旋转自进空化射流喷头性能及油管清垢实验研究

我国各大油田普遍存在油管矿物质结垢问题,空化射流因其工作压力较低时即可达到较好的清洗效果而应用于油管清洗,通过喷头的旋转实现内壁清洗的全覆盖,但对旋转空化射流喷头的旋转速度、送进速度等性能的研究还比较少,无法有效指导旋转空化射流喷头的应用。针对风琴管空化喷嘴开展了性能实验,对空化喷嘴在不同喷射靶距和喷射角度开展油管矿物质垢的清洗实验,确定了20 MPa条件下清洗的最优靶距及喷射角度;提出了旋转自进空化射流喷头结构,对不同旋转喷嘴圆柱段直径、不同入口压力条件下喷头的旋转速度及自进力进行了实验测试,得到了喷头参数对旋转速度、自进力的影响规律;开展了油管内壁矿物质垢清洗试验,得到了旋转自进空化射流喷头的压力和送进速度对清垢率的影响规律。本文可为油管矿物质垢低压条件下高效清洗提供技术支持,也可为旋转空化射流的机理研究提供借鉴。

风琴管喷嘴空化水射流流场的大涡模拟

针对空化水射流流场空化云演化采用RANS方法模拟不准确的问题,采用大涡模拟(Large-eddy simulation,LES)对风琴管空化喷嘴流场进行数值模拟。基于Mixture多相流模型和Zwart-Gerber-Belamri(ZGB)空化模型,分别采用SM模型(Smagorinsky-Lilly model,SM)、壁面适应的局部涡黏模型(Wall-adapted local eddy-viscous,WALE)和代数壁面模型(Wall-modeled large eddy simulation,WMLES)3种不同的亚格子模型,对风琴管喷嘴空化水射流流场进行数值模拟,分析空化水射流特性、空化云演化规律及脱落频率。结果表明:WALE模型可以较为准确模拟空化云演化周期,与高速摄像拍摄结果吻合较好;在喷嘴内圆柱段以及扩散段壁面附近产生涡环,加快了空化泡析出,WALE模型较好的模拟了涡环结构;涡量分析表明涡流在喷嘴出口附近出现,射流的末端空化泡破碎产生扰动,大尺度涡演化为小尺度涡,WALE模型模拟出涡的破碎范围较SM模型更大,WMLES模型未捕捉到小尺度涡。

不关井分体式排水采气柱塞结构优化研究

针对分体式柱塞存在的气体窜流、液体回落及下井困难等问题,以典型分体式柱塞为基础,建立了柱塞在油管内运行的流场数值计算模型,以阻力系数为评价依据,对内外壁结构开展了基于数值模拟的结构优化。数值计算结果表明:圆弧形柱塞外壁环槽结构具有更好的密封性能,并确定其槽宽16mm、槽深7mm为最优结构;文丘里结构作为分体式柱塞内孔结构,可显著提升下井速度,采用正交实验法确定最优参数组合为收缩角50°,喉管直径32mm,扩散角16°,相比通孔型柱塞下井速度提升了44%。利用室内实验装置对优化后柱塞结构运行、排液进行了实验研究,验证了模拟的可靠性。

液-液旋流分离器内流动特性的大涡模拟

基于柱坐标系下的瞬态N-S方程,采用标准Smagorinsky-Lilly模型,对旋流分离器内的单相流动特性进行了大涡模拟研究,获得了旋流分离器内的瞬时流场、时均速度与湍动能分布,并将结果与雷诺应力模型(RSM)及实测结果进行了对比。结果表明,大涡模拟方法可以得到旋流分离器内的瞬态流场,且能够反映更多的流场细节;对时均速度的预测与实测数据吻合良好,精度优于RSM模型;对湍动能的模拟与RSM方法差异显著,但其结论更符合以往理论分析与实测的结果。相比采用时均方法的RSM模型,大涡模拟方法对此类旋流湍流具有更好的模拟能力。

旋转湍流中雷诺应力模型压力应变关联项的修正研究

利用张量的不变量理论,推导得出传统雷诺应力模型中压力应变关联项模型应用于旋转湍流模拟中的一些基本问题,即在纯旋转条件下,传统模型所描述的初始各向异性的湍流中雷诺应力张量演化规律是一个无衰减振荡过程,而快速畸变理论推导结果显示,其演化应是一个阻尼振荡衰减的过程。以衰减雷诺应力为目的,构造出包含旋转率张量高阶量的关联项。然后,结合变形率张量的高阶项,将修正模型扩展至椭圆形流线类型流动。最后,将修正模型应用于轴向旋转圆管内湍流流场的模拟,并将结果与实测结果进行了对比。

无杆泵井液力清蜡器运行规律模拟与试验研究

清蜡器在油管内的运行规律对泵启停时间、装置回收时间和清蜡器换向胶筒的设计与选择有着重要的指导意义。为此,采用FLUENT软件,利用建立的清蜡器在井筒中运行的数学模型,通过编写UDF程序实现动网格功能,对清蜡器的运行规律进行了模拟研究,并采用试验方法对模拟进行了验证。研究结果表明:当管径和壁面摩擦因数不变时,清蜡器下行过程要经历短暂的加速运动,然后以平衡速度匀速向下运动;当管径和壁面摩擦因数变化时,清蜡器的运行速度将发生明显变化,根据清蜡器的运行规律可以合理确定采油泵的启停时间;清蜡器上行启动流量随着胶筒膨胀后外径的减小而增加,当胶筒外径小于某一临界值时,启动流量会显著增大,确定这一临界值对于胶筒的设计与选择、清蜡器的现场操作有着重要的指导意义。所得结论可为自动清蜡现场作业提供一定的参考依据。

针对壁面旋转变径管内螺旋流的压力应变项研究

通过壁面旋转变径圆管内螺旋湍流流动特征的分析,确定其切向速度场内涡流区为微团旋转主导的椭圆形流动,外涡流区为微团变形主导且受壁面旋转影响的双曲形流动.进而利用张量的不变量理论,引入旋转率张量与应变率张量的综合不变量作为模型系数,将适用于微团旋转主导的旋转湍流Reynolds应力压力应变项修正模型拓展到了非旋转效应主导的双曲形流动中.将修正压力应变项应用于壁面旋转变径圆管流场的模拟,并将结果与实测结果进行了对比,验证了修正模型的改进效果.

旋转变径圆管内螺旋流的LDV流速测量

针对旋转变径圆管内螺旋流场激光多普勒测速(laser Doppler velocimetry,LDV)存在的窗口振动、光束难聚焦与旋转多普勒效应等问题,设计了同轴双带驱动LDV实验装置。采用折射率匹配和光路计算相结合的方法,实现了其速度场的二维LDV测量,得到了不同壁面旋转率下变径圆管内螺旋流的切向、轴向速度分布。实验结果表明:旋转与螺旋流同向时,切向速度明显增加,最大切向速度随旋转率的增加率约为10%/N,最大切向速度点向边壁移动;当旋转率与螺旋流自身旋转率接近时,外涡流区几乎消失;旋转与螺旋流反向时,切向速度随之减小,最大切向速度随旋转率的减小率约为8%/N,最大切向速度点向轴心移动;不论壁面正反旋转,近壁区轴向速度都产生了层流化的趋势。

旋转变径管内螺旋流相干结构的大涡模拟研究

旋转管式分离设备的主分离段一般为变径管结构,针对其内部螺旋流的研究主要集中在平均统计量的分布规律上,缺乏从流动结构角度的描述。本文采用大涡模拟方法对不同旋转条件下变径管内螺旋流开展数值模拟研究,分别以Q准则与基于SVD方法的POD分解法,对数值计算的速度场进行了分析。Q准则等值面显示,螺旋涡从大锥段开始发生破碎,旋转效应能够减弱外涡流区的漩涡强度;POD分解重构后脉动速度场显示,脉动速度场的1阶模态为主模态,包含了湍流的大部分能量,5阶模态之后的流动为由小尺度涡构成的复杂湍动结构。旋转效应抑制了径向涡,促进了轴向涡。从流场结构的角度而言,旋转效应对分离起到了积极的作用。

基于CFD的气举柱塞排液机理与运行规律分析

柱塞气举是实现低产气井排水采气的有效措施。目前柱塞的排液机理仍不明确,极大限制了柱塞结构与工艺参数的优化。采用VOF模型结合动网格方法,对柱塞运动流场进行CFD数值模拟,分析柱塞气举过程中气液流动规律、密封机理与柱塞运行规律。结果表明,上行过程中,气体在柱塞与井筒的环隙之间,气体上窜时产生的绕流阻力是柱塞上行的主要动力,窜气必然存在,液体泄漏较少,密封环槽内涡流不明显;下行过程中,槽内形成较强涡流。无论上行还是下行,柱塞均会快速达到受力平衡。在井况相近情况下柱塞的绕流阻力系数基本不变,可根据井况采用平衡速度估算柱塞的总体运行时间。

偏心工况下水平井压裂管柱喷砂器冲刷磨损数值模拟

在井场压裂过程中,大流量的携砂压裂液对喷砂器内部流道产生冲刷磨损,尤其在偏心工况下,喷砂器局部偏磨严重,对其工作性能和使用寿命造成不利影响。根据压裂管柱喷砂器的工作原理和几何结构,基于CFD技术建立喷砂器三维流体模拟模型,采用Realizble K-epsilon模型对固液两相流湍流进行模拟;利用DPM离散相模型,描述固体颗粒的运动;采用McLaury冲刷磨损模型,预测冲刷磨损规律。对压裂管柱喷砂器在偏心工况、不同施工流量条件下的冲刷磨损规律进行模拟。结果表明:结构偏心使喷砂器内套产生较大偏磨,压力降增加,随流量的增加,冲刷磨损量逐渐增加;数值模拟喷砂器冲刷磨损形貌与现场施工后形貌基本一致,验证数值模拟的可靠性。该结果可为水平井压裂管柱喷砂器冲刷磨损预测和结构冲刷磨损控制提供参考。

气举柱塞外壁密封性能计算与分析

气举柱塞外壁的密封性能是决定气井井下排水采气工艺实施的关键。针对目前气举柱塞存在的气体窜流和液体漏失而影响排液效率问题,以典型柱塞外壁结构为基础,建立了柱塞在油管内举升的流场数值计算模型,对其外壁密封环槽结构的密封性能开展了数值模拟研究。结果表明:柱塞外壁环槽结构的不同槽形对柱塞排水采气的密封性能有显著影响,密封性能由高到低依次为:圆弧形槽、正直角梯形槽、矩形槽和反直角梯形槽。密封性能随着槽深的增加而增加,且出现增速放缓的趋势;随着槽宽的增加出现先增后减的趋势。同时开展了实验研究,实验结果与模拟结果相对误差低于12%,验证了模拟的可靠性。

基于LES方法的壁面旋转旋流分离器内流特性的研究

针对旋流器在井下油水分离的应用过程中,壁面随螺杆泵旋转这一问题,本文基于大涡模拟(LES)方法对壁面旋转旋流分离器内部流场进行数值模拟,并通过LDV测试结果验证了模型的可靠性,得到了壁面旋转旋流分离器内部流场的分布规律。结果表明,正转时,外涡流区的切向速度逐渐增加,内涡流区切向速度增加不明显,轴向速度的变化梯度增大,反转时,影响趋势则正好相反。且旋转效应对不同轴向位置截面的影响并不相同,轴向速度有较明显的差异。

井下液力自动清蜡装置设计及试验研究

针对无杆泵采油系统,设计一种机械式液力自动清蜡装置,该清蜡装置在流体压差作用下实现液力自动清蜡。其主要由刮蜡主体和换向主体构成,刮蜡主体将整个清蜡过程分成3次分层分级清蜡,换向主体使清蜡装置在油管内上下往复运动。对清蜡装置换向胶筒的工作性能及锁紧机构和复位机构进行数值模拟及实验研究。结果验证了该新型液力清蜡装置应用于现场实际的可行性。

井下螺旋式气液分离器分离性能的数值模拟

为了实现井下气液高效分离、产出水回注和采气于一体,开展了新型井下螺旋式气液分离器的研究。应用计算流体力学方法(CFD)对螺旋式气液分离器的内部流场进行分析,并研究了螺旋圈数和螺距对螺旋式气液分离器性能的影响。该结果为井下螺旋式气液分离的进一步研究提供了参考依据。

采出液粘度对井下旋流除砂器内流特性及分离性能的影响

针对井下工况设计了集螺旋片导流、旋流除砂和沉降除砂为一体的新型单出口井下旋流除砂器结构。基于混合模型和雷诺应力湍流模型,针对采出液粘度对内流特性及分离性能的影响进行了数值模拟。结果表明,采出液粘度在1.5～20.0mPa·s范围内变化,对旋流除砂器流场切向速度影响最大,而对轴向速度和径向速度的影响并不大,切向速度和沉降段轴向滑移速度随采出液粘度的增加而急剧下降。随着采出液粘度增加,分离效率急剧下降,甚至失效,压力降也会随之减小。

绕轴旋转旋流分离器内流场的数值模拟

传统静态旋流分离器与螺杆泵配合使用应用于井下进行油水分离时,要求绕其自身轴向旋转,本文针对这一问题,对绕轴旋转旋流分离器内流场分布规律进行数值模拟.分别对壁面旋转方向和旋转速度对流场的切向速度、轴向速度、径向速度等分布规律的影响进行了分析.结果表明,在壁面旋转条件下,各速度分量相互制约,且壁面旋转效应对外涡流区的动量补偿量相对较大.

基于均匀设计的动态水力旋流器性能影响因素试验研究

运用均匀设计方法研究了原油含水浓度、入口流量、转筒转速、分流比等参数对动态水力旋流器脱水性能的影响,借助均匀设计软件采用回归分析法拟合试验数据,使用优选的回归方程定量描述性能与各参数间的关系,在试验范围内预测了动态水力旋流器性能并作了验证,模型计算值与试验值吻合良好。

水平井压裂喷砂器内流场的LDA试验研究

喷砂器是水平井压裂管柱的重要过流部件,随着施工排量的增加,喷砂器的冲刷磨损日益严重。本文对水平井压裂管柱喷砂器内流场进行了LDA测试,得到了其内流场的速度分布规律,结果表明,喷砂孔位置轴向速度存在正负向流动,存在复杂涡流;雷诺数不同时,各截面的回流位置和回流量都存在较大差异,当雷诺数增大到某一值时,重力对流场的影响很小;测得喷砂器试验工装入口和出口的压差,计算得到结构压力系数。可为研究喷砂器磨损规律及结构优化设计提供理论指导,同时也可作为复杂结构湍流流动的研究基础。

不同操作参数下动态水力旋流器内部油水两相流动的数值模拟

根据计算流体动力学(CFD)的方法,应用Fluent软件对动态水力旋流器内部油水两相流场进行数值模拟,考察了不同入口流量及转筒转速下旋流器内速度场与油水两相的分布情况。结果表明:动态水力旋流器内切向速度呈双涡结构(准自由涡与准强制涡);轴向速度明显小于切向速度且不存在零速度包络面,油相集中于旋流器轴心形成油核,随着流量及转速的增加,各相速度及中心油核浓度均增加。