颗粒在超临界二氧化碳中沉降规律的实验研究

摘要

随着石油资源的需求增加及传统常规油藏油气资源的枯竭，高效开发非常规油气藏就显得日益重要，而超临界二氧化碳流体钻完井技术在非常规油气资源开发方面拥有巨大潜力。其中，超临界二氧化碳如何高效、安全地携带支撑剂与地层岩屑是该技术的核心。目前超临界二氧化碳与颗粒之间的两相流动机理尚不明确，由于颗粒在超临界二氧化碳流体中的沉降规律是研究其两相流运动的基础，因此正确认识超临界二氧化碳流体内颗粒沉降规律，建立有效沉降模型，对超临界二氧化碳钻完井技术的发展具有巨大的理论和实际意义。 首先，根据对颗粒在超临界二氧化碳中的受力情况建立颗粒沉降过程中微分方程，通过有效选择雷诺数与曳力系数之间关系式以及超临界二氧化碳密度、粘度计算方法，综合分析Basset力与虚拟质量力的影响，提高模型计算的精确度，并运用四阶龙格库塔法进行求解，最终建立颗粒在超临界二氧化碳中的沉降模型。 其次，设计并加工制作一种多功能超临界二氧化碳实验装置，对不同颗粒于不同温压条件下在超临界二氧化碳中的沉降过程进行实验，运用高速摄影装置测量其沉降末速。实验研究结果与理论模型计算结果具有较好的一致性。 最后，对超临界二氧化碳流体内颗粒沉降规律进行了模拟研究，结果表明随温度的增加，沉降末速逐渐增加；随压力的增大，沉降末速逐渐降低，且在临界点附近均会发生较大幅度的变化；随颗粒直径的增大，沉降末速逐渐增大。通过模拟研究验证了理论模型及实验研究的正确性。 本文综合理论分析、实验研究和数值模拟的方法，初步建立颗粒在超临界二氧化碳内的沉降模型，研制出一套多功能超临界二氧化碳实验装置，为超临界二氧化碳颗粒两相流研究、超临界二氧化碳钻完井技术的发展奠定了理论基础。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 选题目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 超临界二氧化碳的性质

1.2.2 颗粒两相流

1.2.3 颗粒沉降规律研究现状

1.3 论文研究目标、研究内容及方法

1.3.1 研究目标及研究内容

1.3.2研究方法

第二章 颗粒沉降模型的建立

2.1颗粒在超临界二氧化碳流体中沉降时受力分析

2.1.1 颗粒在液体中受到的阻力

2.1.2压力梯度力

2.1.3 虚拟质量力

2.1.4 Basset力

2.1.5 Magnus升力

2.1.6 Saffman升力

2.2 二氧化碳物性参数分析计算

2.2.1 二氧化碳密度计算

2.3.2 二氧化碳粘度计算

2.3 颗粒曳力系数

2.3.1 球形颗粒曳力系数计算

2.3.2 非球形颗粒曳力系数计算

2.4 颗粒沉降末速

2.4.1 球形颗粒沉降末速计算

2.4.2 非球形颗粒沉降末速计算

2.4 本章小结

第三章 颗粒在超临界二氧化碳中沉降的实验研究

3.1 实验装置

3.1.1 沉降装置设计

3.1.2 高速摄影装置：

3.2 实验流程及实验结果

3.2.1 实验流程

3.2.2 球形颗粒实验结果

3.2.3 非球形颗粒实验结果

3.3 本章小结

第四章 颗粒在超临界二氧化碳中沉降的数值模拟研究

4.1 颗粒在超临界二氧化碳中沉降的数值模拟研究

4.1.1 基本模型

4.1.2 模拟结果

4.2 本章小结

结论

参考文献

致谢