含天然氣水合物相變的環(huán)空多相流流型轉(zhuǎn)化機(jī)制研究.pdf

1、含天然氣水合物相交的環(huán)空多相流流型轉(zhuǎn)化機(jī)制的研究，是深水油氣及天然氣水合物藏鉆探過程中，井筒內(nèi)流體力學(xué)計(jì)算的關(guān)鍵問題之一。深水鉆探時(shí)，由于井筒中存在天然氣水合物相交問題，使得目前環(huán)空多相流動(dòng)理論無法滿足工程需求。此理論的突破，對(duì)我國(guó)深水油氣及水合物資源的開采具有重要的意義。 本文通過實(shí)驗(yàn)和理論分析，得到了天然氣水合物相平衡條件、生成速率以及分解速率的計(jì)算方法；深水條件下，井筒中天然氣水合物的相變模擬計(jì)算表明：水合物的生成速度要遠(yuǎn)

2、大于其分解速度，天然氣一旦進(jìn)入井筒中水合物生成區(qū)域，會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)相變?yōu)樗衔?。井筒?nèi)溫度會(huì)對(duì)水合物相變產(chǎn)生很大影響。 利用自行研制的承壓、大直徑的“含天然氣水合物相變的環(huán)空多相流流型轉(zhuǎn)化模擬系統(tǒng)”進(jìn)行了流型轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)研究，得到結(jié)論如下： 隨著注氣量的增大，流型變化歷經(jīng)泡狀流、彈帽泡狀流、彈帽沫狀流和沫狀流四種流型，而沒有發(fā)現(xiàn)段塞流，并探討了段塞流未出現(xiàn)的原因。隨著混合相雷諾數(shù)的增加，泡狀流失穩(wěn)時(shí)的臨界截面含氣率呈現(xiàn)先下

3、降再升高的趨勢(shì)，因?yàn)榱鲃?dòng)的湍流度對(duì)氣泡的聚并有正反兩方面作用。一方面，它使得氣泡的碰撞機(jī)率增高，對(duì)氣泡的聚并有利；另一方面，它使得兩氣泡相遇的特征時(shí)間變小，對(duì)氣泡的聚并不利。混合相雷諾數(shù)較小時(shí)，有利氣泡聚并的方面起主要作用，而混合相雷諾數(shù)超過一定數(shù)值后，不利于氣泡聚并的方面起主要作用。大直徑環(huán)空中泡狀流失穩(wěn)時(shí)，混合相雷諾數(shù)較高，湍流強(qiáng)度較強(qiáng)，脈動(dòng)較大。由于強(qiáng)湍流作用使氣泡聚并難以發(fā)生，或由于渦旋的攪動(dòng)使已經(jīng)形成的大氣泡被打碎，因此大直徑

4、環(huán)空兩相流中因強(qiáng)湍流運(yùn)動(dòng)和大尺度渦旋形成，使Taylor泡的形成或氣泡群的聚并受到抑制，難以形成段塞流。 注氣擾動(dòng)頻率與空隙率波的控制頻率接近的情況下，空隙率波具有最大增長(zhǎng)率；注氣擾動(dòng)使得空隙率波的波動(dòng)程度增加，使泡狀流失穩(wěn)時(shí)的臨界截面含氣率降低；當(dāng)環(huán)空中流型處于彈帽泡狀流時(shí)，少量的注氣就會(huì)引起流型的轉(zhuǎn)化；施加注氣擾動(dòng)，空隙率波的傳播速度呈現(xiàn)二次曲線增長(zhǎng)的趨勢(shì)；注氣擾動(dòng)加速了泡狀流的失穩(wěn)。井筒壓力的升高，會(huì)使得空隙率波的最大增長(zhǎng)

5、率降低，波動(dòng)程度減小，氣泡的滑脫速度降低，泡狀流失穩(wěn)時(shí)的臨界截面含氣率升高，井筒壓力變大空隙率波傳播波變慢，井筒壓力對(duì)泡狀流的失穩(wěn)起到抑制作用。通過Kolmogorov熵計(jì)算表明：氣液兩相流的空隙率波動(dòng)存在非線性特性。擾動(dòng)使得空隙率波的非線性特征充分表現(xiàn)，從而導(dǎo)致空隙率波傳播特性的變化。 針對(duì)含天然氣水合物相變的環(huán)空多相流動(dòng)特點(diǎn)，增加天然氣水合物相變項(xiàng)，得到質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒方程；增加天然氣水合物分解熱項(xiàng)，得到能量方程。通過理論

6、分析完善了含天然氣水合物相變的環(huán)空多相流動(dòng)模型。通過所編制的“含相變的環(huán)空多相流動(dòng)分析及井控模擬軟件系統(tǒng)”，模擬計(jì)算表明： 鉆進(jìn)期間，流量越小、抑制劑濃度越低、泥漿入口溫度越低以及水深越大均會(huì)使水合物的生成區(qū)域變大；停鉆期間，水合物的生成區(qū)域會(huì)隨著停鉆時(shí)間的增長(zhǎng)而增大；壓井期間，水合物的生成區(qū)域會(huì)隨著節(jié)流管線內(nèi)徑的減小而增大。溢流期間，天然氣水合物的相變使得環(huán)空內(nèi)的氣體體積分?jǐn)?shù)減小，井底壓力增加，關(guān)井套壓降低，泥漿池增量降低，環(huán)

7、空內(nèi)的壓力分布發(fā)生改變；由于環(huán)空氣體體積分?jǐn)?shù)和泥漿池增量的減小，增加了深水井涌的早期檢測(cè)的難度；由于水合物相變，關(guān)井套壓不能真實(shí)反映氣侵的嚴(yán)重程度；對(duì)于一定精度的泥漿池檢測(cè)設(shè)備，發(fā)現(xiàn)井涌時(shí)，儲(chǔ)層滲透率低時(shí)井筒內(nèi)生成水合物的可能性要大于儲(chǔ)層滲透率高的情況。壓井期間，氣體進(jìn)入尺寸較小的節(jié)流管線后會(huì)迅速膨脹，使得井筒內(nèi)靜液壓力迅速降低。為了能夠使井底有足夠的壓力，需要快速的調(diào)節(jié)節(jié)流閥，維持一定的節(jié)流壓力，因此在深水壓井時(shí)節(jié)流壓力的調(diào)節(jié)速度要高