射流作用下水合物颗粒运动规律研究

（广东石油化工学院石油工程学院，广东 茂名 525000）

摘 要：针对不同射流速度对水合物破碎效果的影响，建立数值仿真模型，得到破碎腔体内的速度分布特征，揭示射流作用下水合物矿体破碎颗粒运移规律，结果表明：流体在破碎腔体内运移可以划分为主流和涡流。主流的方向受涡流的影响，且碰撞产生的涡流带来的影响效果比腔体中部产生的涡流更明显。主流的速度的大小与涡流的距离有关。当主流与涡流距离越近，其速度越小。主流的流向和管壁平行的程度也会影响流速的大小，即当主流方向与管壁越平行，其速度越大。因此，为提高腔体内的水合物破碎颗粒的运移速度，可在确保设备安全的前提下提高射流速度，从而提高水合物回收效率。研究成果可以为水合物的工程应用和工具结构优化提供重要的理论依据。

关键词：水合物，水射流，数值模拟，运动规律

引言

天然气水合物由于资源储量多、分布广泛、能量密度高、燃烧释放的能量大且环境污染小，被视为是最具潜力的替代能源。目前对于水合物的开采，通常才入如下方法：降压，注热，注剂，置换。然而由于水合物的不可控无序分解，会导致一系列井下复杂问题。固态流化开采技术的出现，很好地解决了水合物传统开采过程钟存在的风险及问题。

固态流化开采技术的核心思路大致为：利用非成岩水合物矿体易于破碎的特征，在不改变赋存压力和温度、保持水合物稳定的前提下，对海底矿区固态水合物进行先碎化，后流化处理（这里的流化处理是依靠在连续油管下放喷嘴进行射流破碎），最终利用循环举升的方式将气液固三相流举升至海面，完成射流化开采。这样的射流化开采方式在很大程度上避免水合物分解造成对地质和环境的影响，减少开采过程中地质灾害和温室效应的出现。并且，该技术使得水合物在密闭井筒中进行可控和有序分解，有效解决了传统开采技术面临的井底出砂及水合物无序分解等难点，实现在海洋水合物的中保持高效、安全、绿色开采。

然而固态流化开采试验作业钟却存在着矿体回收效率与破碎效率不一致的问题，究其原因是该项技术处于初级阶段，水合物矿体破碎颗粒在射流作用下的运移规律研究甚少，无法指导实际作业。本文针对钻井液流速对射流破碎的影响，对不同钻井液流速建立数值仿真分析，得到破碎腔体内的速度分布特征，揭示射流作用下水合物矿体破碎颗粒运移规律，为其工程应用和工具结构优化提供重要的理论依据，对深海浅层非成岩天然气水合物的工业化开采具有重要意义。

1  数值计算模型

1.1 数值模型建立

在本次水射流模拟实验中，确定好尺寸坐标后，运用了ICEM软件建立的几何模型，得到的简化图如图1所示。图中AE为入口，DF为出口，BCGH为破碎腔体。长度参数为：AE=GE=FH=FD=0.5厘米，AB=CD=4厘米，BC=5厘米，GH=4厘米。

图1几何建模简化图

基于二维建模，所以在建立几何模型时，采用到四边形网格单元。综合网格数量及计算规模，最终确定以0.025的精度作为网格精度划分，输出方式为非结构化网格。基于所建立的模型，利用FLUENT软件对不同射流速度下水合物颗粒的运动规律进行研究。

1.2 参数设定

由于运用FLUENT进行实验仿真的模型是经ICEM建模并处理得到的，所以对于模型的参数仍可参考图1。因为本文研究关键是流体在入口以不同的流速时破碎腔体内颗粒的运移，不考虑空气介质的影响，选择用擅长求解不可压缩流体的求解器pressure-based，速度计时采用绝对速度，时间用稳态类型。

本次采用单相流模型，计算方程选用标准看k-e方程。流体材料选择为液态水：water-liquid(h2o<1>),其粘度为0.01（m/s）导热系数为0.6（w/m-k）密度为998.2（kg/m3），液态水经入口后直接喷射进破碎腔体内。入口边界的定义为速度入口（velocity-inlet），湍流动能1m2/s2和湍流耗散率1m2/s3在后面仿真中始终保持不变，出口类型采用自由流出（outflow），其他边界定义为墙壁。残差监视器的误差设定为0.0001。参数设定后即对模型做初始化处理，进行迭代运算。此后除改变入口流速数值，其他参数都与上面设置相同。

2 结果分析

2.1 不同射流速度下水合物颗粒运动规律

基于本文的实验目的是针对流体流速对射流破碎的影响，对不同钻井液流速建立数值仿真分析，所以在仿真实验中，速度入口的流体速度震级设置了2个不同值：50m/s、100m/s。进行迭代运算后得到的速度云图如图2和图3所示。

可以看出，虽然速度设定值不同，但两个速度云图除了相同的速度颜色代表的速度不同外，速度分布特征基本是很相似的。不管是哪一个速度值，总体都可以看出：随着流体从入口来到管道内，当流经管道的截面面积不变时，流体速度变化值基本保持不变。随着截面面积变化时（即进入腔体内），部分流体的流动方向发生了变化，从而引起流体的速度发生改变。这个变化可以划分为三部分：主流（这里的主流定义为破碎腔体内速度较大的流体或在速度云图中黄色及以上颜色的流体）、涡流。

对于主流部分速度的分析：沿着轴向流动的流体，其速度明显大于其他方向的速度，特别是当流体的流动方向越平行于管壁时，其速度值越大。

对于涡流部分流体的分析：①碰撞产生的涡流：部分流体由于与腔体壁面发生碰撞，由于局部阻力的影响，产生了涡流。如图4所示，涡流对于主流能量的消耗使得其附近的流体速度降低，但是，基于涡流的作用，使得腔体内的主流朝着正确的方向(沿着出口方向)流动。随着主流离开涡流区域距离的加大，其速度值也越大，直至靠近下一个涡流域。②腔体中部产生的涡流：虽然在某些方面还是可以改变主流的方向使之朝着正确方向流动，但没有碰撞产生的涡流对主流的影响效果明显。

2 .2 局部阻力损失对水合物运动的影响

由于本文针对钻井液流速对射流破碎的影响，对不同钻井液流速建立数值仿真分析。所以对于影响钻井液流速较大的因素，理应尽量减低其影响。喷嘴流道的局部阻力通过改变钻井液过流体面积及其形状变化，使得其速度大小方向和能量在射流时发生变化，对本文研究的破碎颗粒运移规律产生干扰。局部阻力可分为：涡流、撞击损失、转向、加速。为了让局部阻力的影响效果更加明显，本文模拟了流体进入管道，历经撞击后速度云图的变化。

图5 流体进入破碎腔体撞击管壁速度云图

如图5所示，流体从进入管道后开始流动，部分流体与管壁（A-A）发生碰撞，使得流体流动方向发生变化。同时，在流体速度完全平行于管壁前（如图3-1中②所示），一部分流体往低处流动（如图5中①所示），在①处形成涡流。依靠动量交换，涡流维持运动所需的能量由主流提供，且涡流区域由于压力升高带来的流速减低，这些都会给流速带来明显影响。所以在后续设计喷嘴结构时，会尽量减少局部阻力，来到达最好的实验模拟效果。

 3  结论

（1）射流作用下水合物颗粒在破碎腔体内运移可以划分为主流和涡流；

（2）主流的方向受涡流的影响，且碰撞产生的涡流带来的影响效果比腔体中部产生的涡流更明显，主流的流向和管壁平行的程度也会影响流速的大小，即当主流方向与管壁越平行，其速度越大；

（3）射流速度越大，水合物颗粒的运动速度越大；为提高水合物颗粒的回收效率，可在保证工具安全的前提下，提高射流速度。

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