垂直气井井筒环状流场中液滴的动力学模型及其特征研究

Calculation of critical gas rate for continuous removing liquid from vertical gas well (vertical type) is of important basis for the design of gas recovery by water drainage in gas wells. The fact that the acquired information from experiment at low pressure conditions is limited, and that theoretical models don’t fully consider the effect of tubing flowing condtion on the hydrodynamics characteristics of droplets, cause the present studies can’t in depth reveal the mechanism of gas well liquid loading. The project intends to establish a new hydrodynamics model of droplet base on Euler-Lagrange method and experiment data, which consider a series of hydrodynamics event, such as film breakup,droplet collision and breakup to predict the main characteristics parameters of droplet, such as concentration, size, shape and velocity. It will solve scientific issues of unclear understanding of the hydrodynamics characteristics of the droplet in gas well and study the critical gas rate of gas well liquid unloading. What’s more, it has important academic value for understanding the mechanism of gas well liquid loading, and would expand and supplement droplet dynamics.

气井（垂直井型）连续携液临界气流量的计算是气井排水采气设计的核心基础。针对连续携液流动实验在低压条件下所获得的流场信息有限，携液理论模型未充分考虑井筒流动条件对液滴动力学特征的影响，难以深入揭示气井连续携液机理。本项目拟采用欧拉-拉格朗日方法，考虑液膜破碎、液滴碰撞及破碎等动力学事件，以实验模拟测试数据为基础建立液滴动力学新型模型，预测气井井筒条件下液滴浓度、尺寸分布、形状特征及速度等主要特征参数，拟解决当前对携液气井井筒条件液滴动力学特征认识不清的科学问题，并以此研究液滴动力学特征对气井连续携流临界气流量的影响规律。研究成果对认识气井连续携液机理具有重要理论价值，同时也是对液滴动力学的扩展与补充。

气井连续携液临界气流速计算方法是排水采气工艺参数优化设计的重要基础。本研究采用实验模拟、数值模拟及理论建模方法，研究了液滴的动力学特征及携带规律，对于揭示气井连续携液机理具有非常重要的意义。 .（1）开展环状流液滴微观实验，借助高速摄像仪观察液滴的形成、变形及破碎过程，测量气流中最大稳定液滴尺寸、液滴的变形参数及临界韦伯数，并分析影响因素。 .（2）在液滴表面停滞压力计算方法研究基础之上，根据质量和能量守恒建立了层流气流场中低粘度液滴最大椭球度预测理论模型。.（3）建立描述湍流场中液滴动力学特征的数值模型和求解方法，模型中采用流体体积函数法模拟液滴表面的结构，利用直接数值模拟方法模拟液滴周围的湍流场。为了避免液滴加速对曳力的影响和降低计算量，引入体积力使得液滴固定在恒定位置，体积力使用牛顿迭代方法求解。模拟的液滴高宽比和曳力系数与公布的实验数据吻合得很好，同时分析了曳力系数的构成。 .（4）建立了考虑多液滴相互作用下的携带临界气流速预测简化方法，探讨了液滴尺寸及液滴相互作用对液滴携带临界气流速的影响规律。.（5）使用空气和水作为流动介质在内径为30mm和40mm的倾斜管中进行了连续携液实验研究。实验测试了倾角15°~76°、气流量10~160m3/d、液流量1~10m3/d条件下的压力梯度。根据实验可视观察和临界携液条件下压力梯度变化特征，测定不同条件下的携液临界气流速共72组。研究了倾斜角、管径和液流速对携液携带临界气流速的影响。在Belfroid模型中引入了管径修正项和液流速修正项建立了Belfroid修正模型。.（6）首先研究了倾斜管底部液膜厚度及液滴-液膜相互作用界面摩擦系数计算方法，从倾斜管底部液膜受力平衡的角度建立了液滴-液膜同步携带理论模型；在井筒流动参数对液滴-液膜同步携带临界气流速影响规律研究基础之上建立了类似Belfroid模型的经验模型。新经验模型引入了系数Cd,p,uSL,T来考虑井下流动条件对携液临界气流速的影响。