石油石化

发布时间:2017-08-31 16:59来源:admin 0 点击收藏

石油石化

在石油石化领域,几乎所有流动问题均为多相流,例如油、气、水、砂等。石油勘探、开采以及输送过程中,通过数值模拟的方法,对相关流动问题进行预测分析,可以大量减少实验的工作量,并获得详细的流动信息,对生产实践有重要的指导作用。

 

多相的管道输送问题

 

油井生产出的流体是含油、气、水和固体杂质的多相流。目前几乎都是采用气液两相流模型来近似模拟这种流体的输送过程。

两相流的流动状态不稳定,目前国外已有几种用于油田管道的两相流动态模拟软件。这种软件用于分析由于管线起伏等因素引起的不稳定流动和停输、启动等工况。其中功能最强和最著名的事OLGA软件,它由SINTEF/IFE开发,用于北海油田等油气管道的计算。

 

海洋油气开发中的多相流技术

 

2  海洋油气开发中起重要作用的多相流技术

原则上,陆上油田与多相流有关的问题在海上油田都会遇到,且由于海上油田环境条件的特殊性和复杂性,使海上油气开发所设计的多相流问题更复杂、更困难、更具挑战性。

 

2.1 与油藏有关的多相流技术

油气藏储量分析和评估是油气开采的前提和条件。确定油藏储量属于多孔介质的多相渗流问题,牵涉到流体力学,地质力学和土力学等学科领域,是力学与地质、力学与工程相结合的一个典型问题。由于不同岩层中不同的渗透特性,线性的Darcy渗透定律很难满足各种各样的实际情况。如何根据不同的岩层特性确定相应的渗透规律,建立相应的多相渗透模型。进而得到油藏的储量及其在地层中的分布,仍是油藏多相流技术的关键;

油井的定位和开发方法的确定需要对油田储量分布的动态变化规律有清楚的了解,进而提出不同岩层中非定常三维多相渗透流技术。由于该技术的复杂性,其研究工作还处于初级阶段,建立合理的模型并寻求适当的求解方法成为当前该技术发展的重点。

 

2.2 与开采有关的多相流技术

由于描述水平油井的水库理论是在假定油井水平位置的压力恒定,且忽略了两相流动特性的条件下推导出来的,该理论无法预示水平部分相对较小的压差,而该压差可以导致垂直油井中很大的压力误差。因此急需建立一个预示多相流态,计算流体存积和沿水平部分在流动方向质量流量增大的压差模型;

绝大多数油气并非是垂直布置的,通用的经验公式和现行的用来计算摩阻损失的力学模型都是从垂直管流试验中推导出来的,只要油井有几度偏离垂直位置的倾斜度,就会对流态产生的影响,从而对流体存积和摩阻压力损失带来影响。现行多相流的力学模型必须经过适当修改后才能适合有倾斜和外伸的油井。因此,建立稳态流动条件下有倾斜度的管道中俄多相流动的力学模型依然是试井和测井的关键;

到目前为止,还没有一个全面的力学模型用于计算下坡管段的多相流动问题。该问题的研究对向油井注水、注蒸汽、注聚合物,对采油平台下导管中的流动等都非常必要。现行的力学模型只能预示流态分界点,无法计算压力梯度;

随着二次采油和三次采油技术的使用,注入液、采液和地层多孔介质间的多相渗流问题已成为一个重要的科学问题;

现行的双流动过度准则仍有许多简化和限制性假设,导致该准则在实际的多相流分析中并不实用。油井中的瞬变流量的计量虽不重要,但它对石油生产和储运操作都将产生重大影响。油井中的摩阻损失是在稳态的假设下得到的,当油井达到稳态流时,用当时记录到的表面压力数据分析瞬变油井运行过程是不准确的。因此需要建立瞬变井筒模型,为外插计算从储油层到油井表面的瞬变流量提供该井的方法。

 

2.3 与输送有关的多相流问题

水平和垂直管道中气液两相流动的稳态和瞬态流动特性研究:包括流态随气液比和压力的变化规律和发展情况;压降,阻力随流态的变化规律;相变及多相混输规律;段塞流的形成、发展和控制机理;

斜坡地域的管道系统中的摩阻损失,流态判别,流体存积的研究尚未完全得到解决。当管道的倾斜度发生变化时,多相流的流态和流动参数也将随之发生变化,斜坡上升段和峡谷下降段的管道系统的多相流动特性均需进行详细研究;

当油气水在水平管道和近似水平管道中混合流动时,需要一精确的力学模型来描述其流动特性。由于管道底部出现游离水时会导致管道的腐蚀问题,多相流态对预示管道中是否存在游离水显得非常重要。同时,油水混合流变特性和乳化特性(油包水或水包油)对管道中的摩阻损失有重要影响;

进一步改进多相流力学模型,提高近似汽团状流体存积,界面摩阻系数,斜管中Taylar气泡成长速度和精度,进而提高近似摩阻损失的精度。我们可以利用广泛的实验室和现场实验数据来验证并改进所建立的物理模型。例如Barnea提出的统一流态模型。已经在低压的空气/水混合管流试验中得到验证,但该统一模型用于高压多相流体的可行性很少有人涉及;

流态和压降可靠性预测。多相流研究的另一集中领域是可靠性预测模拟的开发,以确定段塞流的产生和分布、段塞流长度、高度、频率、体积,流态及压降的计算,虽然许多模型可用于预测压降,如Taital和Duklei模型等,但这些模型的可靠性和准确性,特别是用于长距离,大口径管道的可靠性和准确性还没得到证实。

 

2.4 与运营有关的多相流技术

平台上使用多相泵可以提高某些井采液的压力以便达到一级分离器的入口压力,利于高含水井的启动,实现未经处理产液的长距离输送;海底井口多相泵能减少井口压力,提高一井口或多口井的产量。补偿高含水井立管液柱的背压,实现长距离卫星油田的正常生产。所以,多相流体的泵输、增压的效果和性能,多相流动和流态对泵及泵性能直接影响到混相输送的实现和生产系统的正常运营,使得与多相泵有关的多相流技术成为海洋油气开采生产系统的关键技术之一;

水下多想分离器能实现生产水的就地回注,既减少输送量,又省去了注入海水的淡化处理,还减少了摩阻损失、背压、管道尺寸,可有效避免水合物的生成。同时,对低气液比的油井,即可将分离出的其会注地层以提高产量,还可节省平台上的天然气处理设施。可见,多想分离器是海洋石油水下生产系统中一举多得的关键设备,与紧凑,快捷,高效的多相分离器相关的多相流技术将成为研究的重点;

多相流的流量计量是一个远未解决但具有普遍意义的理论和技术问题。从理论上它牵涉到多相分支流动,多相流场反演,多相流场扰动,多相流态等问题;从生产上它牵涉到简化生产过程和改善工艺流程控制。所以石油公司和石油开发设计人员越来越多地谈论多相流测量和多相流量计量问题。一般认为,除非多相测量技术得到改进,否则无法知道无人值守的卫星平台,特别是先进的水下生产系统的生产过程中实际发生了什么。缺乏多相流测量系统,将来的油田提高采收率系统就无法有效地操作。从而使多相流计量问题变得越来越突出和重要;

多相混输时启动和停输的可靠性问题是一个典型的瞬态多相流动问题。要求得到局部和整体系统的稳态和瞬态流动压力与流动特性,为系统的安全提供运行参数。同时水合物、结蜡、乳状液的性质研究以及它们的形成机理和预防措施也是流动保障技术研究的重点。

 上述多相流问题已经吸引并将继续吸引越来越多的从事多相流技术、石油工程技术的海洋工程技术领域的专家、学者进行深入细致的研究。

 

油气水砂多相分离问题

 

介质分离器的发展,无论在陆上还是海上油田都受到密切关注最近有研究提出一种集油气水砂分离于一体的新的复合分离器,用离心、膨胀原理的复合旋流器先进行气液或气液固分离,然后用梯型管和螺旋管进行油水精细分离,并把上述功能集中在一个分离器中实现.这一方法使油田上采用了多个分离器的工艺流程,减少为单个分离器装置,这样大大减轻重量,缩小体积

 

水合物生成的过程仿真

 

石油开采和输送过程中形成的水合物容易在管道内聚集,堵塞管道,有碍正常生产,针对以上问题,提出了运用 CFD 有限元仿真软件,在以往研究的基础上采用增强壁面函数法,对管道近壁处网格进行边界层划分,并且Di-Felice 拽力模型导入仿真软件中,实现对输送管道内液、固两相流动的数值模拟分析,同时对水合物的粘度、颗粒平均直径、输运管道内颗粒体积浓度对水合物聚集的影响进行分析研究。

 

多孔介质内的流动

 

由于计算机技术的飞速发展和计算方法的成熟,数值模拟成为了研究各种工程和科学问题的一种方式,多孔介质两相流动也不例外。对于数值模拟最为重要的事能够给出正确的控制方式和边界条件,以及采用合适的计算方法。由于近些年对于多孔介质两相流动的理论分析越来越多,也推动了这方面数值模拟研究的进展。理论分析往往是与数值模拟和实验互相联系的,一般是研究者通过理论分析建立起流动的控制方程,通过数值模拟结果和实验结果的对比来验证理论模型的正确性。

 

非牛顿流体的数值分析

 

采用双流体模型来描述宾汉流体和幂律流体与颗粒间的密相湍流流动,其中应用了宾汉流体和幂律流体的三维本构方程,为数值计算奠定了理论基础.采用速度协变分量作为求解变量,利用交错网格和同位网格以及IPSAR求解算法对直圆管、弯道及泵叶轮内的宾汉流体与颗粒间的两相湍流流动进行了数值计算,并初步分析了宾汉流体屈服应力、幂律流体流动指数、颗粒直径和颗粒体积浓度对流动的影响

 

油藏数值模拟

 

油藏数值模拟是指利用计算机求解油藏数学模型,模拟地下油水流动,给出某时刻油水分布,以预测油藏动态。是随着电子计算机的出现和发展而成长的一门新学科,在国内外都取得了迅速的发展和广泛的应用。

 

泡状流的数值模拟

 

气液泡状流广泛出现于航空航天、石油化工、核工程技术等领域,且多为复杂湍流泡状流.在工程领域中,准确预测这种复杂泡状流的含气率、气一液速度、气泡直径等参数对工业设备安全与优化分析十分重要

 

湍流流动的颗粒输运

 

建立一个两维气固两相湍流扩散流数学模型,并且用此模型数值模拟了气固两相绕流后台阶的湍流流动.预测分析了台阶后固体颗粒的湍流输运速度,并将预测结果与Laslandes等的用两种两流体模型(k-ε-A p ,k-ε-k p )的数值预测结果及实验结果进行了比对,结果表明扩散流数学模型可以用于描述气固两相流动.它的预测效果不但与目前实用的两流体模型相当,而且还可以正确地预测固体颗粒的横向速度,在这一点上还超过了两流体模型的预测效果

 

凝析油三相分离

 

三相分离器利用降压闪蒸的原理,对未稳定凝析油、气相水中部分H2S和轻质组分进行初步分离,同时分离气田水和未稳定凝析油,提供缓冲空间,以保证后续处理设施进料平稳。

 

石油泄漏的扩散

 

石油泄漏的扩散是指石油开采、运输、装卸、加工和使用过程中,由于泄漏和排放石油引起的污染,主要发生在海洋。

根据计算流体力学建立海底海泥区域与海水区域的流固耦合传热多相流模型,海泥区域视为饱和含水多孔介质。运用软件模拟了裸至在海底的热油管道在输送过程中泄漏后原油在海泥和海水中的分布情况和温度场的变化情况,并对不同的泄露点进行了分析。

 

多孔介质流动

 

在石油勘探与开采过程中,需要进行岩层内复杂流动的数值模拟,考气、水等组分的流动与相间传质,流体与岩层之间的相互作用如扩散、吸附等,并比较各种提高采收率的方法,分析得出合理的采油方案。

 

海上钻井平台

 

海上钻井平台持续受到波浪的冲击,对平台支撑造成严重的非稳态载荷,会导致钻井平台的损坏。

通过CMFD方法,对该自由界面的流动进行模拟,可分析不同形状的波浪对钻井平台的冲击作用,计算支撑架受到的压力载荷、曳力以及力矩,分析钻井平台的安全性。该过程中的复杂界面波动,需要精确的界面追踪方法结合合适的湍流模型。

 

混输泵分析与优化

 

石油开采过程中常遇到气液固多相混输的情况,在泵内的流动非常复杂。采用多相流数值模拟的方法可以对泵内的复杂流场进行分析,获得混输泵内各相组分及流动信息,对混输泵的设计和优化具有重要意义。

 

阀门流动的数值模拟

 

气举阀在石油开采过程中有重要意义,可以对促进石油的提升,降低能耗采用数值模拟的方法,探讨了气举阀的阀孔直径、安装方式、入口条件等对石油提升效果的影响,分析了阀孔最优化设计及运行方式。

 

油水分离

 

油气水砂等多相的分离是石油开采过程中极为关键的步骤,该过程涉及到复杂的多相流动与分离。采用多相流数值模拟的方法,可对多相分离器进行模拟分析,通过各相之间的流动与分离,评估分离器效果,供优化改进的措施

 

段塞流

 

段塞流是水平气液输送管道中的一种常见流型,会造成剧烈的压力波动和对管线的应力冲击。数值模拟方法可以预测段塞流发生的位置和频率,并分析产生段塞流的原因,提供预防措施,为安全生产提供保障。

流化床

 

流化床反应器因其良好的传热、传质和混合性能而被广泛应用于化工、石油能源、冶金、农业和环保等诸多领域。传统的过程研究与设计方法仍然采用逐级经验法,这种方法不但耗费大量的人力和物力,而且产业化周期较长。,多相流CFD方法能为工程设计提供反应器内流动、传递和反应的局部及整体的瞬态和时均信息。随着计算机计算能力的不断提高,和数值计算方法的发展,基于数值计算的多相流CFD方法正逐渐成为工业过程设计方法的重要组成部分。

 

相变流体在高密度潜热输送中的研究进展

 

相变流体由于在相变前后都能保持流动状态,可以像普通流体一样通过泵和管道系统输送。由于存 在固一液相变,相变流体储能密度及输送密度远高于相同温差下的水,因此可以使循环流量大幅降低,从而降低循环能耗,实现节能。综述了相变乳状液、相变微胶囊、水合物浆在蓄能及潜热输送方面的研究进展,并对其发展前景进行了展望。

 

水平管油水两相分层紊流流动的数值分析

 

采用VOF模型对水平管油水两相分层流动进行了数值模拟,分析了两相表观速度以及粘度、密度等物性参数对截面相含率和压降的影响,计算结果表明:截面相含 率主要由两相表观速度比决定,受粘度和密度等物性参数的影响较小;而压降受两相表观速度和物性参数的影响都较大.

 

 


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1 海洋油气开发中的多相流技术_吴应湘 下载地址
2 油气水砂多相分离的新方法_张军 下载地址
3 相变流体在高密度潜热输送中的研究进展_邹得球 下载地址
4 水平管油水两相分层紊流流动的数值研究_顾汉洋 下载地址
5 裸置海底自沉降热油管道泄漏扩散的数值研究_安利姣 下载地址
6 凝析油稳定装置运行评述及操作优化_叶波 下载地址
7 An_Introduction_to_Multiphase_Flow_Measurement 下载地址
8 Using CFD Analysis to improve flare gas 下载地址
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