煤层气废弃井封堵管柱三维非线性流固耦合振动特性分析

【目的】煤层气废弃井中水泥塞封堵质量是防止井内污染物泄漏的关键。现行煤层气废弃井处置标准中的注水泥塞方式为简单的泥浆泵注,该方法形成的水泥塞存在水泥颗粒团聚、气泡和微孔隙等问题,导致水泥塞强度降低,易失去密封性能。【方法】针对该问题,将振动技术应用于煤层气废弃井封堵作业中,通过专用工具带动管柱振动,依靠振动能量的传递,改变水泥浆流性以提高水泥塞封堵质量。基于Euler-Bernoulli梁理论及Hamilton变分原理,充分考虑非线性因素,建立了封堵作业中管柱-水泥浆系统三维非线性耦合振动控制模型,采用Lagrange函数和三次Hermite插值函数对管柱系统进行离散,利用Newmark-β法计算并分析了管柱在水泥浆条件下的振动特性;并搭建了机械振动试验测试平台,通过正交试验,研究了振动频率、振动时间以及振动幅值三因素在不同参数组合条件下对水泥石力学性能的影响,得到了最佳振动参数,并进一步研究了单因素对水泥石力学性能的影响规律。【结果和结论】结果表明:(1)考虑纵横耦合效应后,管柱自身由线性结构变为非线性结构,加载使其振动固有频率明显增大,并与振型一起实时变化,在一定时间后变化呈现周期性。(2)管柱长度与振动固有频率成反比,管柱越长其振动固有频率的变化量越小。(3)管柱-水泥浆耦合效应对振动固有频率的影响显著,在水泥浆存在的情况下,管柱系统的振动固有频率均降低,随着水泥浆密度的增加,管柱振动的固有频率降低。(4)机械振动可以使水泥浆体系更加均匀致密,表现为水泥石强度得到极大提升,当振动频率为15 Hz、振动时间为5 min,振动幅值为3 mm时,相比于未振动工况,水泥抗压强度提高38.45%、抗拉强度提高24.14%,胶结强度最大提高52.9%。研究结果可指导封堵工具振动参数的设计,为现场施工参数的确定提供参考,提高水泥浆性能以提高封堵质量,具有工程指导意义。

基于CPFD方法的煤气化气固流态化及输送过程强化

煤粉给料罐是煤粉输送系统中必不可少的一环。某气化技术工艺的煤粉给料罐采用底部流化、侧面出料的方式,内部装有复杂的内构件与出料管道。本文以气固两相流数学模型为基础,采用CPFD(computational particle fluid dynamics)方法,对给料罐内部流化状态开展流体动力学仿真模拟,分析煤粉给料罐内气固两相流的流动特性,模拟给料罐内煤粉疏松、输送的过程,研究影响该给料罐煤粉输送稳定性的影响因素及其规律。

洛河组砂岩用新型无固相冻胶注浆体系

洛河组砂岩采动地层涌水频繁,严重影响了矿井安全生产。针对传统注浆体系面临渗滤效应严重和成胶性能不可控,难以实现裂隙出水有效调控的技术难题,通过分析5种天然典型岩心样品(含砾砂岩、巨粒砂岩、粗粒砂岩、中粒砂岩、细粒砂岩)的矿物组成及微观形貌,明确了孔隙微观赋存特征,构建了低成本、稳定性优异的无固相冻胶注浆体系。通过物理模拟驱替实验研究了冻胶注浆体系的注入性和封堵性能,通过核磁共振在线驱替实验研究了注浆封堵前后岩心中的孔隙分布变化特征。结果表明,孔隙直径小和孔喉连通性差是造成传统注浆体系难以顺利注入和深部运移的地质原因。由于渗滤效应的存在,传统注浆体系的固化封堵效果明显低于理论设计。以0.5%~0.6%聚丙烯酰胺、0.6%~0.7%有机胺类单体交联剂、0.07%~0.08%酚类单体交联剂和0.2%~0.3%有机酸类调节剂为原料,构建了低成本、无固相、易深部注入的新型冻胶注浆体系。该冻胶注浆体系可实现48h内成胶,180d内未见明显脱水,长期老化稳定性优异。冻胶注浆体系的注入性良好,持续冲刷岩心后的压力衰减率为7.85%~20.95%,封堵率为82.04%~92.19%。冻胶注浆体系通过占据大孔道或裂缝空间,增大渗流阻力,迫使后续流体转向,实现出水层有效封堵。该研究成果可为洛河组砂岩注浆堵水施工提供新思路。

固体酸棒在注水井酸化增压的应用

针对低渗透油田注水井后期结垢、注水压力大和油田开发成本增加等问题,研发一种缓慢释放活性物质的固体酸产品,通过溶解性实验、解堵性实验、N80钢片的腐蚀性实验、室内静态评价实验和室内动态评价实验对其性能进行表征。结果表明:固体酸对于无机垢溶解效果较好,对管柱腐蚀性小,作用距离长和时间长,无残留。在现场应用中,通过不间断地投放固体酸,溶解无机杂质,增加地层的流通通道,降低注水压力,取得较好的解堵增注效果。

气固微型流化床反应分析仪的理想流型判据分析

微型流化床因具有气体返混小和可操作性强等优点,在反应动力学测量等领域备受关注。获得流型随操作参数的变化规律,才能实现微型流化床理想流型的有效调控。采用双流体模型耦合考虑结构的相间曳力(又称多尺度CFD)模拟了一系列A类和B类颗粒在不同操作条件下的流化行为,结合颗粒浓度和气体停留时间分布(RTD)特征考察气速、床径和初始床高对气体返混行为的影响。研究表明,当微型流化床在初始鼓泡到湍动流态化之间操作时,才逼近颗粒全混流和气体近似平推流的运动状态。进一步分析气体RTD曲线形状特征(如拖尾、多峰等),提出采用斜度S<0.6作为微型流化床平推流判据,弥补了原判据[满足方差σ_(t)^(2)<0.25且峰高E(t)h>1]的不足,为微型反应分析仪的流型调控奠定了基础。

复杂富水地层无机固水材料注浆堵水应用研究

马钢矿业姑山矿业公司采用的常规单液水泥注浆封堵复杂富水地层导水通道,存在可注性及浆液扩散效果差等问题,对此,姑山矿业公司进行了高效无机固水材料替代水泥注浆堵水试验。结果表明:高效无机固水材料注入会形成钙矾石,其注浆材料成本为156.98~228.81元/m^(3),注浆结石体材料费用仅为常规单液水泥浆的一半;相对于单液水泥浆,高效无机固水材料浆液具有可输送性和可注性强、固结速度快、固结后体积收缩率小、生产成本低等优点;该高效无机固水材料具有良好的推广应用前景。

深水水下工艺管汇堵漏新方法研究

为了提高深水水下工艺管汇堵漏效率,通过堵剂优选,选取无固相有机硅作为堵剂,基于外卡套筒与遥控机器人配合使用。利用水下采油树模型模拟深水试验并结合CFD数值模拟,通过不同深度的变量试验,确定了无固相有机硅的最终封堵效率,符合封堵要求,为深水水下工艺管汇堵漏工艺提供了基础,为深水油田管道保护工作提供了参考。

水基钻井液储层保护技术研究进展

钻井液储层保护性能对后续油气资源产能的影响至关重要。文章综述了储层伤害的主要类型以及储层保护钻井液的关键功能,钻井液对储层的主要伤害分为固相污染、聚合物的吸附堵塞、储层黏土易发生水化膨胀,并可能因钻井液中的成分而分散或运移,以及钻井液滤液与地层水配伍性伤害。储层保护钻井液大致分为强封堵低滤失钻井液、强抑制低伤害水基钻井液、低固相/无固相聚合物钻井液体系以及在无固相聚合物钻井液体系上发展的可生物降解的无固相钻井液,在现场应用中取得了较好的储层保护效果,为现场储层保护提供了技术支持。

一种吸收塔与脱甲烷塔相结合的乙烷回收改进新流程

随着国内各油田CO_(2)气驱采油技术的应用,油田伴生气中的CO_(2)含量大幅提高,中国乙烷回收装置常对油田伴生气进行乙烷回收。为提高对原料气中CO_(2)的适应性,针对部分干气循环乙烷回收工艺(Recycle Split Vapor Process,RSV)在高含CO_(2)天然气中回收乙烷时存在的系统能耗高、热集成困难、脱甲烷塔塔板中上部易形成CO_(2)固体等问题,提出了一种吸收塔与脱甲烷塔相结合的多回流双塔乙烷回收改进工艺新流程(Recycle Split Vapor Multistage Process,RSVM),并利用Aspen HYSYS软件对RSV流程和RSVM流程进行了模拟对比及适应性分析。研究结果表明:(1)与RSV工艺流程相比,在贫富气2种气质条件下,RSVM工艺流程的主体装置总压缩功分别降低了9.86%和11.18%;(2)当原料气中CO_(2)含量介于2.0%~3.5%时,对于贫富气2种气质,RSVM工艺流程的最小冻堵裕量提高了0.6~8.6℃,且该流程对不同原料气压力的气质适应性强;(3)该流程设置了吸收塔和脱甲烷塔,两塔压力相互独立,吸收塔压力比脱甲烷塔塔压高,提高了塔板上CO_(2)冻堵裕量,降低了外输压缩功率。结论认为,改进后的RSVM工艺流程较RSV工艺流程能更有效控制CO_(2)固体形成,提高乙烷回收率,并能有效降低能耗,新流程可为乙烷回收装置设计和安全平稳运行提供有效的技术支持。

一种多元有机自生酸的制备及性能评价

酸化是油气井增产、注水井增注的关键技术措施,通过酸液溶蚀地层孔隙中的酸溶性矿物或堵塞物,从而疏通油、气、水的渗流通道,达到油气井增产、注水井增注的目的。针对常规酸液体系酸化过程中酸液与地层矿物或堵塞物反应速度较快、有效作用距离较短的问题,开展了多元固体有机酸的研究,制备了一种在地面条件下为固体颗粒,溶于水后缓慢释放氢离子的多元固体有机酸。评价结果显示:该多元固体有机酸在水中的溶解度较高,最大可以达到56 g,生酸质量分数最大可以达到17.83%,30℃下的持续生酸时间为90 min,90℃下的持续生酸时间为45 min,有利于延长酸液有效作用距离,而且对真实碳酸盐岩粉末的溶蚀率最大可以达到68.1%,具有较高的溶蚀能力,应用效果显著。

气力输送中盲三通冲蚀数值分析

盲三通与常规的弯管相比,可有效提升抗冲蚀性能,适用于气力输送设备。文中使用Fluent软件对垂直-水平管道之间的盲三通进行了冲蚀仿真模拟,分析了盲三通内冲蚀严重的位置,以及砂粒粒径和带堵头段长度与管内径比例(L/D)对最大冲蚀速率的影响。仿真结果表明,盲三通堵头处和上部拐角处冲蚀情况较为严重。在砂粒质量流量相同的条件下,随着砂粒粒径从0.6 mm降至0.2 mm,盲三通堵头和上部拐角处最大冲蚀速率明显升高,增长幅值约为100%。随着L/D从1增大到3,堵头处最大冲蚀速率明显降低,幅值约40%。上部拐角处先降低、后上升但变化不明显,在L/D=2时最小,变化幅值约17%。仿真结果可对盲三通的结构设计与寿命预估提供一定的参考。

基于交流电源插头的溶解性总固体检测系统开发与应用

基于溶解性总固体(TDS)电极测量方法,研发出一种以家用交流电源插头为测量电极的低成本小型水质TDS检测系统。以Arduino电子原型开源平台为控制及数据处理核心,采用自主研制的激励与信号处理模块和温度补偿模块完成物理量转换,并通过有机发光半导体显示屏实时显示TDS测量结果。以该TDS检测系统为基础,设计了主要性能参数测量和温度补偿基础性实验、影响因素探究拓展性实验及实际水样测量应用实验。结果表明,该系统具有良好的精确度和稳定性,可应用于综合创新实验教学。

“密粒”气固缩核反应平推流反应器模型

气固反应是化工过程常见而重要的反应。恰当的反应器模型能够简化反应器设计,提高效率。本文首次建立了“密粒”缩核反应平推流反应器的设计模型,并分析了一工业数据,结果表明,高度计算值与文献值相差20%,可见,当前模型能够指导反应器的设计,为反应器设计、操作优化提供支撑,具有重要使用价值。

螺旋榨油机喂料段的理论与实践

基于单螺杆挤压机固体输送段的非塞流理论 ,将榨油机的喂料段螺槽中的油料简化为上、中、下 3层 ,通过应力 -速度方程 ,推导出产量与压力降的三次方程。详细讨论了摩擦因数和喂料螺旋的几何参数对最大产量和系统压力的影响。结果表明 ,适当增加喂料螺旋的覆盖长度和榨笼内壁的摩擦因数是提高喂料段末端压力和输送能力的有效途径。实践证明 ,在榨油机的喂料段附加一个带阻转槽的衬套是实现高油分、低粗纤维含量的软油料在榨油机中顺畅喂料的行之有效的方法。

环簇式塞式喷管在固体火箭发动机上应用探讨

对可应用于固体火箭发动机上的3种塞式喷管的结构特点进行了比较,重点讨论环簇式塞式喷管结构性能。基于目前的设计方法,确定了环簇式塞式喷管与钟形喷管的性能比较方法,进行了尺寸及重量分析,并给出了其在战略导弹第一级发动机和高空发动机的应用算例。结果表明,内喷管喉径是影响环簇式塞式喷管尺寸大小的最主要设计参数;在单元数足够多时,环簇式塞式喷管可比相同面积比的钟形喷管的尺寸更小,重量更轻,推力效率更高;明确了环簇式塞式喷管实际应用所需解决的关键问题。

恒流堵塞器冲刷磨损特性的数值模拟

针对油田注水工况下,恒流堵塞器易受固体悬浮颗粒冲刷磨损作用的问题进行了数值模拟.以商业CFD软件F luent 6.1为基础,建立了恒流堵塞器流场三维几何模型,对堵塞器内部流场进行了计算;采用La-grangian离散相模型、Haider曳力公式和随机轨道跟踪方法求解了湍流中颗粒运动轨道;应用Bitter颗粒冲刷磨损模型对冲刷磨损失重进行了计算;对现场测试数据和数值模拟结果进行了对比,证明了数值模拟的有效性;对模拟结果数值上不够精确的原因进行了分析,指出了在注水流量控制装置流体磨损腐蚀分析中充分考虑电化学腐蚀和不锈钢钝化作用的必要性.

注入水中固相颗粒对地层的伤害分析

中高渗透油藏在注入污水过程中 ,常常由于固体颗粒的堵塞而造成油层污染。为选择合适的水质 ,通过对注入水中固体颗粒的粒度、含量分析、伤害机理评价及室内伤害试验 ,指出了固相颗粒对不同参数储层的伤害程度 。

新疆阜康白杨河矿区急倾斜煤层的煤层气开发井型

为了提高新疆阜康白杨河矿区煤层气藏的开发效果,开展了急倾斜煤层条件下直井与顺层井的开发对比研究。分析了急倾斜煤层在垂直井与顺煤层井(直井段+增斜段+稳斜段)两种井型与井网条件下煤层气排采过程中的气水分异、固相物堵塞和压降传播特征及其对煤层气井产气量的影响。结果表明:垂直井在排采中存在明显的气水分异,固相物易集中汇聚并堵塞运移通道且储层压降传递缓慢,难以形成有效的井间干扰;而顺煤层井稳斜段的存在可有效减小气水分异对煤层气的排采负面作用,而且井筒与煤层较大的接触面积,固相物相对分散地运移至井筒,有利于煤层气水向井筒的运移,同时还可形成良好的井间干扰。认为顺煤层井对于单井及井组产量均有显著优势,更适于新疆阜康白杨河煤区急倾斜煤层的煤层气开发。

脲醛树脂堵水新技术

针对油水井实施堵水过程中难以准确控制用量、堵剂浪费大、施工风险高的问题,开展了溶液类堵剂、固相颗粒复合堵水体系研究。在堵水剂挤注过程中固相颗粒不断滤失封堵,自动调整进液通道,最终实现均匀、整体封堵。通过对脲醛树脂在稠化、固相填料两方面的系统研究,形成了脲醛树脂为主体的新型堵水剂。应用中针对不同封堵要求,调整不同稠化及填料质量分数,实现深部处理与炮眼封堵的一体化无缝处理;堵剂挤注压力完全控制在安全范围内并可顺利顶替到位,直接关井候凝,大大降低了施工风险,技术优势明显,取得了较好的矿场应用效果。

几种不同分子结构柴油降凝剂的降凝效果及其复配物的协同效应

研究了几种不同分子结构柴油降凝剂的降凝效果及其复配物的协同效应。结果表明：降凝剂的成核性能以及分散性能主要取决于其分子结构，其分子结构类型对不同降凝剂复配物在柴油中的协同效应有重要影响；透射电镜（TEM）分析结果显示，乙烯-乙酸乙烯酯共聚物（EVA）的成核性能较好，甲基丙烯酸十四酯-马来酸酐-甲基丙烯酰胺三元共聚物（MC14-MA—MCNR^1R^2）的分散性能较强，二者复配后在柴油中具有较好的降凝点和降冷滤点效果。在该复合降凝剂作用下的石蜡晶体颗粒分散均匀，且颗粒变小，约95％的粒径为30～40nm。借助TEM，用冷冻蚀刻法研究柴油的结晶形态以及降凝剂对柴油中石蜡晶体的作用机理是一种非常直观有效的途径。