水-胶凝原油两相流体系非线性动力学特性研究

水-胶凝原油两相流体系的流动特性和流动规律研究是油田进入特高含水期后油气集输过程亟待解决的关键问题，所涉及的液液或液固两相流研究也是当前该领域跨学科的难点课题之一。本项目基于多相流理论、非线性科学及信息处理技术、原油流变学和颗粒动力学理论等多学科交叉方法，探索水-胶凝原油两相流体系的动力学机制和规律特性。研究的主要内容包括：水-胶凝原油两相流体系非线性动力学特性机理分析、水-胶凝原油两相流体系流型实验装置设计及模拟实验分析、基于混沌分形理论的水-胶凝原油两相流体系流型识别及流态信号时间序列非线性特征研究以及复杂多因素耦合作用的水-胶凝原油两相流体系数值模拟及实际应用等。项目所获研究成果不仅能够完善、丰富和发展两相流体系学科研究的深度和广度，还将为特高含水期油田制订科学的输送方案、保障我国油气稳产高产实现节能降耗提供理论和技术支撑。

1、创新性地提出了胶凝原油流态化集输思想，即将低于凝点的胶凝原油整形成颗粒状，实现水-胶凝原油不加热水力悬浮输送以降低集输能耗。流态化集输系统中的水-胶凝原油两相流是一个非常复杂的动力系统，复杂的相间作用及边界条件影响着水-胶凝原油两相流动状态，包含着多种非线性非平衡特征，其理论和实验研究均未见相关报道。.2、基于混沌时间序列理论，结合水-胶凝原油两相流流型实验研究，对水-胶凝原油的流型动态特性进行研究。将温度为25℃（低于原油凝点13℃），混合流速范围为0.3~0.9m/s，含水率为70%~95%的水平管道内水-胶凝原油两相流流型定义为四种典型流型：油-段塞流，油团悬浮流，油粒分层流，油粒分散流；并分析了四种典型流型的流动机理，绘制了水-胶凝原油两相流流型图。对四种典型流型压差波动信号的混沌特性，即关联维数及K熵进行了定量计算及分析。结果表明：关联维数及K熵对水-胶凝原油两相流流型变化具有敏感的“指示器”特性。.3、通过Normal、Log-Normal及Rosin-Rammler三种分布函数对胶凝原油颗粒粒径分布规律进行描述，结果显示Rosin-Rammler函数描述粒径分布效果最佳，给出了胶凝原油颗粒的Suater平均直径及最大颗粒直径的预测模型。.4、运用量纲分析原理建立水-胶凝原油两相流压降计算关联式，并通过试验的方法确定出其四种典型流型的压降计算模型。该模型对压降的计算值与测试值进行比较，相对误差在17%以内。.5、对水-胶凝原油两相流中胶凝原油颗粒的动力学特性进行了研究，建立了胶凝原油颗粒所受曳力的计算模型，利用Fluent进行单颗粒运动轨迹模拟，对其运动轨迹影响因素进行分析。结果表明：影响程度从大到小依次为颗粒粒径、颗粒释放位置、颗粒密度以及颗粒初速度。通过原油流变特性测试确定了胶凝原油的流变方程，采用VOSET方法追踪胶凝原油颗粒的界面变化，并分析了各种因素及We对变形度的影响。结果表明：We越大，惯性力相对于界面张力效应越明显，颗粒的变形度越大。.项目所获研究成果完善、丰富和发展了两相流体系学科研究的深度和广度，为我国油气稳产高产实现节能降耗提供理论和技术支撑。