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为了解决井口天然气节流过程中压力能浪费严重、现有透平技术难以直接利用油气介质压力能的问题，对天然气井口压力能利用离心式高压油气透平进行整机建模及网格离散，并将包含若干凝析油及天然气组分的混合介质热物性拟合为压力及温度的函数以构建真实介质热物性模型。采用计算流体力学软件开展真实介质条件下的高压油气透平整机流场数值模拟，获得了高压油气透平在设计及非设计工况下的内流特性及整机性能。研究结果表明：(1)在设计工况下，整机流动状况良好，仅在叶轮流道出现部分分离，透平效率为73.33%，功率为375.93kW；(2)随着压力升高，透平流量及功率逐渐增加，但是进口压力的升高将破坏喷嘴—叶轮的流动匹配，使得流...

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计算流体力学 离心式透平膨胀机 天然气 压力能利用 油气混合介质

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节流油嘴是高压天然气井中控制流量和压力的重要的地面管汇部件。在压后排液和生产过程中，油嘴内的流动为复杂的气液两相混合流动。本文采用SST k-ω湍流模型耦合VOF模型、Mixture模型和Euler-Euler双流体模型对油嘴气液两相流动进行模拟研究。将油嘴两相流动特性计算结果与实际工程数据进行对比，验证了三种模型的适用性。本文分析了天然气或流体流经节流油嘴的流动机理，获得了油嘴几何尺寸、嘴前压力和气液比等条件对油嘴气液两相流动特性和油嘴节流压降的影响规律。本文研究结果对天然气井排液油嘴的设计和排液工艺优化有重要指导作用。

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CFD 气液两相流 数值模拟 油嘴

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本发明公开了一种用于天然气井泡排采气的泡沫雾化器、井筒结构和采气方法，泡沫雾化器包括多孔锥板、喷嘴筒体和雾化器涡流段筒体，喷嘴筒体上开设有喷嘴入口，喷嘴入口从喷嘴筒体的一端延伸至喷嘴筒体的另一端，喷嘴入口为线性渐缩型锥管，喷嘴筒体在喷嘴入口小端的末端设有喷嘴喉口，多孔锥板设置于喷嘴入口大端一侧并与喷嘴筒体连接；多孔锥板的锥面上均匀开设有雾化孔；雾化孔的轴线与喷嘴入口的壁面平行；雾化孔横截面面积之和不大于喷嘴喉口的横截面积；雾化器涡流段筒体设置于喷嘴入口小端一侧并与喷嘴筒体连接。该泡沫雾化器与泡排采气工艺联合应用，能够更有效地将天然气井中的积液排出井筒。

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本实用新型属于天然气处理技术领域，具体涉及一种用于高含硫天然气井口产气预处理及增压系统。包括初级旋风分离器、二级旋风分离器、液固分离器、铝制板翅式换热器、节流阀、压缩机、管壳式换热器、离心水泵，气井来气首先接入初级旋风分离器，然后经二级旋风分离器上部接入铝制板翅式换热器，作为热端输入，初级旋风分离器与二级旋风分离器下部接入液固分离器，所述的铝制板翅式换热器热端输出经节流阀节流再接入铝制板翅式换热器作为冷端输入，冷端输出经压缩机压缩后直接排出或进入管壳式换热器冷却后排出，送往下游净化厂。

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天然气井积液是天然气生产过程中不能完全将伴随开采所产生的液体排出井筒而导致其不断积累的结果，积液问题一直困扰天然气的开采和稳产，探索行之有效的排液采气或排水采气方法十分必要。喷嘴雾化法是近年来发展出的一种新型排水采气方法，其本质是气液两相流中的液滴携带问题。在利用喷嘴雾化方法时发现喷嘴后存在二次积液现象，随着二次积液现象的不断加重，喷嘴出口被完全淹没，极大地削弱了喷嘴的雾化效果。因此，在喷嘴雾化方法的基础上探究如何消除二次积液问题是保证气井连续雾化排水采气的关键。 本文通过自由和非自由条件下射流的对比分析，结合多相流基础理论得出形成气井喷嘴后二次积液问题的原因，并在此基础上提出使用回流的方式解决二次积液问题。此外本文结合分析Turner、Coleman、Nosseir等学者的模型，发现其模型是针对气流中液滴的受力分析所得出的临界携液流速，与气相流量相关，但与液相流量关系不大。本文通过结合前人的模型对临界携液模型进行优化，将液滴破碎、气流携液和液膜运动问题相结合提出一种新模型。 为验证模型准确性和解决二次积液问题，设计加工喉道直径分别为1.4、2.0、3.0、4.0、5.0mm的新型回流式雾化喷嘴，并搭建了可视化模拟气井积液的实验台。将理论研究与实验研究相结合，发现在负压、引射和“喘息”的作用下该回流式喷嘴能够将二次积液有效回流至喷嘴内部，从而进行再次雾化。随着气相流量逐渐增大，气流的携液能力不断增加，但是流体进入喷嘴压缩段所产生的阻力不断增加，当其大于回流负压时将会有部分流体通过回流孔流至喷嘴出口，此时负压回流作用失效，喷嘴的回流效果失效。此外，通过将模型与实验数据进行对比发现，新型回流式雾化喷嘴能够在液相流量为2L·h-1的条件下使二次积液有效回流并再次雾化，在雾化和回流的双重作用下能够使模拟气井不再出现积液现象，在喉道直径为3.0mm时能够得到最佳回流效果。受限于回流量和雾化效果，在液相流量高于5L·h-1时喷嘴后开始产生积液。通过新型回流式雾化喷嘴和传统缩放喷嘴的对比分析发现，本文采用的回流式雾化喷嘴在小液量情况下其雾化效果优于传统缩放喷嘴，而在大液量情况下则是传统缩放喷嘴的雾化效果更佳。

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回流 积液 排水采气 气液两相流 天然气井 雾化喷嘴

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在新的时代，煤炭由于其自身的缺陷，在使用过程中不可避免的对自然环境造成破坏，需要寻找替代能源。天然气则因为其热值高储量大，成为国家重点开发能源。然而，天然气工业却遇到了一个常见并且重要的问题，因此被限制了发展的速度。天然气井产气的中后期常常会遇到井下积液的问题。井下积液严重的天然气产区在投产一段时间后，会被迫停产。因此，发展天然气井的排水采气技术，是保证天然气工业发展的重点。 文中提出并设计了节流缩放喷嘴与回流式雾化喷嘴；搭建了模拟气井积液的实验平台，加工了不同喉道直径的缩放喷嘴以及回流式雾化喷嘴。研究环雾状流理论的同时结合实验成果--节流喷嘴向大空间喷射雾化实验中液滴颗粒捕捉实验，设计了针对缩放喷嘴的实验工况。实验研究分两项进行：气井积液动态实验和积液工况下节流喷嘴的排液能力检测实验，对各项实验数据分别进行了总结分析。通过进行气井积液模拟实验，可以直观地模拟新开采气井从大产气量到积液严重影响产气效率的全过程，在实验中也能直观的观察缩放喷嘴以及回流式喷嘴在井下的表现。通过在相同工况下记录不同喉道直径的实验数据，得出了喉道直径对于节流喷嘴排液效果的影响趋势；同时对比单扩散喷嘴的实验数据，发现缩放喷嘴相对于单扩散喷嘴能够有效地降低管内流体的能量损失。 最后，利用Sachdeva无滑移模型与Al-safran滑移模型对设计工况下的临界压比与流量进行预测。通过对结果的误差分析发现，滑移模型相对于无滑移模型对节流后流量的预测较为可信；随着节流喷嘴喉道直径的增大，预测模型的误差会逐渐减小。喷嘴喉道的增大有利于对喷嘴排液的预测。

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节流 排水采气 缩放喷嘴 天然气井

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本发明公开了一种用于天然气井中积液雾化的回流式雾化器，包括回流式射流管筒体，该回流式射流管筒体内自下而上依次为喷嘴入口段、喷嘴喉管和回流式射流管内腔室；其中，喷嘴入口段为由下至上线性减小型锥管，喷嘴喉管为直筒，回流式射流管内腔室为由下至上线性增大型锥管；在喷嘴喉管处的回流式射流管筒体筒壁上自下而上开设有若干与喷嘴喉管末端相连通的回流孔。进一步，在喷嘴入口段处的回流式射流管筒体外壁上自下而上开设有若干密封槽，工作时，回流式雾化器设置在天然气井筒内，回流式雾化器与天然气井筒内壁之间留有回流环隙，且回流式雾化器与天然气井筒内壁之间通过设置在若干密封槽内的密封圈密封。

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煤炭、石油等常规化石能源在使用的过程中不可避免的会对环境带来较为严重的污染，天然气资源因其储量多、热值大且燃烧污染轻微等特点正逐渐受到国内外用能单位的青睐。鉴于此，我国也同时加大了对天然气资源的开采力度。然而气井产气的中后期常常会遇到积液问题，严重时甚至会导致停产。因此，有必要发展排水采气技术，为积液气井的连续高效生产提供保障。 本文比较研究了多种排水采气的技术原理及其优缺点，对气井内涉及到的多相流理论进行了分析，并在此基础上提出了天然气井超音速喷嘴雾化排水采气方法。改建了模拟气井积液的实验平台，设计加工了超音速喷嘴和传统气井用节流直喷嘴，对这两种喷嘴进行了比较研究，两喷嘴的喉道直径以及长度均分别为2 mm和20 mm。对所设计的超音速喷嘴进行了理论分析和数值模拟，结果显示，出口处最大速度完全可以实现超音速的效果，且压力波动较小。实验研究分三项进行：单相气体实验、积液动态实验和相同积液工况下两喷嘴的对比实验，对每项实验数据分别进行了总结分析。通过分析单相气体实验的数据，得出了计算该超音速喷嘴流量的公式；进行积液动态实验，可以观察到超音速喷嘴在井筒中雾化积液的全过程，分析出了该方法在排液过程中现存的的优缺点；相同积液工况下与传统节流直喷嘴进行对比实验，发现即使在喷嘴出口处出现二次积液时，超音速喷嘴同样可以对气井积液起到一定的消除作用，而且相比于直喷嘴更有利于降低气液两相的压力梯度，提升气体的携液能力。 本文同时对油气井内多相流体节流状态下的流量以及临界压比的计算模型进行了研究，在前人模型的基础上通过修改假设推导出了新的计算模型，根据推导过程中是否假设气液间存在滑移而将计算模型分为无滑移模型和滑移模型。利用实验所取得的实验数据和文献中公开发表的节流实验数据对计算模型进行评估后发现，无滑移模型用于计算多相流体节流时的临界压比更为合理，而滑移模型计算多相流体的质量流量更为准确。采用滑移模型对以上实验数据进行质量流量的计算，计算可以达到平均误差为0.117%，绝对平均误差为8.754%以及标准误差为0.729%的较高准确度。

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超音速喷嘴 两相流 排水采气 天然气井 雾化

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近年来，迫于能源需求日益紧张以及环境保护要求不断提升这两方面的压力，我国加强了对天然气资源的开采。然而大多数天然气井进入到生产的中后期后，会发生气井积液现象造成气井生产效率下降，严重时甚至停产。排液采气技术正是解决此类问题最有效的手段，但现有工艺技术还不够完善。鉴于该背景，有必要研究新的排液采气技术。 本文比较研究了各类排液采气方法的原理及优缺点，分析了气井井筒内的多相流动状况以及喷嘴雾化理论，在此基础之上提出了天然气井中超音速喷嘴雾化排液采气方法，依托苏里格气田的生产条件设计了超音速喷嘴，设计并加工了拉法尔及文丘里两种超音速喷嘴各6个，喉口直径分别为1.0 mm，1.2 mm，1.4 mm，1.6 mm，1.8 mm和2.0 mm，文丘里喷嘴喉口段长为2 mm，完成了该种排液采气工艺的总体设计。应用ANSYS FLUENT 软件对设计好的喷嘴进行了流场分析。FLUENT 模拟结果表明这些喷嘴都能将气流加速至超音速，且气流稳定性较好。为了验证喷嘴的喷雾效果，搭建了喷嘴雾化特性实验台，采用马尔文实时喷雾粒度分析仪对雾化液滴的粒径分布进行了测量，实验结果表明本文所设计的超音速雾化喷嘴可以达到很好的雾化效果（最大液滴约为35 μm）。在气液比较大时，拉法尔喷嘴的雾化质量要优于文丘里喷嘴，且对所有的喷嘴，雾化细度随气液比增加而改善。实际应用时，气液比越小对喷嘴的选取要越慎重。对喷雾粒度实验结果的分析表明，雾化液滴具有椭球体特征。根据雾化液滴的椭球体特征对气井临界携液模型进行了修正，提出了计算气井临界流速的“椭球体模型”，其计算结果约为Turner模型的34 %。 本文同时开发了井筒压力分布计算软件，并根据气井实际生产数据对几类临界携液模型的计算结果进行了比较。对分析所得的积液气井进行了临界粒径计算，将计算结果与实验测得的雾化液滴粒径进行比较来衡量雾化排液采气方法的可行性。结合苏里格气田气井的实际生产数据进行临界分析来对比各类临界携液模型，结果表明本文中所提出的椭球体模型预测结果较准确，发现井底压力为8~12 MPa的气井会发生积液，符合实际情况，并根据计算结果拟合出了一个适用于该气田的根据井底压力粗略估算临界流速的计算公式。积液气井的临界粒径计算结果分别为726 μm，242 μm以及117 μm，远大于实验测得的最大雾化液滴的粒径值35 μm，印证了本文所设计的雾化排液采气方法在合适条件下可以实现气井的排液采气。本文的研究表明，天然气井中超音速喷嘴雾化排液采气方法具有许多优点，具有很大的应用潜力。

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天然气井积液排液采气雾化超音速喷嘴

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本发明公开了一种天然气井超音速喷管雾化排水采气装置和方法，该装置包括设置在井筒管壁上的超音速喷管，该超音速喷管的中心从下至上依次为超音速喷管渐缩管、超音速喷管喉部以及超音速喷管渐扩管；其中，超音速喷管通过超音速喷管固定和密封装置设置在井筒管壁上，且超音速喷管位于井筒底部液面之上。本发明超音速喷管能够将井筒内天然气连同携带的水达到超音速流动，且天然气流速可以达到6倍音速。在这种超音速流动中，液体被剪切和撕裂成极其微小的液滴，液滴以雾化方式和天然气均匀混合在一起而被排出井筒，进而依靠天然气自身能量就可以持续稳定地将水完全排出。本发明解决了气井排水采气难题，对天然气生产具有重大的经济价值。

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