海上氮气泡沫注入系统研究与应用

摘要

我国对石油资源需求的增加促进了海洋石油工业的发展。随着海上油田开发的不断深入，也出现了与陆上油田相似的诸多问题，如高漏失井、水敏性油藏、油层压力降低等。泡沫流体由于密度小且易于控制、静液柱压力低、粘度高、携带能力强、对油气层伤害小等优点，特别适合这些情况下的钻井、完井、修井等作业。为了将泡沫流体推广应用于海上油田，有必要结合海上油田开发的特点和需要，研究和开发海上油田氮气注入系统。 基于海洋油田开发的环境特点和安全需求，选择海水和氮气作为泡沫流体的液相和气相。采用了Ross-Miles方法和Warning-Blender法对油田常用的发泡剂进行了性能评价，并考察了矿化度、原油、温度等因素对发泡性能的影响，确定了适于海上油田应用的发泡剂产品，并通过实验确定了应用时的最佳浓度。同时根据稳定性实验确定了与发泡剂配合使用的稳定剂体系。 通过实验，研究了温度、压力和气液质量比对泡沫流体密度的影响，根据对实验数据回归得到了不同气液质量比下泡沫流体密度与压力和温度关系的计算关联式，并将计算结果与实验数据、常规计算方法进行对比。利用六速旋转粘度计测量了泡沫流体的粘度。实验表明，各种发泡剂浓度下泡沫流体的流变模式均为幂律模式，通过对实验数据处理得到了满足石油工程应用的泡沫流体流变参数的计算式。 研制出适用于海洋平台及陆上油田使用的氮气泡沫注入系统，其中自行设计的泡沫发生器具有结构简单、耐高压、耐腐蚀、能够连续制备泡沫的优点，可用于各种复杂条件下的施工作业；根据模糊控制理论开发的自动控制系统实现了对氮气泡沫注入系统的实时监控和调节，保证了泡沫发生系统的可靠性，提高了系统的安全性。 根据质量守恒、动量守恒和能量守恒分别建立泡沫流体在油管内和环空中流动时描述其密度、压力、温度变化的数学模型。采用四阶Runge-Kutta方法对油管内的流动进行了求解。计算表明，井筒内泡沫流体的密度、压力和温度是相互影响的，必须根据温度、压力确定泡沫流体的密度。特别是在大泡沫质量的情况下，对深井和超深井不能忽略温度变化对泡沫流体性能的影响。 为了将氮气泡沫注入系统应用于海上油田，利用FLUENT软件计算分析泡沫流体的携砂能力，建立泡沫冲砂洗井的数学模型，采用“恒定环空回压”的迭代方法进行了求解，并编制相应的计算机软件。根据海上油田作业生产的特殊要求，设计开发相应的工艺流程，并进行现场试验和应用。现场应用表明，以泡沫流体作为冲砂洗井工作液，不但能够有效地实现相关的工艺目标，而且具有降低漏失量、减少污染、用量少等优点；研制开发的海上氮气泡沫注入系统安全性、可靠性和适应性好，具有良好的经济效益和推广应用价值。

目录

文摘

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声明

论文创新点摘要

第1章 绪论

1.1研究的背景和意义

1.2泡沫流体在石油工业中的应用现状

1.3泡沫流体理论的研究现状

1.4研究内容

第2章 泡沫流体生成体系的研究

2.1泡沫流体气液相的确定

2.1.1泡沫流体的气相

2.1.2泡沫流体的液相

2.2发泡剂的选择与评价

2.2.1发泡剂的类型与特征

2.2.2发泡剂的性能评价指标与方法

2.2.3发泡剂的评价与选择

2.2.4发泡剂浓度的优选

2.3泡沫流体的稳定性及稳泡剂的确定

2.3.1泡沫的稳定性机理

2.3.2影响泡沫稳定性的因素

2.3.3稳泡剂的确定

2.4本章小结

第3章 氮气泡沫流体的性质研究

3.1氮气泡沫流体的状态方程研究

3.1.1实验装置与步骤

3.1.2实验结果与分析

3.1.3氮气泡沫状态方程式的确定

3.2氮气泡沫的流变性研究

3.2.1泡沫流体的流变模式

3.2.2氮气泡沫流变性能的实验研究

3.3本章小结

第4章 海上氮气泡沫注入系统的研制

4.1氮气泡沫注入系统的构成与工艺流程

4.2制氮系统的设计

4.2.1膜分离制备机组

4.2.2制氮系统的其它设备

4.3泡沫发生器的设计

4.3.1设计参数

4.3.2工作原理与结构设计

4.3.3泡沫发生器耐高压法兰的设计和校核计算

4.3.4泡沫发生器的应力分析

4.4氮气泡沫注入系统的测控系统设计

4.4.1测控系统的功能、机构和工作原理

4.4.2测控系统的硬件设备

4.4.3基于模糊理论的密度控制法

4.5本章小结

第5章 泡沫流体在井筒内流动时的耦合数学模型

5.1物理模型

5.2连续性方程

5.3动量方程

5.3.1油管内泡沫流体的动量方程

5.3.2环空内泡沫流体的动量方程

5.3.3泡沫流体流动的摩擦系数

5.4能量方程

5.4.1油管内泡沫流体的能量方程

5.4.2环空内泡沫流体的能量方程

5.4.3传热系数的确定

5.5状态方程

5.6温度对注入流动中泡沫流体参数的影响

5.6.1注入流动时的数学模型

5.6.2模型的数值求解

5.6.3计算结果分析

5.7本章小结

第6章 海上氮气泡沫冲砂洗井工艺研究与应用

6.1砂粒在流体中的沉降规律

6.1.1砂粒在静水中的沉降规律

6.1.2砂粒在泡沫流体中的沉降速度

6.2泡沫流体携砂能力的数值分析

6.2.1物理模型

6.2.2数学模型

6.2.3计算结果与分析

6.3泡沫冲砂洗井的参数设计

6.3.1泡沫流体冲砂洗井的数学模型

6.3.2计算方法与程序设计

6.3.3计算结果与分析

6.4氮气泡沫注入系统在埕岛油田中的应用

6.4.1埕岛油田老井作业的困难

6.4.2氮气泡沫流体冲砂洗井工艺

6.4.3氮气泡沫流体洗井压井应用实例

6.5本章小结

第7章 结论

参考文献

附录A 泡沫冲砂洗井工艺计算的程序流程图

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢

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