在天然气开采过程中,气井出砂是危害天然气生产的重大问题之一。气砂两相流动过程的研究对于了解和认识出砂井气砂两相在生产管道中相互作用及运动规律,从而制定科学的生产、开发方案,确定合理的防砂方法,减少对气井生产系统相关设备的损害,降低生产成本,实现天然气的高效、安全、经济生产有着显著的意义。本文在全面了解气井出砂的状况、影响因素、危害以及相关研究现状的基础上,主要开展了下列的研究工作:1. 关于竖直管道内运动流体所携带砂粒上升或沉降的问题,众多研究选择从流体流速入手,认为流体流速即是影响砂粒上升与否的直接因素,并对该流速进行了理论分析。笔者认为,从机理的角度讲,流体中砂粒的受力才是颗粒运动状态的最终判据,而目前尚缺乏此方面的系统研究,因此本文对井筒中天然气携带的砂粒进行了全面的受力分析。按照球形颗粒绕流的情况,针对不同颗粒雷诺数下携带砂粒举升的最重要的力——曳力进行了分析,发现在高压情况下该力比以往常压下的分析结果要大,与颗粒的质量力处于同一量级;在一般的气固两相运动的研究中,气体浮力往往被忽略,本文认为?本文得到教育部重点科技项目“石油输送管道油气多相流动及减阻规律研究”[No. (2000)00108]资助。 I<WP=4>四川大学工学博士论文在井筒特殊的高压条件下,气体密度较常压下大得多,因此产生的浮力不能忽视;此外,在以往的研究当中,由于固体颗粒粒径小,压力梯度力一般也没有被考虑,本文首次对天然气井井口和井底压差产生的压力梯度力进行了分析计算,发现该力虽比颗粒质量力低一个量级,但对颗粒举升而言仍是一个不可忽略的因素。文章还针对排液采气时,被气流携带的液滴的受力以及此时液滴的形变、聚合、破碎条件进行了初步研究探索。2. 利用气体动力学的相关理论,结合井口压力条件、气井油嘴几何条件以及流量条件,完成了油嘴附近管道内速度、压力场的分析和计算。目前工程及文献当中通常应用油嘴处的理论临界压力比来确定流动是否达到临界流动,但根据部分油气田的实际压力测量值以及本文的分析发现,实际的临界压力比与理论值之间有差距,因此该方法不够准确。文章提出音速判别法,即用变管径喷嘴流动各断面之间的关系,对油嘴喉部的流速进行分析和计算,得到的喉部流速再与当地音速来比较,进而确定流动是否达到临界流动。此外,还分析了临界流动或超临界流动状态下油嘴内流体的流动,并采用重整化群(RNG)k-ε 紊流模型对实际尺寸的气井油嘴进行了初步模拟研究。3. 石油、天然气工业领域在研究流体携砂向上运动的问题时,多在实验中用沉降的研究代替上升的研究。本文则利用与气井竖直生产管道尺寸一致的实验模型,进行了流体携带砂粒向上运动的实验研究,用以了解砂粒举升速度与流体流速之间的关系。另外,通过前面的分析可知,携砂气流经过油嘴之后,速度显著增大,形成的高速气砂两相射流对管道、喷嘴以及管道附件如弯头、阀门、堵头等所造成的冲蚀、磨蚀破坏非常严重。前人解决该问题时一般从加强上述管件的材料方面着手,但未能取得明显的效果。本文则另辟蹊径,在对油嘴附近速度场进行理论分析和计算的基础上,考虑用管道中气流高压段除砂的方法来降低油嘴后气砂两相射流对管道及附件的冲蚀和磨蚀破坏程度,提出了一整套的扩径沉砂、主流防砂、引流推砂和稳定收砂的防砂减蚀原理和思路,并根据这些原理设计出水平环空筛管分离装置,并进行了装置模型实验。4. 目前油气井的产出物以油气两相混合居多,因此,流体两相管道流动的理论研究越来越受到重视。分层流是两相流的一种基本流型,早有学者进 II<WP=5>摘 要行过相关研究,但管道两相分层紊流因其复杂性而研究者甚少,更难以得到其解析解。本文针对圆管中两相分层紊流流动的水力特性,提出了旋转坐标轴法,将圆管流转化为平板流来进行研究,并籍此推导了管道两相分层紊流流动的解析表达式以及两相分层流、单相管流的流量积分式。通过掺气实验对两相减阻规律进行了进一步的验证。研究主要取得如下成果:1. 提出了在油嘴上游高压管段安装捕砂器的新方法来去除砂粒,以降低油嘴后气砂两相射流对地面流程管道及附件的严重冲蚀、磨蚀损坏程度。2. 提出了一整套的扩径沉砂、主流防砂、引流推砂和稳定收砂的防砂减蚀原理和思路,并根据这些原理设计出一种可供现场使用的,能有效降低管道中流体含砂量的水平环空筛管分离装置捕砂器。3. 建立了井筒气流携砂的力学模型,可针对每口气井不同的压力、温度、偏差因子等条件,确定该井的携砂生产的最小临界流量。4. 建立了新的气流携液滴力学模型,可用以确定气井连续排液的临界流量,并提出了确定一定产量下气流所携带液滴的尺寸的方法。5. 提出一种确定油嘴喉部气体流动是否为临界流动的新方法,由此可得到一定油嘴口径和井口压力条件下的最大流量和实际临界压力比。同时,理论分析以及数值模拟都证明了气体临界流动状况下,在油嘴喉部之后能够形成激波,并可确定激波面所处的位置以及激波前后物理量的变化。6. 得出了砂粒举升速度与流?