驱油过程中二氧化碳BLEVE机理及破坏效应研究

发布时间：2017-09-09 12:47

  本文关键词：驱油过程中二氧化碳BLEVE机理及破坏效应研究

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【摘要】：CO2提高石油采收率技术(CO2-EOR)是碳捕集和封存技术中重要的地质封存手段,可将CO2埋存减排与驱油相结合,具有广泛的应用前景。但在大量高浓度高压CO2的注入过程中,若管柱结构破损则完全可能发生严重的沸腾液体扩展蒸气爆炸,产生爆炸冲击波、高速飞行破片,造成CO2泄漏扩散,严重的威胁人们的生命与财产安全。因此,有效评估驱油注入过程中CO2发生BLEVE的风险,研究事故发生机理及后果,以提出预防和控制措施,是保证CO2-EOR安全生产的重要内容。本文对驱油注入过程中CO2发生BLEVE的机理及破坏效应进行了深入研究,在理论分析CO2 BLEVE热动力学过程的基础上,设计并建立了小尺寸实验系统,研究了CO2 BLEVE的典型过程及影响因素,设置小型现场实验研究了CO2 BLEVE对注入管的破坏效应,并分析了爆炸冲击波的传播规律。1)基于CO2热力学基本性质以及沸腾传热和气泡热动力学的基础理论,将CO2BLEVE的热动力学过程分为气体从压力容器的初始泄放、气液两相系统失稳、液体的过热和核化沸腾、气泡的产生和发展及两相介质的快速泄放五个阶段,对每个阶段的典型参数进行了描述,后续实验现象与该理论分析结果符合性较好。2)设计了小尺寸实验系统,研究了CO2发生BLEVE的过程和临界条件。结果表明:在压力容器破裂后CO2的快速相变过程中,降压初期顶部动态压力出现超过初始压力的反弹,形成短暂的超压峰,是BLEVE的典型特征。容器破裂两相系统失稳后,流体的微观运动是界面处两相流层上下膨胀及容器壁面非均匀和均匀核化气泡向容器中心运动的结果,最终流体以两相白色雾状持续喷出,后期容器内出现大量干冰颗粒。3)从爆炸响应模式和流体初始状态两个角度,实验研究了泄压尺寸、初始压力、初始温度和分层加热对CO2 BLEVE的影响。结果显示:BLEVE的形成需要合适的泄压尺寸和充装率(初始压力控制),本文实验条件下最易形成BLEVE的泄压尺寸为5mm~10 mm,充装率为85%(初始压力为8 MPa);初始温度的升高促进了BLEVE的形成,液体分层程度越严重BLEVE程度越低。研究结果表明CO2-EOR注入过程中的超临界CO2具有很大的BLEVE危险性,且初始温度和压力越高,BLEVE越剧烈。4)设置了小型现场实验,研究了CO2 BLEVE对CCS-EOR工程中使用的P110注入管的破坏效应。结果表明:含腐蚀缺陷的注入管在CO2内压作用下失效时发生典型的BLEVE现象,失效压力越小,BLEVE危险性越大。轴向缝隙腐蚀的注入管发生BLEVE后由缺陷缝隙延性断裂向两端扩展转变为脆性断裂,缺陷长度和深度的增大都使失效压力减小,其中缺陷深度的影响更明显;全面腐蚀的注入管发生BLEVE后开膛式撕裂,失效压力小于轴向缝隙腐蚀的管柱,BLEVE危险性更大;添加轴向拉伸载荷不会改变注入管发生BLEVE后的失效方式,但会使爆裂程度降低,同时失效压力更小,BLEVE危险性更大。5)对注入管内CO2发生BLEVE后的爆炸冲击波进行了实验测试,结果表明:CO2高压容器发生BLEVE后的爆炸冲击波是CO2气相膨胀与液相沸腾共同作用的结果,失效压力越大,爆炸冲击波超压峰值越大且随距离增大衰减的越快。
【关键词】：碳捕集与封存 CO2驱油 沸腾液体扩展蒸气爆炸 CO2相变 失效压力
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TE357.7
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-16
• 重要符号表16-19
• 缩略词表19-20
• 第1章 绪论20-35
• 1.1 本文研究背景和意义20-23
• 1.2 国内外研究现状与发展趋势23-32
• 1.2.1 BLEVE理论及模型研究23-25
• 1.2.2 多尺度下BLEVE模拟实验研究25-28
• 1.2.3 BLEVE爆炸冲击波的研究28-30
• 1.2.4 CO_2 BLEVE的相关研究30-32
• 1.2.5 研究现状总结32
• 1.3 本文的研究内容和结构安排32-35
• 1.3.1 本文的研究内容及要解决的问题32-33
• 1.3.2 本文的结构安排33-35
• 第2章 CO_2发生BLEVE的热动力学过程研究35-48
• 2.1 引言35-36
• 2.2 CO_2的基本热力学性质36-37
• 2.3 BLEVE基本过程的理论分析37-47
• 2.3.1 气相从压力容器的初始泄放37-39
• 2.3.2 气液两相亚稳态平衡及非稳态平衡39-41
• 2.3.3 液体的过热与核化沸腾41-45
• 2.3.4 气泡的动力学过程45-46
• 2.3.5 两相介质的快速泄放46-47
• 2.4 本章小结47-48
• 第3章 CO_2 BLEVE发生机理的实验研究48-77
• 3.1 引言48
• 3.2 实验装置设计思路48-50
• 3.3 实验系统和方法50-61
• 3.3.1 实验系统结构描述50-52
• 3.3.2 承压容器52
• 3.3.3 CO_2注入装置52-54
• 3.3.4 实验参数测量54-55
• 3.3.5 数据采集系统55-56
• 3.3.6 泄压装置56-60
• 3.3.7 实验步骤60-61
• 3.4 典型实验现象及结果61-75
• 3.4.1 流体泄放过程61-62
• 3.4.2 容器内压力的响应62-67
• 3.4.3 容器内温度的变化67-68
• 3.4.4 流体微观运动过程及核化方式68-75
• 3.5 本章小结75-77
• 第4章 CO_2 BLEVE的影响因素研究77-105
• 4.1 引言77
• 4.2 泄压尺寸77-83
• 4.3 CO_2初始状态83-102
• 4.3.1 初始压力83-89
• 4.3.2 初始温度89-95
• 4.3.3 分层加热95-102
• 4.4 实验结果总结102-103
• 4.5 本章小结103-105
• 第5章 CO_2 BLEVE对注入管的破坏效应研究105-130
• 5.1 引言105-106
• 5.2 实验系统和方法106-111
• 5.2.1 CO_2注入装置106
• 5.2.2 注入管试件106-107
• 5.2.3 拉伸装置107-108
• 5.2.4 实验参数测量108-109
• 5.2.5 实验条件及方法109-111
• 5.3 爆炸过程及失效方式分析111-116
• 5.3.1 爆炸过程及试件失效方式分析111-113
• 5.3.2 失效压力分析113-114
• 5.3.3 断口分析114-116
• 5.4 注入管失效模式的影响因素研究116-125
• 5.4.1 腐蚀缺陷参数的影响116-119
• 5.4.2 腐蚀缺陷类型的影响119-122
• 5.4.3 拉伸载荷的影响122-125
• 5.5 爆炸冲击波的传播125-129
• 5.6 本章小结129-130
• 第6章 总结和展望130-134
• 6.1 论文主要工作及成果130-132
• 6.2 论文主要特色与创新132
• 6.3 进一步研究展望132-134
• 参考文献134-144
• 附录144-146
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单146-149
• 致谢149-150
• 作者简介150

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 弓燕舞,林文胜,顾安忠;分层对液化石油气储罐热响应的影响[J];工业加热;2002年05期

2 刘振翼;史晓慧;周轶;张德平;王峰;李清;;碳捕集与贮存及提高油田采收率技术现状及风险分析[J];安全与环境学报;2013年05期

3 弓燕舞,林文胜,顾安忠;分层对液化石油气储罐升压过程的影响[J];油气储运;2002年11期

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本文编号：820538