用PIV技术测量幂律流体同心环空螺旋流的流场

为研究幂律流体同心环空螺旋流的流动特性,建立了流体的同心环空螺旋流动实验模型。利用PIV(粒子图像测速仪)系统拍摄各种情况下环空螺旋流场中粒子的图像,对数据进行分析处理。结果表明:幂律流体在同心环空管道内做螺旋流动时,流量、流体黏滞性的增大或内管旋转角速度的减小都可以使压力梯度增大;其它条件相同时,压力梯度或流量的增大可以使轴向速度增大,促进紊流发生;压力梯度一定时,黏滞性的减小或内管旋转角速度的增大可以使轴向速度增大,促进紊流发生。将所有工况下实测速度与理论计算速度进行对比,最大相对误差为4.8%,理论与PIV测试实验结果吻合得较好。     

幂律流体偏心环空螺旋流压力梯度的数值计算

为合理设计钻井水力参数,对可视为幂律流体的钻井液偏心环空螺旋流动的压力梯度进行了研究。利用待定系数法对幂律流体偏心环空螺旋流的控制方程进行了变换,得到了压力梯度公式。以可视为幂律流体的CMC水溶液为例,利用有限差分法对该流动的压力梯度进行了数值计算,并分析了内管自转速度、环空偏心度和流量对其的影响。结果表明:环空偏心度和流量是其主要的影响因素。通过比较利用轴向速度数值解求得的压力梯度与利用轴向速度解析解求得的压力梯度,发现二者吻合效果较好,进一步说明文中给出的幂律流体偏心环空螺旋流的压力梯度公式和数值计算方法是正确的,可进一步推广应用。     

偏心环空螺旋流的PIV测试研究

首次将PIV技术应用于测试偏心环空幂律流体紊流螺旋流速度场,设计了一套可调偏心度的垂直环空管道实验装置。实验为不同浓度的聚丙烯酰胺水溶液在偏心度分别为40%和80%的垂直环空管道内做螺旋流动的PIV实验,得到了轴向速度影响规律:压力梯度一定时,黏滞性的减小或内管转速的增加将使轴向速度增大;流量一定时,黏滞性的减小或内管转速的增加都将使宽间隙处紊流核心区的轴向速度减小;偏心度的增大可以使紊流核心区轴向速度减小;当其它条件相同时,轴向速度随着压力梯度或流量的增加而增大。PIV实验结果与PHOENICS数模结果吻合良好,证明了PIV技术对幂律流体偏心环空螺旋流速度场进行测试是可行的、有效的。     

海上油田注聚沿程压降计算及管径优选

选取胜利滩海油田所用的活性聚合物乳液,通过实验测定聚合物溶液的流变性,提出了用两种流变模式来描述其流动特性:当剪切速率小于极限剪切速率时聚合物溶液表现出幂律流体特征;当剪切速率大于极限剪切速率时聚合物溶液表现出牛顿流体特征.通过聚合物溶液在管道中的剪切速率来判别其流变模式,并计算不同管径下聚合物溶液配注时的沿程阻力损失,由此来选择合适的注聚管道的管径,以提高注聚合物驱油效果.     

连续管幂律流体流动及压降影响因素分析

幂律流体是石油工程领域应用非常广泛的非牛顿流体,为了研究其在连续管螺旋管段的复杂流动状况和压降变化,基于Fluent软件模拟了幂律流体在螺旋管内的流动,分析了管径、滚筒直径、入口速度、流体密度、流体稠度系数以及幂律指数对压降的影响,得到了截面上的压力和速度分布,总结出了螺旋管压降随各个参数的变化规律:在直管段截面压力和速度呈同心圆状规则分布,而在螺旋管截面压力和速度则向外凹陷;螺旋管的湍流核心区较直管段减小,说明曲率增大导致黏性力的作用范围变大;油管压降随入口速度、流体密度、稠度系数和幂律指数的增大而增大,其中幂律指数的影响比稠度系数大得多;压降随管径的增大而减小,滚筒对压降的影响可以忽略;当流速很高时,为了减小压力损失,保证平稳流动,应在保证所需井下压力的基础上选择管径稍大的油管。研究结果可为现场确定连续管和流体的相关参数提供理论指导。     

幂律流体偏心环空螺旋流轴向速度分布规律的PIV实验研究

为研究幂律流体偏心环空螺旋流轴向速度的分布规律,建立了幂律流体的偏心垂直环空螺旋流动实验模型及实验方案。利用PIV系统拍摄各种工况下偏心环空螺旋流场中粒子的图像,对实验数据进行处理分析,确定了幂律流体偏心环空螺旋流轴向速度分布的主要影响因素。着重分析了压力梯度、黏滞性、内管旋转角速度、偏心度这些影响因素对偏心环空宽、窄间隙处轴向速度分布的影响规律,为解决石油工业中相关问题提供了有益的参考。     

幂律流体偏心环空螺旋流计算机仿真

偏心环空螺旋流是钻井作业常见的一种流动,怎样方便、快速及高精度地计算其流速场与流量是一个重要问题.根据1987年Luo和Peden提出的方法,利用数值计算高级语言MATHCAD结合现代计算机仿真计算技术,对幂律流体在偏心环空的螺旋流动做了研究,得到了这种流动的重要规律.从算例可以发现:在其它参数不变的情况下,钻柱的偏心对幂律流体螺旋流轴向流量的影响非常大.最大偏心时,轴向流量是同心时轴向流量的2.635倍,是最小偏心时轴向流量的1.668倍;钻柱的旋转速度对幂律流体螺旋流轴向流量的影响较小,但随钻柱旋转速度的增加,轴向流量有所增大,钻柱旋转速度最大时轴向流量是钻柱旋转速度最小时轴向流量的1.013倍.     

基于螺旋流的输气管道内水合物流动与传热分析

目前文献以气相为主导的输气管道螺旋颗粒流动与传热报道较少。鉴于此,采用RNG k-ε模型对螺旋管流中水合物颗粒的速度分布、湍流强度分布、颗粒沉积特性和传热特性进行研究。研究结果表明:当扭率为8. 8时,雷诺数越大,速度极大值的范围越大;扭率越小,在管中心形成的强制涡衰减越慢,湍流强度越大,水合物颗粒掺混效果越好,利于传热;无扭带管道中水合物颗粒比有扭带管道中水合物颗粒体积分数大6～8倍,扭带扭率越小,管底颗粒沉积越少;管道的努塞尔数随雷诺数逐渐增大,在相同的雷诺数条件下,扭带的扭率越小其努塞尔数越大,最大可提高4倍。研究结果可为水合物的安全输送提供理论指导。     

低渗透油藏聚合物驱启动压力梯度的表征

为研究低渗透油藏聚合物驱启动压力梯度对渗流规律的影响, 通过稳态压差-流量法和毛细管平衡法, 研究了水驱油至残余油状态时岩心渗透率和聚合物溶液黏度对聚合物驱渗流曲线的影响, 建立最小启动压力梯度、 拟启动压力梯度与体系黏度、 岩心渗透率和流度的量化关系。结果表明, 在相同渗流速度下, 随着岩心渗透率降低、 体系黏度增加, 聚合物驱压力梯度增大; 随着体系黏度增加、 岩心渗透率或流度降低, 聚合物驱的最小启动压力梯度和拟启动压力梯度均增大, 且都大于相同条件下的水驱启动压力梯度值; 拟启动压力梯度与流度关系曲线的拐点为 17.89×10^-3μm²/mPa· s, 低渗透油藏进行聚合物驱的渗透率下限为 10×10^-3μm²。水驱拟启动压力梯度方法可以用于表征聚合物驱渗流曲线的拟启动压力梯度。图 9表1参 14     

聚合物驱油井采出液流变性及管输水力的计算

应用ＲＳ－１５０应力流变仪对注入的聚合物溶液及油井采出液的流变性进行了试验研究。研究结果表明,含聚合物的油水混合物具有明显的非牛顿特性,其中未脱水油相和水相的粘性在中等剪切速率范围内可用幂律模式来描述。根据牛顿流体在圆管中的雷诺数,可算出幂律流体在圆管中的稳定性参数临界值。应用随机理论,推导出幂律流体在管道中的平均流速及紊流压力梯度方程。计算分析表明,所确定的临界雷诺数与试验结果吻合较好,其相对误差为－５．４％。紊流压力梯度的计算值与试验结果吻合较好。     

幂律流体同心环空螺旋流数值模拟

环空螺旋流是钻井液在钻井作业中常见的一种流型，怎样方便、快速及高精度地计算其流速场与压力梯度是一个重要工程问题。提出直接利用线性化迭代法求解幂律流体在环空中螺旋流的流场及压力梯度，避免了求解非线性方程组而可能出现迭代发散的问题，该线性化迭代算法真实可信，精确度高。使用线性化迭代算法，仅以求解两个三对角线性方程组为一次循环，运算速度快，占用时间少，精度高，收敛性得到可靠保证，是矿场使用的好方法，为矿场作业中水力参数设计提供了科学依据。     

非牛顿流体偏心环形空间螺旋流的速度分布

从理论上建立了双极坐标系下非牛顿流体偏心环空螺旋流的控制方程,其为用流函数和轴向速度表示的四阶非线性变系数非齐次偏微分方程组.给出了上述方程组的有限差分法数值求解步骤,并以水和CMC水溶液室内实验数据为例,计算和分析了非牛顿流体偏心环空螺旋流的速度分布规律,结果表明：非牛顿流体偏心环空螺旋流中存在二次流区,且影响二次流区域大小的主要因素是偏心距.     

非牛顿液体螺旋流场的数值解

本文采用近代物理中的格林函数,把非线性常微分方程组的解表示成非齐次项的定积分迭代式,对两种有代表性的物质——塑性液体和幂律液体进行了数值计算,并与Savins方法的计算结果进行了对比,其结果令人满意。本文把钻杆与井壁之间(环形空间)的钻井液的流动视为螺旋流,考虑了钻杆转动对水力因素的影响,比不考虑钻杆旋转的环空流更符合钻井实际;并且本方法避免了传统数值解法在解边值问题时的诸多不便,是一种新的积分方法。但在有刚性流核的场合,本方法不适用。     

聚合物产出液在抽油泵的缝隙中流动

室内聚合物溶液流变性测试表明,大庆油田应用的聚合物溶液的流变性符合幂律模式。运用非牛顿流体力学理论和数理方法,结合抽油泵柱塞运动特点,假设液体为不可压缩的,液体在缝隙中流动的水力半径很小,呈层流流动,柱塞在每一位置的瞬间,流动做定常流处理,建立了泵筒与柱塞同心和偏心两种情况下运动方程和边界条件,引入无量纲坐标、无量纲速度和柱塞与泵筒偏心配合时的缝隙高度,并给出缝隙流流速、流量的解析解。讨论了流性指数n=1时的特殊情况,所得的流速、流量方程与目前国内外应用的缝隙流公式完全相同。此外,还作出牛顿流体和非牛顿流体在柱塞与泵筒同心和完全偏心的情况下,漏失量与压差关系图,在其他条件相同情况下偏心时漏失量大于同心时漏失量。为聚合物驱抽油机井排量系数的正确计算提供了理论依据。     

地面驱动螺杆泵井杆管环空螺旋流数值模拟

目前多数研究将地面驱动螺杆泵井杆管环空中的井液的流动看作多相流体轴向流动,实际上在高速旋转抽油杆带动及螺杆泵压差作用下,环空液体呈现螺旋流动。根据粘性流体运动方程及螺杆泵井井筒液体运动的特点,建立了地面驱动螺杆泵井幂律流体杆管同心环空螺旋流数学模型。运用不均匀对数网格法和有限差分法求其数值解,并对不同的流场参数进行了敏感性分析。计算结果表明,井液的轴向速度、切向速度、合速度及压力梯度随抽油杆转速的增加而增加,视粘度随转速的增加而减少。在设计螺杆泵井转速时,既要考虑增大产量,又要考虑螺杆泵举升高度及寿命。     

幂律非牛顿流体平面流动的数值计算

提出了一种对非牛顿流体在微观孔道中流动进行模拟计算的改进方法,该方法较以往的方法快速而稳定,从而为进行大量数值实验提供了精确而有效的手段.首先对描述不可压缩幂律流体二维流动的偏微分方程组进行变换,形成流函数-涡度方程组以减少未知量个数.在对微分方程组进行差分离散化的过程中,用不定常解法求解定常问题,对平流项采用迎风格式,用3次样条求解速度场,用自动参数超松弛迭代求解流函数场.利用这一系列改进措施,获得了稳定快速的求解格式.给出了导出方法、计算公式以及程序框图,还给出了实际算例的计算结果,并提出了当前孔隙网络模型计算的改进方向.     

非牛顿液体环空螺旋流的精确解

非牛顿液体环空螺旋流的水力计算在石油钻井中具有重要意义.理论分析指出螺旋流可由3个特征参数a、b和c完全描述,这些参数的大小由环空螺旋流的轴向平均速度V_cp、环空内圆旋转角速度ω₁和液体的流变常数决定;从液体流动的运动方程式和具有4个流变常数的本构方程式出发,引入应力函数的概念后导出了求解特征参数的新方法.该法实际上给出了石油工业中常见的宾汉液体、幂律液体、卡森液体、修正幂律液体及罗伯逊液体的环空流和螺旋流水力计算的统一程序,数值计算显示了新方法的优越性.