油气水三相流数值模拟与持气率测量方法研究

论文摘要

三相流是自然界常见的一种流动形态,其广泛的存在于油田开发的中后期的油井中。油气水三相流动特征的理解、描绘和预报已成为多相流领域研究的热点,采用数值模拟方法研究三相流是一条有效途径。截面持气率的检测是多相流领域中急需解决的问题,针对此问题本文研究了基于光纤探针传感器的油气水三相流持气率测井仪。首先,概述了多相流流型研究现状和目前常用的三相流截面持气率测量方法,并介绍了光纤传感技术。其次,应用计算流体动力学软件fluent对内径为20 mm的垂直上升管内油气水三相进行了数值模拟,依据油水界面特征和气液界面总体特征两方面,对油气水三相流型进行划分,得到了油气水三相典型总流量下的流型图。并分析了管道径向持气率分布特征,各种流型下气相含率最大值基本出现在管道中心,光纤探针应放置在管道中心。再次,针对截面持气率的测量问题,设计了基于光纤探针传感器的油气水三相流持气率测井仪。对光纤探针测量持气率的可行性做了理论分析,认为光纤探针能够测量油气水三相流局部持气率。光纤探针传感头采用单纤直角圆锥形状的蓝宝石棱镜可有效识别气相和液相。设计了传感器的硬件系统和软件控制系统。最后,对光纤探针传感器系统进行了油气水三相流局部持气率测量室内实验。验证了仪器对三相流持气率测量的准确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 油气水三相流研究背景及意义
• 1.2 油气水三相流主要参数
• 1.2.1 油气水三相流速度场参数
• 1.2.2 油气水三相流浓度场参数
• 1.3 多相流研究现状
• 1.3.1 多相流流型研究现状
• 1.3.2 多相流相份额研究现状
• 1.4 光纤传感技术
• 1.5 本文结构
• 第2章 垂直上升管内油气水三相流数值模拟
• 2.1 计算流体动力学与 FLUENT软件简介
• 2.1.1 计算流体动力学理论
• 2.1.2 计算流体动力学软件 Fluent 简介
• 2.2 多相流模型的选取
• 2.2.1 多相流模型
• 2.2.2 计算模型的确定
• 2.2.3 VOF 模型计算原理
• 2.3 数值模拟设置
• 2.3.1 数值计算区域
• 2.3.2 物性参数设置
• 2.3.3 模拟初始条件
• 2.4 数值模拟结果
• 2.4.1 油气水三相流型结构图
• 2.4.2 油气水三相流流型划分
• 2.4.3 油气水三相流流型图
• 2.4.4 径向持气率分布
• 2.4.5 数值模拟结论
• 2.5 本章小结
• 第3章 光纤探针传感器设计
• 3.1 光理论基础
• 3.2 光纤探针传感器测量原理
• 3.3 光纤探针测量持气率的可行性分析
• 3.4 光纤探针传感器探头设计
• 3.4.1 光纤探针单纤和双纤的选择
• 3.4.2 单光纤探针头设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 光纤探针持气率测井仪设计
• 4.1 测井背景介绍
• 4.2 光纤探针持气率测井仪总体结构设计
• 4.3 传感器系统硬件组成
• 4.3.1 光发射模块
• 4.3.2 光接收模块
• 4.3.3 单片机控制模块
• 4.4 系统软件设计
• 4.4.1 系统初始化子程序设计
• 4.4.2 A/D 数据采集子程序设计
• 4.4.3 探针信号处理子程序设计
• 4.4.4 数据发送子程序设计
• 4.5 光纤探针持气率实验结果
• 4.5.1 实验环境
• 4.5.2 持气率实验结果
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介