含天然氣水合物相變的環(huán)空多相流流型轉化機制研究.pdf

1、含天然氣水合物相交的環(huán)空多相流流型轉化機制的研究，是深水油氣及天然氣水合物藏鉆探過程中，井筒內流體力學計算的關鍵問題之一。深水鉆探時，由于井筒中存在天然氣水合物相交問題，使得目前環(huán)空多相流動理論無法滿足工程需求。此理論的突破，對我國深水油氣及水合物資源的開采具有重要的意義。 本文通過實驗和理論分析，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算方法；深水條件下，井筒中天然氣水合物的相變模擬計算表明：水合物的生成速度要遠

2、大于其分解速度，天然氣一旦進入井筒中水合物生成區(qū)域，會在很短的時間內相變?yōu)樗衔?。井筒內溫度會對水合物相變產生很大影響。 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)空多相流流型轉化模擬系統(tǒng)”進行了流型轉化實驗研究，得到結論如下： 隨著注氣量的增大，流型變化歷經泡狀流、彈帽泡狀流、彈帽沫狀流和沫狀流四種流型，而沒有發(fā)現段塞流，并探討了段塞流未出現的原因。隨著混合相雷諾數的增加，泡狀流失穩(wěn)時的臨界截面含氣率呈現先下

3、降再升高的趨勢，因為流動的湍流度對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率增高，對氣泡的聚并有利；另一方面，它使得兩氣泡相遇的特征時間變小，對氣泡的聚并不利?；旌舷嗬字Z數較小時，有利氣泡聚并的方面起主要作用，而混合相雷諾數超過一定數值后，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，混合相雷諾數較高，湍流強度較強，脈動較大。由于強湍流作用使氣泡聚并難以發(fā)生，或由于渦旋的攪動使已經形成的大氣泡被打碎，因此大直徑

4、環(huán)空兩相流中因強湍流運動和大尺度渦旋形成，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率；注氣擾動使得空隙率波的波動程度增加，使泡狀流失穩(wěn)時的臨界截面含氣率降低；當環(huán)空中流型處于彈帽泡狀流時，少量的注氣就會引起流型的轉化；施加注氣擾動，空隙率波的傳播速度呈現二次曲線增長的趨勢；注氣擾動加速了泡狀流的失穩(wěn)。井筒壓力的升高，會使得空隙率波的最大增長

5、率降低，波動程度減小，氣泡的滑脫速度降低，泡狀流失穩(wěn)時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，井筒壓力對泡狀流的失穩(wěn)起到抑制作用。通過Kolmogorov熵計算表明：氣液兩相流的空隙率波動存在非線性特性。擾動使得空隙率波的非線性特征充分表現，從而導致空隙率波傳播特性的變化。 針對含天然氣水合物相變的環(huán)空多相流動特點，增加天然氣水合物相變項，得到質量守恒和動量守恒方程；增加天然氣水合物分解熱項，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)空多相流動模型。通過所編制的“含相變的環(huán)空多相流動分析及井控模擬軟件系統(tǒng)”，模擬計算表明： 鉆進期間，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)域會隨著停鉆時間的增長而增大；壓井期間，水合物的生成區(qū)域會隨著節(jié)流管線內徑的減小而增大。溢流期間，天然氣水合物的相變使得環(huán)空內的氣體體積分數減小，井底壓力增加，關井套壓降低，泥漿池增量降低，環(huán)

7、空內的壓力分布發(fā)生改變；由于環(huán)空氣體體積分數和泥漿池增量的減小，增加了深水井涌的早期檢測的難度；由于水合物相變，關井套壓不能真實反映氣侵的嚴重程度；對于一定精度的泥漿池檢測設備，發(fā)現井涌時，儲層滲透率低時井筒內生成水合物的可能性要大于儲層滲透率高的情況。壓井期間，氣體進入尺寸較小的節(jié)流管線后會迅速膨脹，使得井筒內靜液壓力迅速降低。為了能夠使井底有足夠的壓力，需要快速的調節(jié)節(jié)流閥，維持一定的節(jié)流壓力，因此在深水壓井時節(jié)流壓力的調節(jié)速度要高