1、基于实钻数据反演的牙轮钻头钻进仿真模型基于实钻数据反演的牙轮钻头钻进仿真模型1西南石油大学机电工程学院西南石油大学机电工程学院2第一章：概述第一章：概述天然气的组成天然气的组成天然气主要成分烷烃，但刚采出的天然气中一般含有砂粒、岩屑与固体杂质，水、凝析油等液体，以及水气、硫化氢、二氧化碳等气体。水对天然气储运的危害水对天然气储运的危害减少了管线的输送能力和气体热值，可能会形成液态水、冰或天然气的固体水化物，增加管路压降，堵塞管道等西南石油大学机电工程学院西南石油大学机电工程学院3第一章：概述第一章：概述在矿场对天然气进行脱水分离的意义：在矿场对天然气进行脱水分离的意义：减少管线输送的动力消耗，
2、增加输气量防止天然气中的CO2和H2S溶于游离水中形成酸，加速管路和设备的腐蚀防止水与天然气形成的水合物结晶。结晶会造成天然气水合物的局部积累，减少输气管道截面积，降低输气量，影响平稳供气，严重时可堵塞输气管线和其它处理设备，给天然气储运和加工造成很大困难西南石油大学机电工程学院西南石油大学机电工程学院4第一章：概述第一章：概述低温冷凝脱水低温冷凝脱水J-T J-T 阀和透平膨胀机脱水阀和透平膨胀机脱水三甘醇脱水三甘醇脱水分子筛脱水分子筛脱水超音速脱水超音速脱水天然气脱水的方法西南石油大学机电工程学院西南石油大学机电工程学院5第一章：概述第一章：概述各种天然气脱水方法的特点各种天然气脱水方法的
3、特点低温冷凝脱水J-T阀和透平膨胀机脱水分子筛脱水Click to add Title工艺简单设备较少耗能高水露点高对于高压天然气冷却脱水是非常经济的透平膨胀机有高速运动部件,制造难度大、可靠性差。深度脱水时投资和使用成本高需要采取防止水合物生成的措施适合于深度脱水对于大装置,设备投资和操作费用都比较高再生过程能耗大超音速脱水系统简单、体积小、无运动部件,运行可靠、无化学处理,允许在苛刻的环境中使用、操作方便、运行费用低三甘醇脱水系统比较复杂三甘醇溶液再生过程的能耗大三甘醇溶液需要补充和净化西南石油大学机电工程学院西南石油大学机电工程学院6第二章：超音速分离器介绍第二章：超音速分离器介绍超音速
4、分离器超音速分离器组成西南石油大学机电工程学院西南石油大学机电工程学院7超音速分离技术原理超音速分离技术原理第二章：超音速分离器介绍第二章：超音速分离器介绍 超音速旋流分离器外部为套管，套管内部依次为拉伐超音速旋流分离器外部为套管，套管内部依次为拉伐尔喷管、超音速整流管、超音速翼、扩压管等构件。尔喷管、超音速整流管、超音速翼、扩压管等构件。在超音速旋流分离器中，进口气流经过拉伐尔喷管绝在超音速旋流分离器中，进口气流经过拉伐尔喷管绝热膨胀至超音速，形成低温低压，低温使得水份和重烃凝热膨胀至超音速，形成低温低压，低温使得水份和重烃凝析，形成雾状流。雾状流以超音速在极短的时间内经过超析，形成雾状流。
5、雾状流以超音速在极短的时间内经过超音速翼，形成旋流场，巨大的离心力将液滴甩向壁面，液音速翼，形成旋流场，巨大的离心力将液滴甩向壁面，液滴沿着管壁流动，形成大约几毫米厚的一层薄膜，由管壁滴沿着管壁流动，形成大约几毫米厚的一层薄膜，由管壁中的环形槽对气液进行分离，产生的干气接着流入扩压管中的环形槽对气液进行分离，产生的干气接着流入扩压管压缩，流速降低，气流压力恢复至进口压力的压缩，流速降低，气流压力恢复至进口压力的70-80%70-80%。西南石油大学机电工程学院西南石油大学机电工程学院8Level 1Level 2Level 3Level 4Level 5天然气气流经过天然气气流经过拉伐尔喷管绝
6、热拉伐尔喷管绝热膨胀，流速增至膨胀，流速增至超音速，同时形超音速，同时形成低温低压成低温低压低温使得水份和重低温使得水份和重烃凝析，出现水和烃凝析，出现水和重烃液滴。重烃液滴。气体和凝析液的混气体和凝析液的混合物流以超音速经合物流以超音速经过超音速翼，形成过超音速翼，形成高速旋流场，离心高速旋流场，离心力，将液滴甩向管力，将液滴甩向管外壁形成液膜。外壁形成液膜。依靠同轴旋流分离依靠同轴旋流分离器实现气体和凝析器实现气体和凝析液分离，而干气依液分离，而干气依然居于主流中心。然居于主流中心。经过一道微弱冲击波，生成的干气接着流入扩压经过一道微弱冲击波，生成的干气接着流入扩压管，速度转化为压力，气流
7、压力恢复到进口压力管，速度转化为压力，气流压力恢复到进口压力的的70-80%70-80%。分离出的凝析液经过一个液体除气装。分离出的凝析液经过一个液体除气装置除去带出的少量气体，并将这部分气体与干气置除去带出的少量气体，并将这部分气体与干气流会合。流会合。第二章：超音速分离器介绍第二章：超音速分离器介绍西南石油大学机电工程学院西南石油大学机电工程学院9超音速分离器的性能超音速分离器的性能第二章：超音速分离器介绍第二章：超音速分离器介绍西南石油大学机电工程学院西南石油大学机电工程学院10几个概念的介绍几个概念的介绍第三章第三章：拉伐尔喷管原理：拉伐尔喷管原理介绍介绍音速是一种由微弱扰动在连续介质
8、中所产生的压力音速是一种由微弱扰动在连续介质中所产生的压力波波(纵波纵波)传播的速度传播的速度,在不同的介质中其速度不同。在不同的介质中其速度不同。气体介质中音速的一般公式为气体介质中音速的一般公式为流场中任一点处的流速流场中任一点处的流速V与该点处气体的音速与该点处气体的音速a的的比值比值,称为该点处气流的马赫数称为该点处气流的马赫数,用符号用符号Ma表示。表示。音速音速马赫数马赫数svPsPvC2西南石油大学机电工程学院西南石油大学机电工程学院11拉伐尔喷管原理介绍拉伐尔喷管原理介绍拉伐尔喷管是一个先收缩后扩张的管道。它的主要作用拉伐尔喷管是一个先收缩后扩张的管道。它的主要作用是使气体的压
9、力降低到临界值以下是使气体的压力降低到临界值以下,得到超音速气流。得到超音速气流。第三章第三章：拉伐尔喷管原理：拉伐尔喷管原理介绍介绍西南石油大学机电工程学院西南石油大学机电工程学院12喷管的工作原理喷管的工作原理喷管的性质连续性方程热力学第一定律工质在喷管中流动的过程第三章第三章：拉伐尔喷管原理：拉伐尔喷管原理介绍介绍西南石油大学机电工程学院西南石油大学机电工程学院13热力学第一定律热力学第一定律自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同形式，它能从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递过程中能量的总和不变。大家比较熟悉的表达方式：大家比较熟悉的表达方式：WQU对于
10、开口系统稳定流动的表达式：对于开口系统稳定流动的表达式：sfWZmgCmHQ221对于单位质量工质：对于单位质量工质：sfwZgChq221第三章第三章：拉伐尔喷管原理：拉伐尔喷管原理介绍介绍西南石油大学机电工程学院西南石油大学机电工程学院14喷管的性质喷管的性质得到公式：得到公式：221h0fC0fCfhdCd微分形式：微分形式：第三章第三章：拉伐尔喷管原理：拉伐尔喷管原理介绍介绍西南石油大学机电工程学院西南石油大学机电工程学院15工质在喷管中流动的过程分析工质在喷管中流动的过程分析工质在喷管中流动的过程为绝热可逆过程。（可逆是由于喷管内表面光滑，摩擦阻力小，形状设计合理，可避免漩涡发生）喷
11、管可逆绝热的过程方程：喷管可逆绝热的过程方程：常数kpv对于微元过程：对于微元过程：0vdkpdvp对于绝热可逆过程：对于绝热可逆过程：phvdd结合上面的公式得到：结合上面的公式得到：pCfvddCf第三章第三章：拉伐尔喷管原理：拉伐尔喷管原理介绍介绍西南石油大学机电工程学院西南石油大学机电工程学院16连续性方程连续性方程工质在喷管中稳定流动满足质量守恒定律，单位时间流工质在喷管中稳定流动满足质量守恒定律，单位时间流过喷管各个截面的质量流量相等。过喷管各个截面的质量流量相等。常数vACqfm其中：其中：A A为截面面积，为截面面积，C Cf f为流速，为流速，v v为比体积。为比体积。微分形
12、式：微分形式：0vdCdAdvfCAf第三章第三章：拉伐尔喷管原理：拉伐尔喷管原理介绍介绍西南石油大学机电工程学院西南石油大学机电工程学院17联立上述若干个方程得到公式：联立上述若干个方程得到公式：fCfACdkpvCAdf12kpvvCsvPsP2对于理想气体声速方程为：对于理想气体声速方程为：最终得到方程：最终得到方程：fCfCfACdMaCdCCAdff11222方程的意义：方程的意义：喷管截面与气流速度之间的变化规律取决于马赫数喷管截面与气流速度之间的变化规律取决于马赫数MaMa。当当Ma1Ma1时，若时，若d dC Cf f00，则，则d dA A0,0,即超声速气流若要加速，其截面即超声速气流若要加速，其截面沿流动方向应逐渐扩大。沿流动方向应逐渐扩大。当当Ma=1Ma=1时，气流速度等于声速。时，气流速度等于声速。当当Ma1Ma00，则，则d dA A0,0,即亚声速气流若要加速，其截面即亚声速气流若要加速，其截面沿流动方向应逐渐收缩。沿流动方向应逐渐收缩。第三章第三章：拉伐尔喷管原理：拉伐尔喷管原理介绍介绍基于实钻数据反演的牙轮钻头钻进仿真模型基于实钻数据反演的牙轮钻头钻进仿真模型18
