驱油过程中二氧化碳BLEVE机理及破坏效应研究.pdf

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1、驱油过程中二氧化碳BLEVE机理及破坏效应研究周轶2015年6月中图分类号：X937UDC分类号：622驱油过程中二氧化碳BLEVE机理及破坏效应研究作者姓名周轶学院名称机电学院指导教师何学秋教授刘振翼副教授答辩委员会主席王成教授申请学位工学博士学科专业安全技术及工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年6月StudyonthemechanismanddamageeffectofCO2boilingliquidexpandingvaporexplosioninCO2floodingCandidateName:YiZhou

2、SchoolorDepartment:MechatronicalEngineeringFacultyMentor:Prof.XueqiuHeAssociateProf.ZhenyiLiuChair,ThesisCommittee：Prof.ChengWangDegreeApplied:DoctorofPhilosophyMajor：SafetyTechnologyandEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：June,2015研究成果声明本

3、人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学博士学位论文摘要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

4、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CO2BLEVE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CO2BLEVE的典型过程及影响因素，设置小型现场实验研究了CO2BLEVE对注

5、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

6、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CO2BLEVE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~10mm，充装率为85%（初始压力为8MPa）；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

7、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CO2BLEVE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I北京理工大学博士学位论文型的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BLE

8、VE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