连续油管螺旋段气液两相流流动规律和摩阻压降特性研究

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当流体在连续油管内部流动时会产生很大的摩阻损失,特别是在螺旋管段,流体由于受到离心力的作用会产生垂直于主流方向的二次流,影响流体的流动。在洗井、修井、欠平衡连续油管钻井等作业中,连续油管中的流体呈现气液两相流状态,两相流流经连续油管螺旋段会产生一系列复杂的流动,使得两相流在螺旋段摩阻压降难以确定,导致地面泵压、井口和井底压力以及其他相关水力参数计算困难,因此十分有必要对气液两相流在连续油管螺旋段内的流动进行研究。本文基于Flunet软件,应用欧拉模型,采用计算机数值模拟的方法分析和研究了气液两相流在连续油管螺旋段的流动规律和摩阻压降特性,将缠绕在滚筒上的多段重复的连续油管螺旋段,简化为单元螺旋段进行建模分析,在单元螺旋段内选取四个截面研究气液两相流在连续油管螺旋段内流动特性,通过对数值模拟得到的截面的云图、气液相截面含气率、截面速度等参数进行研究分析,得出连续油管螺旋段内的两相分布变化规律,截面速度变化规律以及二次流流动规律。通过对不同充气量、不同管径、不同曲率比以及不同入口速度情况下,连续油管螺旋段摩阻压降的计算分析,得出了不同情况下连续油管螺旋段气液两相流摩阻压降的变化规律。并且根据数值模拟所得实验数据结合经典公式方法和流体力学知识,回归出两相流在连续油管螺旋段的摩阻压降关联计算式,并且推广到多层情况下使用。研究结果表明,随着两相流在螺旋段内的流动,气液相分离比较明显,且气相主要聚集在管道内侧,液相聚集在管道外侧,随着两相流的流动,两相开始在离心力的作用下改变分布,并最终在二次流的作用下形成两个明显的对称涡流。流体在螺旋段内流动时内外侧的流速分布是不均匀的,靠近管内侧的液相速度最低,管外侧附近的液相速度最高。气相速度与液相速度沿着轴向呈现先下降后上升的规律且二次流强度随着流动而增大。在气液两相在连续油管螺旋段流动时,摩阻压降占总压降的主要部分,螺旋段内气液两相流的摩阻压降梯度与质量充气量呈抛物线的关系,当质量充气量较小时,连续油管螺旋段的摩阻压降随着质量充气量的增大而不断快速上升,当达到质量充气量达到0.8附近时,摩阻压降梯度随着质量含气率的增大而下降。不同质量充气量条件下的摩阻压降梯度随着管径的增大而呈现上升的趋势。螺旋段的摩阻压降梯度随着曲率比的增大而增大。二次流强度随着入口速度的增大而增大,使气液两相流的在螺旋段的摩阻压降梯度更加变大,不同的质量充气量下,摩阻压降梯度随着入口速度的增大而增大。同时,给出了螺旋段气液两相流动摩阻压降关联计算式,并推广到多层缠绕情况下使用。
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