石 油 工 程 多 相 流

        气液两相流,即液体中存在夹带气体,在实际工业生产制造中广泛存在和应用于石油化工、航空航天、食品药品生产、化工品制造、金属冶炼等领域。例如,在石油的开采加工中,开采和输送的过程属于减压析气,在输送油水混合物时,会有气体混入。特别是油井二次采油和三次采油时,除原油本身携带的轻烃等气体外,还会人为注入水、气等物质给油层补充能量开采石油或是改善油气水相互之间的性能,这也是原油夹带气的来源的一种。研究石油工程中的多相流动问题具有重要的意义,我们分别对多相流基础、颗粒动力学及热力学、测量科学与技术、气井排水采气进行了深入的研究,形成多篇论文及一项专利。

 

1.多相流基础

        在多相流基础方面,我们研究了管内螺旋环状流界面波稳定性与液滴夹带机理,气液螺旋环状流是垂直管内的一种重要流型,深入研究两相螺旋环状流流动特点、界面波运动规律及夹带液滴产生机理,探讨气液旋流运动对环状流液膜流动稳定的作用机理与规律,加深对界面波结构及其动力学特征的认识,发展完善的理论模型,具有重要的学术价值,也是研究两相传热、传质、阻力特性及其流动稳定性的关键,可以为相关工业安全运行提供理论支持,具有很高的实用价值。
        深入了解两相螺旋流场特性是开展气液螺旋环状流机理研究的基础。我们通过数值模拟研究了起旋器作用下气液流动分离过程,获得了螺旋流场结构特征;并考虑液滴分布的影响,建立了液滴离心沉积形成液膜的动力学模型,提出了定量描述气液流动分离过程的相似准则数,确定了不同实验尺度、参数间的定量关系,解决了模拟实验结果外推工程原型有效性论证的难题。

图2 管内螺旋环状流示意图

        气液界面大尺度扰动波的产生、运动和发展与两相流流型及阻力变化特性密切相关,直接影响工业生产设备的设计和运行可靠性。基于经典K-H不稳定性理论,利用双流体模型,建立了螺旋环状流中界面波动力学模型,获得了界面失稳的临界条件,给出了稳定性判断准则,得到了气液旋流对界面波稳定性作用取决了气液动压相对大小这一重要认识。(详细内容可查看相关论文1~7)

 

2.颗粒动力学及热力学

        在颗粒动力学及热力学方面,我们首先研究了壁面束缚颗粒流动的动力学及热力学问题。

图3 层流边界层前缘“排移效应”。由于壁面的阻滞作用,流线会有向外弯曲的趋势,这表现为有限大小的y向速度。越靠近前缘,y向速度越大。图中(0,0)点为前缘点,前缘点左侧为自由来流,右侧为顺流平板;颜色表示y向速度的大小。

        边界层流动就是一种在自然界及工业过程中广泛存在的重要壁面束缚流动。这里的“颗粒”是广义的颗粒,包括固体颗粒、液滴、气泡、生物颗粒、聚合物颗粒和各种功能性颗粒等等。颗粒在壁面附近的沉降、夹带、吸附、脱附等都是十分重要的问题,具有重要的实际意义,如管道输送、壁面减阻、沙粒迁移、地貌演化、生物颗粒流动、工业除尘、飞机结冰、航空发动机燃烧积灰等等。边界层流动分为层流边界层和湍流边界层。对于层流边界层,我们的关注点在“前缘”区域。通过数值模拟,我们发现,颗粒随自由来流进入到层流边界层时,在单相流动研究中通常被忽略的“边界层排移效应”(图1)会使颗粒远离壁面;而更重要的是,滑移-剪切升力(Saffman升力)会促使颗粒朝向壁面运动,乃至沉降,这与之前人们认为滑移-剪切升力会使颗粒远离壁面的认识相反。在两者的相互作用下,颗粒呈现出多种运动“模式”(图2)。这些“模式”对于颗粒沉降、分类等具有重要的意义。

图4 颗粒运动的三种“模式”。“排移效应”与滑移-剪切升力的相互作用造成了颗粒运动的三种模式。颗粒呈现哪种模式取决于流动和颗粒的性质。

        对于湍流边界层,由于多尺度及各向异性,只是单相流动的性质就要复杂的多。壁面湍流作为基本湍流流动之一,至今仍有很多未解谜团,如大尺度拟序结构的形成原因及演化过程、内外层相互作用机制、高雷诺数时的特征等等。当引入颗粒相后,两相间的动量、能量和质量交换进一步增加了流动的复杂性。不仅湍流会引起颗粒的“倾向性聚集”,而且颗粒也会“调整”壁面湍流的性质。(详细内容可查看相关论文8~13,相关专利1)

 

        此外,我们正在开展泡沫渗透传质界面的动力学研究。

图5 课题组实验室中拍摄的空气中液滴聚并过程

        气液界面大尺度扰动波的产生、运动和发展与两相流流型及阻力变化特性密切相关,直接影响工业生产设备的设计和运行可靠性。基于经典K-H不稳定性理论,利用双流体模型,建立了螺旋环状流中界面波动力学模型,获得了界面失稳的临界条件,给出了稳定性判断准则,得到了气液旋流对界面波稳定性作用取决了气液动压相对大小这一重要认识。(详细内容可查看相关论文1~7)

 

3.测量科学与技术

图6 V锥流量计内部流场示意图

        和其他类型的混合流动相比,夹带气的存在使得流动过程和状态发生较大变化,使流量测量产生较大误差。传统差压式流量计应用到气液两相流测量时需要进行一定的处理,且其重复性和精确度都处在中等水平。而重复性和精确度较高的V锥流量计的研究多集中在单相流和湿气测量研究上,对含夹带气液体的流量测量研究则非常少。

        我们以天然气开采中存在的高含气率气液两相流在线测量为背景,基于气田单井井口湿天然气测量对低成本、实时性、双参数测量的需求,采用V锥节流装置,通过实验为主、数值模拟为辅的研究方法,从测量机理和测量模型两个研究层面出发,阐述气液两相流在V锥节流装置内的流动特性。获得了流型、截面含气率、摩擦压降以及V锥压力损失等规律,建立了相应的实验关联式;获得了两相流流经V锥后尾涡的动力学特性及变化规律。针对V锥节流装置的“过读”问题,定义了气液两相质量流量系数,获得了流动参数对该系数的影响规律,建立了基于气液两相质量流量系数的湿气气相流量测量模型,修正了由于“过读”导致的气相流量预测偏差。根据气液两相流流经V锥的压力损失能够反映湿气中含液率变化这一特性,提出了采用压损比进行湿气中液相含量测量的新思路,建立了基于压损比的湿气液相流量测量关联式。结合气相流量测量模型和液相流量测量模型,我们提出了依靠单一节流元件对气液两相流气相流量和液相流量同时测量的在线测量方法。(详细内容可查看相关论文14~23)

4.气井排水采气

        井筒积液在油气田开发后期是很常见的问题,随着储层能量的消耗,产气流量不断降低,气体的携液能力持续减弱,若不加以有效的排水措施最终会导致液体在井底的沉积,甚至造成气井的停产。目前排水采气方法种类繁多,却均存在不同的局限和劣势,因此针对液体在井筒中沉积与排出的多相流动,从多相流机理出发探索和优化排水采气工艺变得越来越重要。我们分别对井筒气液两相旋流理论及应用和柱塞气举工艺中的气体携液及逆流密封进行了一系列的研究。

井筒气液两相旋流理论及应用研究:

图7 涡流工具引发的气液两相旋流衰减规律(室内实验与衰减机械模型结果的对比)

        涡流工具排水采气是一种新型的排水采气工艺,国外室内及现场实验发现该工艺通过产生气液两相旋流流动,可以降低流动阻力、提高产气量、降低气井临界气速、延长气井寿命,而且该工艺成本低、利用地层自身能量进行开采,对地层无伤害,应用前景很好。但是目前对该工艺的工作原理及适用条件的不清楚,限制了该工艺的应用。


        本研究从流体力学角度出发,采用数值模拟、室内实验及机理模型的方法,对涡流工具工作机理及适用条件进行研究。主要研究了涡流工具引发的气液两相旋流的相分布、流型、衰减及阻力等变化规律。(详细内容可查看相关论文24~35)

 

柱塞气举工艺中的气体携液及逆流密封研究:

        柱塞气举工艺利用储层能量从井底将积液举升到地面,无需附加额外能量,具有较高的经济性。随着油气田开发对排水采气工艺举升效率的要求不断提高,需要从流动机理和实际运行角度出发实现对柱塞举升系统的完善和优化。然而当前,对于柱塞在气井中运动时气液两相流动过程及举液机理的认识仍然不够深入,给高效举液柱塞的结构型式开发及柱塞系统的操作控制带来了极大的困难。因此,需要对柱塞在两相流场中的密封机理及气液两相流动过程进行深入研究。


相关论文:

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