。实验表明,模型预测数据与气井微观液滴积液实验数据基本吻合一致,其准确度远远高于Turner模型和李闽模型。新模型能够更加准确预测不同液滴尺寸下的携液临界流量,符合气田开发规律,为油气田开发提供技术指导。     

预测倾斜气井临界携液流量新模型

目前应用广泛的临界携液流量预测模型大多以垂直井作为研究对象,并未考虑井斜角度对携液的影响,造成倾斜气井临界携液流量预测值与实际情况存在较大偏差。针对倾斜气井是否出现积液问题,基于液滴受力平衡分析,建立考虑液滴形变与井斜角度影响的气井临界携液流量预测新模型。根据能量守恒方程,推导得到临界韦伯数与液滴变形参数的函数关系式。基于椭球形液滴假设,考虑液滴内部流动及液滴形变影响,将邵明望模型计算结果下调15%作为椭球形液滴的曳力系数。结合实例与Turner模型、李闽模型、王志彬模型、杨文明模型和Belfroid模型进行对比分析发现,新模型准确程度较高,计算精度提高14.49%～16.80%,能正确判断气井积液情况,与现场实际情况吻合,可以有效指导气田安全、合理生产。     

考虑液滴变形和流动条件的气井连续携液预测新方法

Turner模型和李闽模型是国内外气田现场应用广泛的临界携液流量模型,二者均没有考虑流动条件对携液气量的影响,将曳力系数取为常数,而高度湍流区雷诺数的变化对曳力系数影响较大,从而使模型的计算结果与现场实际数据吻合度较低。基于这一问题,考虑液滴变形对携液气量的影响,并引入GP模型计算高度湍流区液滴的曳力系数,建立了基于高度湍流条件下的气井临界携液流量模型。新模型提出了一种简化的液滴变形参数计算方法,并考虑了高度湍流区曳力系数随雷诺数的变化。将新模型与Turner模型、李闽模型进行对比和验证,结果表明,新模型的预测结果与气井实际数据吻合最好,可以准确预测高度湍流条件下气井临界携液流量,对于气井的合理配产具有指导作用。     

考虑液滴形状影响的气井临界携液流速计算模型

为了判断气井是否积液同时优化气井配产,基于气流中液滴总表面自由能与气相总湍流动能相等的关系,建立了考虑液滴直径、液滴变形及变形对液滴表面自由能影响的气井临界携液流速计算模型(以下简称新模型):基于椭球体假设,通过分析液滴变形对液滴表面积及表面自由能的影响,建立起液滴最大迎风面直径的计算公式;考虑液滴变形对液滴所受曳力的影响,提出针对椭球形液滴的临界携液流速表达式;考虑液滴变形和液滴内部流动的影响,将Brauer模型基于圆球体的曳力系数计算值增大20%作为变形椭球体的曳力系数;基于能量守恒原理提出液滴变形参数与临界韦伯数函数关系式,并将计算结果下调10%;采用考虑气井压力和温度影响的表面张力计算公式。将新模型与Turner模型、李闽模型、王毅忠模型、王志彬模型和熊钰模型进行对比,并在44口气井开展了现场验证。结果表明,新模型的预测结果与气井的实际状况吻合最好。结论认为,新模型可用于对气井积液的判断。     

气井井筒条件下单液滴动力学特征及其携带临界气流速

准确认识气井井筒条件环状流场中单液滴的动力学特征和正确计算液滴携带临界气流速是气井连续携液机理研究的重要内容之一。为深入研究气井井筒高温高压条件下液滴的动力学特征,首先建立了气流场中单液滴动力学特征的数值模型及求解方法,采用流体体积函数法(VOF)模拟液滴表面结构,利用直接数值模拟方法(DNS)模拟液滴周围气流场,开发了单液滴动力学特征数值模拟求解器。以气井压力温度为模拟条件,通过逐渐增加气流速而增加韦伯数,模拟得到了液滴椭球度随韦伯数增加而减小、曳力系数随韦伯数增加而增加的规律,和液滴破碎的临界韦伯数为12的认识;基于数值模拟结果和力平衡原理推导了单液滴携带临界气流速预测新模型,新模型中的综合系数为3.31,与李闽椭球模型的综合系数为2.5比较接近。利用公开文献数据对现有单液滴模型进行的适应性评价表明,在低液量(1 m3/d)气井条件下,井筒液滴稀疏、液滴相互作用弱,新模型和李闽椭球模型具有较高的准确性。     

页岩气水平井全井筒临界携液流量模型

目前的临界携液流量模型均未完整反映页岩气井的复杂井身结构和返排液量变化特征,无法准确预测页岩气水平井积液。为此,通过对液滴动力学和能量分析,综合考虑井筒产液量、液滴变形和造斜率变化引起的液滴能量损失,建立了页岩气井全井筒临界携液流量模型。根据最大稳定变形液滴能量平衡关系,确定了最大稳定变形液滴长轴长度;选取了适用于页岩气水平井的曳力系数和表面张力公式;根据误差分析优选了Mukherjee-Brill两相流模型计算页岩气水平井井筒压力分布。实例分析表明,与现有临界携液流量模型相比,新模型对于页岩气水平井的积液预测符合率最高,预测精度达92.3%。新模型可以准确预测积液井和接近积液井,对不积液井的积液预测精度也能满足现场应用要求,可以有效指导页岩气井积液判断与排采工艺选择。     

预测天然气斜井临界携液流量新方法

目的Turner模型和李闽模型是现场应用比较广泛的气井携液模型,二者是以直井为基础建立的,且假定曳力系数为定值,没考虑井斜角和曳力系数对临界携液流量的影响。为了准确预测天然气斜井临界携液流量,分析了天然气斜井中液滴的受力情况,建立了预测天然气斜井临界携液流量新模型。 方法该模型考虑了雷诺数变化对曳力系数的影响,对比不同曳力系数计算模型的精确度,优选出Barati模型计算天然气斜井中液滴的曳力系数,推导了该模型相对于Turner模型的修正系数,并给出了修正系数表。 结果通过实例将新模型与Belfroid模型、杨文明模型和李丽模型进行比较,结果表明,新模型计算结果与现场数据吻合最好,准确率为94.6%。 结论新模型可用于对天然气斜井积液的判断。      

气井携液临界流量研究

准确计算携液临界流量对采气工程方案编制有很重要意义。根据最新的研究成果,液滴在气流的作用下呈高宽比接近0.9的椭球体。在这种情况下,计算气井携液临界流量需要考虑液滴形变的影响。在分析了前人携液模型和产水气井携液流动机理的基础上,考虑了液滴内部流动对曳力系数的影响,建立了新的气井携液临界流量计算模型。     

低渗产水气藏携液模型研究与应用

准确预测气井临界携液气流量,对优化气井工作制度、排除井筒积液具有重要意义。现有液滴模型未考虑液滴变形和液滴大小的影响,将临界韦伯数取为定值或认为临界携液气流量与临界韦伯数无关,导致模型的关系式系数为定值,存在一定理论不足。综合考虑液滴变形和液滴大小特征,由液滴质点力平衡理论和能量守恒原理导出了气井临界携液气流量计算新模型。新模型的关系式系数随压力增大而变大,为1.92～5.30,弥补了现有液滴模型的关系式系数为定值的缺陷。现场应用表明：新模型预测大牛地气田气井积液状态与实际较吻合,可满足生产要求。