气水两相下降流中泡状流与段塞流转换边界研究

针对塔河油田气水混注驱替“阁楼油”过程中泡状流与段塞流转换边界不清的问题,利用数值模拟方法对气水两相下降流中泡状流与段塞流进行了模拟分析。结果表明:在气相表观流速为0.01~1.00 m/s、液相表观流速为0.03~2.00 m/s、管径为76 mm的模拟条件下,管道中主要为泡状流和段塞流;与模拟结果相比,Barnea、Kokal、薛玉卿模型预测的转换边界偏小,Bhagwat和Yijun模型预测的转换边界偏大;随着气相表观流速增加,泡状流向段塞流转换时所需液量逐渐增大;在低液量条件下,越靠近管道中心,气泡数量越多,空隙率越大;随液量增加,单个小气泡体积减小,气泡在整个管道横截面上分布越均匀。基于漂移模型,考虑气泡群滑脱速度,建立了新的泡状流与段塞流转换边界模型,216组文献数据验证结果显示,新模型准确率为95.37%,准确度较高。建立的泡状流—段塞流转换边界模型,不仅可提高井筒压力、温度模型的计算精度,同时对塔河油田现场注入井井口参数优化、注入设备优选和提高“阁楼油”驱替效率有很好的理论指导意义。

倾斜管不同黏度气液两相段塞流持液率实验及预测方法

准确预测持液率可为井筒中的流型判断和压降预测提供重要依据,段塞流为稠油井筒中最常见流型,井筒高黏流体将加重气液两相滑脱,导致现有持液率模型应用于高黏流体的预测精度变差。为此,基于多相管流实验平台,在内径为60 mm的测试管段内开展段塞流持液率实验,获取了不同黏度、不同倾角段塞流流型及持液率数据,研究了黏度对持液率和流型转变的影响规律,并结合实验现象和理论推导,提出了倾斜管不同黏度气液两相段塞流持液率新模型。研究结果表明:液相黏度的增加,会增加液相与管壁之间的黏滞力,导致持液率增加;黏度对持液率的影响会改变段塞流与其他流型的转变界限。以Kora液塞区持液率关系式为基础,建立了用混相黏度代替液相黏度的倾斜管气液两相段塞流持液率新模型,并利用实验数据和文献数据进行了验证,证实新模型具有更高的精度。该研究可为预测稠油井井筒压降提供技术支持。

气液两相段塞流在裂隙中流动规律实验

针对储层裂隙中段塞流流动规律认识不清、控制因素不明确的问题,利用气液两相运移产出微观流动模拟实验装置,研究了段塞流在裂隙中的流动规律,分析了裂隙直径、气液两相流量等对段塞流流动关键参数的影响及流量波动特征。研究表明:气液两相段塞流在裂隙中呈现周期性特征,从形成到消失可分为气塞形成、气塞扩大、气塞主导3个阶段;裂隙直径与段塞频率呈线性负相关,与气液相流量波动幅度呈线性正相关;当液相流量为15.00、20.00、25.00、30.00 cm^(3)/min时,随着气相流量的增加,段塞频率的变化速率分别为0.130、0.012、0.009、0.007,持液率变化速率分别为1.503、1.175、0.918、0.820。该研究结果对煤层气开发过程中段塞流机理研究具有指导意义。

基于高速摄像法的气液段塞流特性参数测量

在气-液两相段塞流中,液膜段的湿壁分数和弹头倾角是研究气弹段持液率和气弹特性的关键.文章基于光学成像技术设计了高速摄像法的视觉传感器测试系统,实现了气液两相段塞流气弹特性参数测量.基于图像分析技术,优化边缘检测算子,精确定位边缘位置,高质量提取了轮廓分布,将机器学习模型作为预测多相流特征参数的一种新方法,对气弹弹头倾角进行数据建模研究,分析了适用于分层平滑流、波浪和环状流的表观粗糙表面(modified apparent rough surface,MARS)模型以及段塞流气弹区和液膜区流动状态机理,在MARS模型基础上进行了参数优化,使其适用于段塞流液膜处的湿壁分数和持液率求解.结果表明:通过数据拟合的多项式模型弹头倾角α的模型预测结果的平均绝对百分比误差(MAPE)为8.87%,94.6%预测结果处于相对误差±20%的范围内.通过修正MARS模型提出的水平管段塞流液膜处湿壁分数预测结果的MAPE为9.42%,96.1%预测结果处于相对误差±20%的范围内.液膜持液率预测模型结果的MAPE约为8.04%,93.4%预测结果处于相对误差±20%的范围内.

基于OLGA一体化模型的新井接入流动模拟

针对A气田地面管网出现较为严重的积液和段塞流的问题,根据A气田现场数据,建立了基于OLGA软件的油藏-井筒-管网一体化模型,研究了新井接入条件下相邻井的压力变化和集输管线中积液与段塞流的变化情况。结果表明,建立的油藏-井筒-管网OLGA一体化模型最大误差为6.92%,满足生产模拟;新井产量增加到一定条件时(11万m3/d),相邻井平台汇压明显下降(从3.75MPa降至2.56MPa),其他井平台的汇压变化不大(0.1MPa范围内波动),主要原因是新井和相邻井汇合后的管线压降出现明显降低。而汇合管线压降降低的原因是新井汇入后管线输量增大,管内积液量、持液率、段塞流数量明显降低,增大了汇合管线的输送效率。同时,模拟发现管网积液高风险位置主要为低洼段,段塞流高风险位置主要为上坡段。

隧道弃渣级配碎石细观力学参数研究

隧道弃渣级配碎石作为道路基层填料,能有效避免资源浪费与环境污染。有限元方法将其视为连续介质进行研究时存在一定局限性,而采用离散元对颗粒材料进行模拟时,细观参数对其宏观力学性质的影响并不明确。基于三轴压缩试验和数值模拟,通过正交控制参数变化分析,揭示了颗粒间细观参数与宏观力学参数之间的关联性,明确了细观参数对隧道弃渣级配碎石路用力学性能的影响。结果表明:细观参数中,切向黏结强度对黏聚力值的影响最大,而摩擦系数与内摩擦角值变化联系更密切;初始杨氏模量与刚度比呈负相关,其他参数对其影响不大;与泊松比相关的变化关系中,刚度比与切向黏结强度较其他参数对其影响更大。研究成果可为颗粒流模拟级配碎石的细观参数标定提供参考,也为级配碎石作为道路基层填料的力学性能研究提供了基础。

天然气储层裂隙中气-液两相流的流态转变条件数学模型

气-液两相在储层裂隙中流动时可能存在气泡流、段塞流、环雾流等流态,查明流动时流态转变条件能为气-液两相流流态形成机理研究提供依据,有助于天然气井的生产管控。根据气-液两相流不同流态的流动特点,结合连续介质控制理论和动量守恒原理,构建了气泡流-段塞流-环雾状流等流态之间转变的数学模型,确定了各流态间变化的临界条件和主控因素,通过气-液运移产出微观流动物理模拟试验验证了所建数学模型的准确性。结果表明:气-液两相在裂隙中的流态转变是气/液相的物理性质、注气通道孔径、裂隙流动通道孔径、气相流体流速、液相流体流速等因素耦合作用的结果。气泡流与段塞流能否转变主要取决于初生气泡大小、流动通道空间、液相界面波高度;段塞流与环雾流间能否转变取决于气相流体能否击碎液相流体并使之悬浮。不同流态间转变的主要控制因素不同:气泡流与段塞流相互转变的主控因素为裂隙系统的孔径,注气通道孔径越大、流动通道孔径越小,越容易发生段塞流;段塞流与环雾流相互转化的主控制因素为流体流速、气/液相流体的物理性质,气/液相对速度越大、气/液密度差越小、液相表面张力越小,越容易发生环雾流。研究成果能够为天然气储层裂隙中气-液两相流态形成机理和天然气运移产出研究提供理论依据。

气液混输管道段塞流泄漏流场特征

气液混输是油气管道运输的常用技术,与单相管道相比,当气液混输管道泄漏时,由于气液相间相互作用,流动情况复杂。所有流型中,段塞流研究最为困难。为了研究气液混输管道段塞流型下泄漏的流场特征,对比单相管道与混输管道泄漏动态压力波的波形特点,基于动网格与UDF(user-defined function)模拟泄漏发生的全过程,分析泄漏过程以及液塞经过泄漏孔口过程的压力、流速、湍流强度变化,得到气液混输间歇流泄漏流场特征。结果表明:与单相管道相比,当泄漏方位为上部和中部时,混输管道段塞流泄漏瞬间形成明显的方向向下的动态压力波脉冲,持续泄漏则交替出现多个向上和向下的信号脉冲,且信号的幅值远大于正常流动信号的幅值。泄漏瞬间产生的方向向下的动态压力脉冲是由压力突然下降引起,泄漏瞬间引起的压力变化主要反映在管道压力上,通过管道安装的动态压力传感器可有效反映泄漏瞬间产生的压力变化。液塞到达与离开泄漏位置是影响管道压力波动的主要因素。动网格仿真模拟与试验结合的方法可用于研究气液混输管道段塞流泄漏的流场特征。

基于RBF的油气水段塞流流型超声识别方法

石油管道内的多相流流型识别主要集中在气液两相流和油水两相流方向且准确识别流型范围有限,为了解决油气水段塞流流型识别问题,本文提出一种基于RBF神经网络和超声传播规律的油气水段塞流流型识别方法。根据油气水段塞流的相分布特点,建立了流型识别超声测试仿真模型。采用超声透射衰减技术和反射回波技术研究水平管道油气水三相段塞流超声响应特性,提取透射衰减信号区分段塞流液膜区、气泡夹带区和稳定液塞区。利用反射信号时间序列数据中的回波能量等统计特征,通过RBF神经网络对油气水段塞流进行流型识别。结果表明,基于超声传播机理以及RBF神经网络三相段塞流流型识别率为95.7%。基于RBF神经网络的流型识别算法研究为超声技术实现水平管油气水段塞流流型识别提供了理论基础。

基于流动噪声解耦的水平管弹状流气弹特性参数测量

弹状流是一种典型的气液两相间歇流动形态,气弹特性参数的测量对于弹状流摩擦压降和截面含气率等流动参数测量具有重要意义。本文设计了基于声发射原理的气弹参数测量传感器,并对不同流动条件下的水平管弹状流噪声信号进行了测量。利用鲸鱼优化算法(WOA)变分模态分解(VMD)对噪声信号进行处理,结合原始信号从能量和熵的角度进行分析,完成了对水平管弹状流噪声信号的解耦。将噪声信号分解为高频的气固噪声、中频的气液噪声与低频的液固噪声。通过对声发射时域信号分析实现了弹状流频率与气弹长度参数的测量。利用CatBoost算法选取8个特征值构建了弹状流气弹频率和气弹长度的预测模型。实验结果表明,弹状流频率预测模型平均绝对百分比误差(MAPE)为5.12%,95.25%实验点的相对偏差都在±15%范围内,气弹长度预测模型MAPE为7.77%,90.48%实验点的相对偏差都在±15%范围内。

基于Hurst指数的严重段塞流多尺度分形特性

基于多尺度方法和Hurst分析方法,分析了严重段塞流的多尺度结构及其非线性特征。以空气、水两相混合物作为实验介质,利用高速数据采集板获得了集输立管内气液两相严重段塞流的压差波动信号。使用db4小波在1~8尺度下对压差信号进行分解和重构,提取不同尺度的系统动力学特征,发现严重段塞流气液喷发和液体回落的瞬态过程主要体现在d5~d8尺度的细节信号上。通过对压差波动信号不同尺度下的分解信号进行Hurst指数分析,发现严重段塞流存在显著的双分形特征,同时受正持久性和反持久性两种动力学因素的制约,但概貌分量和细节分量表现出截然相反的分形结构,概貌分量具有正持久性,而细节分量具有反持久性。d1尺度下的细节分量描述了微尺度的气泡与气泡之间的相互作用;d2~d5尺度下的细节分量描述了微尺度的液体与气泡之间的相互作用;d6~d8尺度下的细节分量描述了宏尺度的气液两相与管壁之间的相互作用。压差波动信号的能量主要分布于宏尺度上。

水动力段塞流激发的混合立管振动响应

海洋立管是输送海上油气至生产平台的关键装备,面临油气两相流诱导振动的风险。本文通过建立气液两相循环系统,开展了不同气液比水动力段塞流作用下的混合立管流致振动响应实验研究,采用高速摄像同步捕捉了管道振动位移及管内气液两相流动特征。实验发现:柔性跳接管平面内振幅及管内液塞长度随气液比的增大而增大,模态切换更为频繁。柔性跳接管的主导振动频率与长液塞流动频率和压力波动频率吻合。刚性立管的摆动频率也参与了柔性跳接管的振动,但其影响沿管轴方向不断衰减,且随气液比的增大而减弱。

密相栓流湿颗粒气力输送数值模拟

鉴于目前对于湿颗粒密相气力输送的研究缺乏成熟的体系与结论,本文探究了湿颗粒密相气力输送的流动机理与流动形态,为气力输送的优化设计提供理论支持。研究采用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)和离散元法(discrete element method,DEM)双向耦合的数值模拟方法,对水平管道中干湿颗粒料栓的运动形式和颗粒运动轨迹进行了分析,深入研究了颗粒含水率对输送流型、输送效率以及输送压降的影响。结果表明,同等气速下,湿颗粒可以形成段塞流,而干颗粒先是段塞流,随后料栓被气体击穿演变为沙丘流,最后成为管底流;随着气体速度的增大,单位长度的水平管道压降数值呈现先降低后增长的趋势,在质量流率0.5 kg/s、含水率5%的工况下,输送速度为9 m/s时管道压降数值最低,为最佳经济速度值;湿颗粒的压力曲线一直处于波动较大的不稳定状态,当两个监测点位于段塞外部时,轴向压差几乎为零,而当两个监测点位于段塞内部时,轴向压差可以达到-600 Pa。通过对湿颗粒输送时的压降变化进行分析和监测,可及时发现设备故障的迹象,预警可能的问题并采取预防措施,避免设备损坏和生产中断。

海上连体平台混输海管段塞气回收探索及实践

“双碳”背景下对海上平台油气开发生产提出更高要求,由于井口-中心处理平台多相混输海管易形成段塞流(段塞气/段塞液)且受压缩机组回流调节阀能力限制,通过压缩机组自动加/减载调节段塞气偶发火炬异常放空,造成资源浪费、碳排放量增加。文章基于连体平台优势改造新增天然气系统干气大回流、天然气系统互联设计形成海管段塞气回收“三重调节机制”,结果表明:基于“三重调节机制”段塞气最大放空瞬时量降低93%~100%,基本实现零放空回收,有效提升工艺流程稳定性,保障压缩机组大型设备平稳运行,对海上连体平台的优化设计具有一定的借鉴意义。

海上气田生产污水处理系统运行改造优化

海上D气田投产至今已有20年,随着气田开发进入中后期,气田逐步开展降压生产,部分气井出现出砂、出水情况,气井出砂出水造成外输凝析油含水超标、生产污水排海含油升高、聚结分离器/闭式排放罐液位计频繁卡滞故障的情况。气田人员结合生产实际情况,采取上游海管段塞流排液流量控制、生产污水处理装置改造提升优化的方式,成功解决了生产系统含油乳化物堆积、生产污水处理系统效果差、外输凝析油不合格等问题,恢复了生产污水处理系统处理能力,成功将生产污水处理系统排海含油质量分数降至0.0025%左右。

基于微水试验求解高渗透性承压含水层水文地质参数

为了提高高渗透性承压含水层渗透系数与储水率等水文地质参数的反演精度,科学解释井筒水位的非线性振荡现象,本研究建立了考虑表皮效应和非达西流效应耦合惯性力作用的微水试验模型。模型中表皮效应采用Robbin边界条件描述,非达西流效应采用Forchheimer方程刻画,惯性力作用采用动量平衡方程表达。利用Laplace变换法推导模型的解析解,基于现场试验数据,分析3种因素对反演水文地质参数的影响。结果表明表皮效应、非达西流效应与惯性力作用对参数反演结果的影响均不能忽视。无因次表皮因子(Sw)值、Forchheimer系数(γ)值与瞬时注水后井筒水位与承压含水层隔水顶板之间的垂直距离(l) 3个值越大,井筒水位恢复速度越慢;Sw值越大,井筒水位振荡幅度越小,而γ值和l值越大,井筒水位振荡幅度越大。忽略表皮效应、非达西流效应或惯性力作用均导致渗透系数与储水率的反演结果偏小。研究结果为裂隙承压含水层中水文地质参数的反演提供了一种合理的理论基础和技术依据。

段塞工况下三相分离器的设计

三相分离器设计时应考虑管道内段塞流变化对设备的冲击,并且能够适应油气田的全周期开发过程。采用OLGA软件建立了某油田起伏管道油气水多相流瞬态模型,针对段塞流的影响计算了该油田三相分离器的尺寸,模拟分析了三相分离器对流动参数变化的适应程度。结果表明,根据管道出口位置压力、持液率、段塞长度变化计算得到液塞长度平均衰减率为2.67 m/s,停留时间选取4min,安全系数选取1.5,三相分离器最终设计尺寸为2400 mm×7200 mm,公称容积为36 m^(3),数量为2台。三相分离器能够适应的最大气油比为40 m^(3)/m^(3),最大液体输送流量为700 m^(3)/d,压力的变化对三相分离器运行几乎无影响。

基于CFD两相流模型的涡旋压缩机抗液击性能预测方法

当涡旋压缩机在某些特殊工况运行时,液态制冷剂会进入压缩机,进而部分液态制冷剂进入涡旋腔,对涡旋壁和十字环产生很大的冲击力。当进入的液态制冷剂量超过涡旋腔所能承受的极限,对涡旋和十字环造成损坏并导致压缩机失效。在新压缩机产品开发过程中,传统的方式是通过试验方法去验证压缩机的抗液击性能,但这种方法需要组装样机并在实验室进行测试,时间长且成本高。文章提出了一种基于两相流模型预测涡旋压缩机抗液击性能的方法,通过该方法,在新产品设计的早期阶段无需试验就可以预测涡旋压缩机的抗液击性能,能够有效地降低项目成本且加快产品上市时间。

变工况气液段塞流诱导的柔性立管振动响应

柔性立管广泛用于海洋油气输送,因管内气液两相流压力、密度等的时空变化,易激发立管的振动响应。针对水动力段塞流诱导的柔性立管振动响应问题,在气液两相流循环实验系统中开展了水动力段塞流诱导的悬链线型柔性立管模型振动响应测试,采用非介入高速摄像测试方法同步捕捉了柔性立管模型的振动位移与管内气液两相的流动特征。通过改变段塞流混合流速(0.8~3.0 m/s)和气液比(1.0~11.0),剖析了振幅与振频的时空分布、振动模态切换等振动特性与管内液塞长度、运移速度、流动频率间的内在联系。结果表明:柔性立管模型的振动主要由一阶模态主导,振动模态随时间发生切换,即存在时间上的模态切换,根据其特征,辨识了三种模态切换形式,对实验组次进行了分区。不同的模态切换形式与管内的段塞长度、段塞流动频率以及段塞在管内的分布有关。

输油管道气液两相段塞流数值分析

输油管线中,气液流量较小时,管内流动为分层流流型.在流量增大时,分层流上有限波浪的增长会导致两种流型出现,即段塞流和伪段塞流.而当气相速度较高时,伪段塞流的双重特征会导致段塞流识别上困难.文中运用计算流体力学软件Fluent对输油管路内不同流速的多相流进行仿真模拟,并结合管道截面气液分布、流体压力脉动、压力信号的振幅和功率谱密度函数特征去辨别管内流动为段塞流或伪段塞流.根据监测所得的管道截面气液分布,可以较直观辨别两种流型发展中的特征,根据压力脉动图,段塞流在压力上升后会出现典型的冠状突起,但伪段塞流只是液层瞬态上跃触及管顶,无法充分且持续地堵塞管道,故无冠状压力脉动特征,压力振幅也较小,再根据PSD特征的分析,进一步揭示了段塞流与伪段塞流的波动特性.