水平井油基钻井液气侵溶解气膨胀运移规律研究

天然气进入井筒并溶解于油基钻井液会对钻井安全产生潜在威胁,溶解气随钻井液运移到井口附近突然发生析出 并膨胀,使气侵早期监测及预警的难度显著增加。为了降低井喷发生概率和钻井作业风险,针对水平井油基钻井液溶解 气运移规律进行了研究。采用气液两相流模型,模拟了不同初始气侵速率情况下甲烷溶解气和游离气随钻井液在水平段 和垂直段的运移过程,得到环空中钻井液的流速变化、甲烷析出过程、井筒环空气液两相流流型变化、泥浆池增量随时 间变化和截面含气率沿程分布等规律。模拟结果表明,油基钻井液发生气侵时的初始进气率存在临界值;在小气侵速率 情况下,侵入环空的甲烷将以溶解气的形式运移到井口,在井口分离释放,对钻井安全构成的威胁较小;而当气侵量超 过临界值时,在环空上部发生气体分离,分离点迅速下移,如不及时控制,在极短时间内便可演化为井喷,危险性极大 。     

水平管分层流下微孔泄漏特性数值模拟和实验分析

在油气田开发过程中，通常采用气液相混输模式，管道受腐蚀等因素影响容易出现穿孔而发生两相流泄漏。为分析两相流泄漏特性，对管内常见流型分层流下的微孔泄漏特性进行数值和实验分析；采用VOF耦合Level set算法分析了不同影响因素下的气液两相泄漏特性，设计了1种管道泄漏收集装置，进行室内两相流泄漏实验，并验证了数值预测模型的准确性。研究结果表明:气液两相流经过管壁泄漏口时会发生相分离，泄漏特性受小孔方位、管路内外压差、气液相流速影响较大；泄漏口位于管路侧壁时的泄漏特性与其他角度下的泄漏特性有所不同，可用泄漏影响区内的气液分布进行解释；当泄漏口位于管路底部时，存在临界液相分流系数，当液相分流比小于此临界值时，泄漏流体为单相液体。VOF耦合Level set算法的数值方法可为管路泄漏量预测和相分离特性分析提供参考。     

表面活性剂体系下气液两相螺旋流压降规律实验研究

通过气液两相螺旋流实验仪器研究了可降解性表面活性剂对气液两相流流型和压降的影响,实验介质设定为空气和水,表面活性剂为天然椰子油,气液两相折算速度0.1~4.0 m/s,体积含气率5%~95%,起旋器为叶轮,实验在室温下进行。实验得到了螺旋泡状流、螺旋线状流、螺旋轴状流、螺旋团状流、螺旋弥散流、螺旋波状分层流等6种典型流型。对实验数据进行分析整理,发现流型对压降起着至关重要的作用,其中螺旋弥散流的压降梯度最小,螺旋波状分层流的压降梯度最大。同时分析了起旋器、含气率、表面活性剂浓度对压降的影响。另外,提出了对于由叶轮起旋的气液两相螺旋流的摩擦压降新的预测公式,理论计算值与实验所得数据吻合良好。     

煤与瓦斯突出两相流传播特性实验研究*

为了探究煤与瓦斯突出后煤粉-瓦斯两相流传播规律,利用自主搭建的煤与瓦斯突出管网实验系统,研究突出后冲击气流压力衰减规律、煤粉运移分布特征。结果表明:在初始压力为0.4 MPa时共突出煤粉3.12 kg,管道内煤粉质量呈正态分布,管道前部煤粉分布较少,占突出煤粉质量33.7%,多为小粒径煤粉;管道中部煤粉分布最多,占突出煤粉质量61%,粒径分布范围广;后部煤粉分布质量最小,仅占突出煤粉质量的5.3%,但多为大颗粒粒径煤粉。煤粉在管道内测点处依次为分层流、均匀流、大颗粒流3种流态,每种流动形态所对应的运移速度与煤粉打击压力均呈现逐渐衰减的规律。突出后冲击气流压力沿管道呈现衰减趋势,冲击气流对管道内所造成的压力扰动可持续 4 s左右。     

甲烷体积分数及巷道结构对甲烷爆炸特性影响研究

为明确甲烷体积分数及巷道结构对甲烷-空气爆炸特性的影响机制,采用Fluent软件建立3种不同结构的巷道模型,对甲烷体积分数分别为6%、9.5%和13%条件下的巷道甲烷爆炸过程进行数值计算,分析爆炸压力和温度的变化特性以及火焰的传播特性。结果表明:当甲烷的体积分数为9.5%时,直巷道中冲击波峰值压力及爆炸温度最高;随着测试距离的增加,冲击波峰值压力不断降低,并且符合指数衰减特征;不同巷道结构甲烷爆炸后压力峰值的差异主要出现在弯道处,其冲击波峰值压力大小为90°巷道直巷道分叉巷道;分叉巷道中经过拐角后的冲击波峰值压力明显下降,对冲击波阻碍作用显著;此外,当冲击波进入弯道并沿壁面传播时,受压缩波、稀疏波及反射波等多波系共同影响,火焰沿壁面传播特性发生改变。     

悬浮铝粉尘的爆轰波结构

使用两相流模型,对管中的悬浮铝粉尘的爆轰波结构进行了理论分析.铝粉尘的爆轰波模型中,气体和颗粒具有不同的速度及温度,并考虑了动量变化及管壁损耗对稳定结构的影响.本文研究了颗粒直径对铝颗粒的点火延迟、爆轰波压力以及温度的影响,得到了爆轰波中各物理量分布,确定了空气中悬浮铝粉尘发生爆轰的临界颗粒尺寸为14μm.     

燃烧管中烟煤粉粉尘云传播参数的试验研究

利用自行设计的长29.6 m,内径199 mm,配有特殊扬尘装置的大犁卧式燃烧爆炸管道试验系统,对弱点火条件下烟煤粉与空气两相悬浮流中的爆炸过程进行了试验研究,用压电传感器测量了管内各测点的压力信号,观测到快速爆燃的状态稳定,分析了爆燃波稳定传播机理.结果表明:在煤粉浓度为300g/m~3及弱点火条件下,悬浮烟煤粉粉尘云中爆燃波能够稳定传播,且稳态传播距离持续20 m以上,峰值超压和波速平均值分别约为70 kPa和430m/s.     

自循环式薄膜蒸发器流场特性数值模拟

自循环式薄膜蒸发器是制造高浓度碱系统中的重要设备,其性能对产品的质量有重要影响。利用软件对蒸发器内流体的二维两相流场进行数值模拟,湍流模型采用双方程湍流模型,气液两相流模型运用了模型中的几何重建方案,选择算法进行计算,分析蒸发器内流体流动的速度场、压力场和温度场的分布情况,同时分析比较了料液在蒸发器内所占的体积百分比的变化对蒸发器内流体流动状态的影响。模拟结果对自循环式薄膜蒸发器的运行具有一定的理论指导意义。     

大尺度管道中煤粉爆炸的试验研究

煤粉爆炸传播特性的试验研究对于深入了解和预防矿井煤尘爆炸事故有重要意义。利用自制的长29.6 m,内径199 mm的试验管道,对煤粉-空气混合物爆炸压力波传播过程进行试验研究。采用压电传感器测量压力信号,得到爆炸压力波沿管道传播过程中不同测点处的压力时间历程曲线,探讨煤粉粒度和浓度对其爆炸超压的影响规律。结果表明:煤粉-空气混和物在弱点火条件下能够实现粉尘火焰的形成和传播。煤粉爆炸压力波传播过程中速度为400~430 m/s,峰值超压为68~72 kPa。煤粉爆炸峰值超压随着煤粉粒度的减小而增大,但煤粉粒度对其爆炸峰值超压的影响程度随着浓度的增加将逐渐减弱。     

湿天然气管道螺旋流水合物浆液安全输送研究

研究了天然气水合物浆液在气液两相螺旋管流中流动特性,分析了以气相为连续相、水合物颗粒为离散相的气固两相螺旋流的流动机理,通过对水合物颗粒受力分析和运动分析,结合螺旋流旋涡结构演化规律,推导出水合物颗粒平动、转动的判断条件,给出了颗粒各种受力的关联式,建立螺旋管流水合物颗粒运动模型,探讨了水合物颗粒的动力学行为。分析水合物浆液流动特性得到临界速度1即水合物浆液从固定床流动向悬浮流转化速度以及临界速度2即水合物浆液从移动床流动向固定床转化速度,为水合物浆液稳定流动提供了理论判据。     

Real-time numerical simulations and experimental research for the propagation characteristics of shock waves and gas flow during coal and gas outburst

When coal and gas outburst occurs, high-speed gas flow and air shock wave with high kinetic energy could be created. In this paper, the formation process of outburst shock waves and gas flow has been analyzed firstly. Afterwards, the numerical simulation models of the roadways with right-angled intersection have been established, by which real-time simulation of the propagation of outburst gas flow and the process of gas transport has been conducted. Gas pressure, gas velocity and gas concentration can be simulated and shown. From analyzing the simulation results, qualitative and quantitative conclusions that the characteristics and patterns of the propagation and attenuation of outburst shock waves and gas flow can be arrived at. Finally, experimental models have been carried out to investigate the outburst shock waves and gas flow at the roadways with the similar shapes as the simulated ones. The results indicate that when shock wave and gas flow passes the intersection, most of the shock wave and gas flow will flow into the roadway of section opposite the intersection, and a little of it would flow into the roadway below the intersection. And turbulence will appear, shock wave reflects and diffracts at branches with more influence on the roadway below the intersection.     

2,5-二甲基呋喃-空气燃烧过程研究

利用球形发展火焰研究了常温常压下不同当量比,不同相态时2,5-二甲基呋喃-空气的层流燃烧速度和马克斯坦长度,分析了火焰拉伸对火焰传播速度的影响。研究结果表明:随着当量比的增加,2,5-二甲基呋喃-空气混合气的马克斯坦长度减少,火焰的稳定性减弱。并且分别计算出当量比为1.25和1.5的层流燃烧速度,分别为:1.189m/s,1.135m/s.。对于同一当量比1.5的情况下,不同相态的2,5-二甲基呋喃-空气混合物,在相同时刻的气液两相混合物的火焰半径已经拉伸火焰传播速度远远大于纯气相的混合物。     

煤与瓦斯突出冲击波及瓦斯气流所致伤害研究

为揭示煤与瓦斯突出过程中冲击波及瓦斯气流传播特性,针对这种突出做功随瓦斯压力、煤的普氏系数和煤的放散初速度变化的特征,运用气体动力学理论,建立冲击波超压、冲击瓦斯流速度与传播距离以及煤层瓦斯压力等参数的关系,计算不同超压下瓦斯气流传播伤害的范围。理论计算与现场测试结果表明,突出冲击波属惰性弱冲击波;波阵面上的超压传播伤害距离与突出时瓦斯膨胀的强度、巷道断面及巷道壁面的摩擦力和局部阻力等因素有关;冲击产生的高压瓦斯气流是造成巷道内大量人员窒息伤亡的主要诱因;突出能量瞬间释放没有补给,冲击波及瓦斯气流会在巷道阻力等因素作用下迅速衰减。     

Numerical and experimental study on the generation and propagation of negative wave in high-pressure gas pipeline leakage

Negative-wave-based leakage detection and localization technology has been widely used in the pipeline system to diminish leak loss and enhance environmental protection from hazardous leak events. However, the fluid mechanics behind the negative wave method has yet been disclosed. The objective of this paper is to investigate the generation and propagation of negative wave in high-pressure pipeline leakage. A three-dimensional computational fluid dynamic (CFD) study on the negative wave was carried out with large eddy simulation (LES) method. Experimentally validated simulation presented the transient wave generation at the leak onset and the comprehensive wave evolution afterwards. Negative wave was proven to be a kind of rarefaction acoustic waves induced by transient mass loss at the onset of leakage. Diffusion due to the density difference at wave fronts drives the negative wave propagation. Propagation of negative wave can be categorized into three states – semi-spherical wave, wave superposition and plane wave, based on different wave forms. The wave characteristics at different states were elucidated and the attenuation effects were discussed respectively. Finally, a non-dimensional correlation was proposed to predict the negative wave amplitude based on pipeline pressure and leak diameter.     

A new leak location method based on leakage acoustic waves for oil and gas pipelines

In order to study a new leak detection and location method for oil and natural gas pipelines based on acoustic waves, the propagation model is established and modified. Firstly, the propagation law in theory is obtained by analyzing the damping impact factors which cause the attenuation. Then, the dominant-energy frequency bands of leakage acoustic waves are obtained through experiments by wavelet transform analysis. Thirdly, the actual propagation model is modified by the correction factor based on the dominant-energy frequency bands. Then a new leak detection and location method is proposed based on the propagation law which is validated by the experiments for oil pipelines. Finally, the conclusions and the method are applied to the gas pipelines in experiments. The results indicate: the modified propagation model can be established by the experimental method; the new leak location method is effective and can be applied to both oil and gas pipelines and it has advantages over the traditional location method based on the velocity and the time difference. Conclusions can be drawn that the new leak detection and location method can effectively and accurately detect and locate the leakages in oil and natural gas pipelines.     

挡板缓冲下煤与瓦斯突出冲击波传播减能机制研究*

为揭示煤与瓦斯突出冲击波在挡板缓冲条件下能量耗散规律,利用流体动力学理论建立突出冲击波在挡板缓冲下的传播特征分析的数学模型,分析突出冲击波沿巷道衰减的影响因素,基于不同的突出压力条件下煤与瓦斯突出物理模拟试验和数值模拟结果,研究沿着直巷道突出冲击波在挡板缓冲下能量的削弱机制和传播规律。研究结果表明:矿井突出冲击波能量的衰减程度主要与突出压力、输运煤粉做功和巷道横截面积有关,突出压力与冲击波传播超压成正相关关系,巷道横截面积是人为削弱冲击波能量最有效的途径;根据不同的突出压力,突出冲击波超压沿巷道主要表现为急剧增大,然后压力逐渐降低;挡板缓冲下反射冲击波与突出入射冲击波叠加的二次加速作用,导致挡板装置断面前后空间局部能量变大,但总体能量是减弱的,降低了突出冲击波的传播距离;通过理论分析、物理试验和数值模拟所得结果基本一致。     

瓦斯爆炸在角联通风管网中的传播特性研究*

为研究真实通风工况下瓦斯爆炸冲击波在复杂管网内的超压演化规律及高温传播规律,采用数值模拟方法,研究角联通风管网模型中各个监测点在不同通风条件下对瓦斯爆炸冲击波超压及高温的影响规律,研究结果表明:瓦斯爆炸冲击波在角联管网传播过程中产生3个局部高压区域,高温气体主要在左、右通路内传播,斜角联分支内只受到微弱影响;管网入口风流的存在,使得爆炸初期冲击波超压经相同距离传播用时更短,峰值更大,破坏力更强;风流的存在使得管网内高温气体传播状态发生改变,斜角联分支与左通路尾部热量发生积聚,温度峰值更大。     

密闭管道瓦斯爆炸冲击波冲量及压力上升速率的实验研究

针对矿井瓦斯爆炸破坏模式主要在压力破坏和冲量破坏的研究,实验分析瓦斯在密闭管道发生爆炸时瓦斯浓度对冲击波冲量及压力上升速率的影响,利用管道中距离点火源不同位置的压力传感器测试了不同浓度瓦斯的爆炸压力,对冲击波冲量及压力上升速率进行分析,为防爆抑爆提供依据。研究结果显示:在管道中距离点火源的不同位置上,当浓度为9.5%时,瓦斯爆炸冲击波冲量及压力上升速率最大;由于超压衰减和传播距离的增加,在距离点火源4m和8m时压力冲量较大;在瓦斯浓度较低的范围内瓦斯爆炸时,其压力上升速率增长较快,而随着浓度的增加在较宽的浓度范围内,能较稳定地维持在高位值。     

管道燃气爆炸特性实验研究

管道是化工及油气储运系统的重要组成部分,却时常受燃烧爆炸事故的威胁,因此对管道中燃气燃烧爆炸特性与规律的研究就十分必要。以甲烷作为研究对象,采用压力传感器以及火焰传感器等对水平封闭管道内甲烷-空气预混燃烧爆炸进行了实验研究,通过大量实验来研究可燃气体爆炸压力与火焰及其传播变化规律。根据实验结果将超压以及气体燃烧的变化情况,对前驱冲击波与火焰面的相对时间及相对位置关系进行了分析。结果显示,管道中会产生前驱压力波,并超前火焰阵面甲烷气体在管道传播过程中,出现冲击波反压射、波叠加及反冲现象,压力的持续时间较火焰光信号持续时间长。所做的工作为油气受限空间中燃气燃烧爆炸特性与规律的进一步研究及工业防爆抑爆技术及工艺的实施、系统设计以及关键参数计算提供了理论依据。