自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流冲击频率变化规律

为了得到自激振荡脉冲超临界二氧化碳(SC-CO₂)射流谐振破煤适用冲击频率，采用大涡模拟研究了自激振荡脉冲SC-CO₂射流的形成及发展过程，分析了射流频率在喷嘴内部和自由流场中的变化规律，研究了射流轴向位置和振荡腔长度对射流冲击频率的影响规律，并研制了射流冲击频率测试装置，通过实验验证了数值模拟结论。研究表明，自激振荡脉冲SC-CO₂射流在喷嘴内部和自由流场中的频率并不相同。在喷嘴内部，流体经扰动形成的频率相同，且喷嘴出口处射流频率与喷嘴内部频率保持一致。在自由流场中，由于CO₂的可压缩性，射流压力、速度等参数具有明显的波动。该特征使自激振荡脉冲SC-CO₂射流冲击频率随射流的发展沿轴向逐渐减小。通过改变振荡腔长度，可以改变自激振荡脉冲SC-CO₂射流喷嘴内部频率从而实现自由流场中射流冲击频率的调节。     

应用大涡模拟对自激振荡腔室特性的研究

自激振荡脉冲射流已经广泛应用于石油钻采工程,现有的自激振荡脉冲发生理论还不能完善地解释影响振荡脉冲效应的因素。应用大涡模拟对赫尔姆兹振荡腔流场进行了分析,建立了数学控制方程,并运用Fluent软件的LES湍流模型对自激振荡腔的三雏流场进行数值模拟。研究了振荡脉冲的发生机理,获得了振荡腔结构参数变化对振荡脉冲效果的影响规律。     

自激振荡脉冲射流喷嘴频率特性实验研究

基于水声学和流体动力学原理,建立了振荡腔内脉冲射流频率模型,研究结果表明,模态数、流体密度及密度变化率是影响射流频率的关键因素。采用SD150测试系统,分析了自激振荡脉冲射流动态特性中各参数对其频率的影响程度,泵压和自激振荡腔长对射流频率影响的实验结果表明,脉冲射流幅值比连续射流提高了约20%;泵压升高,射流频率增加;腔长增大,射流频率降低,且存在一个使脉冲射流压力峰值达到最大的最佳腔长。实验结果与理论分析一致。     

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振荡腔室内流场特性是研究钻井水力它激振荡的重要内容。文章首次把数值模拟的方法应用到对它激振荡腔室内流场的研究中，采用湍流的Girimaji非线性模型能很好地模拟腔室内的流场。通过数值模拟，描述了腔室内流场的特性，找出了它激振荡腔室自增流量与腔室结构参数及流体性质之间的关系。模拟结果表明：腔室结构和流体性质对自增流量有着很大的影响，并且规律性很强。喷嘴直径比值和上喷嘴流量是最主要的两个因素，在模拟条件下，最优喷嘴直径比值为1.5，自增流量随着入口流量的增加而增大。流体性质具有一定影响。     

高效脉冲喷嘴在喷射钻井中的实验研究

基于水声学和流体动力学原理，分析了自激振荡射流中碰撞剪切流动压力扰动波的传播速度及其对射流振荡频率的影响规律，建立了振荡腔内脉冲射流频率的数学模型，得出了声压、流体密度以及模态数是影响射流频率的关键因素。为获得更为有效的冲击压力和破岩效率,从提高脉冲射流瞬时峰值出发，研究射流频率和射流压力峰值的实际影响因素。实验采用SD150测试系统主要研究了泵压和自激振荡腔长对射流频率的影响。实验结果表明：泵压升高，射流频率增加；腔长增大,射流频率降低。另外，存在一个最佳腔长使脉冲射流压力峰值达到最大。实验结果与理论分析一致。     

井下它激振荡脉冲射流机理研究

在油气井钻井中,为了充分利用井下水力能量,利用井下环空流体液柱压力作为激励源,实现了它激振荡脉冲射流.探讨了井下环空流体作为它激源实现它激振荡脉冲射流的机理,建立了物理模型.利用室内实验研究揭示了井下水力它激振荡脉冲射流的机理,为井下水力增压的研究提供了理论依据.实验结果表明,它激共振腔结构参数(容积,上、下喷嘴直径,比值),它激孔位置、数量、直径以及水力参数(流量、射流速度、环空液柱压力)是影响它激作用的重要因素.在实验条件下,共振腔自增流量为泵入流量的20%左右;它激振荡脉冲射流出口动压力比自激振荡脉冲射流提高两倍.     

井底岩屑磨料脉冲射流调制元件自激腔室的数值模拟研究

针对自激腔室的井底岩屑磨料脉冲射流调制问题,基于计算流体力学理论,建立了自激腔室的二维物理模型并进行了数值模拟计算.研究了自激腔室的流场特征,在此基础上,分析了其结构参数对进出口压力的影响规律.结果表明,自激腔室可以激生低压涡环,有利于岩屑的吸入和脉冲射流的形成.进出口压力随着上下喷嘴直径比的增大而增大,与腔长没有明显的线性关系.研究内容可以为井底岩屑磨料脉冲射流技术提供重要参考.     

自激振荡脉冲射流喷嘴结构优选试验研究

高压水射流是钻井提速的基本技术手段。自激振荡脉冲射流是一种特殊的高压水射流,因其结构简单、全金属性及充分利用钻井液能量等优点,成为深井、超深井钻井提速研究热点。根据流体网络集中参数理论,设计了室内试验装置和试验方法,对自激振荡脉冲射流元件的结构参数与射流特性进行了室内试验分析。结果表明:流体网络集中参数理论能够很好地描述射流元件的振荡特性;当上下喷嘴直径比为0.75、腔长腔径比为0.80、喷嘴锥角为120°时,自激振荡脉冲射流性能最好。     

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从钻井泵经过钻柱内部输送到钻头喷嘴的流体是瞬态流动，存在着压力行波，使从普通喷嘴射出的流体有一定程度的脉动。当这种流体经过自激振荡喷嘴轴对称空腔后，初始振荡的频率与腔内扰动波的频率相接近时，整个流体的振荡被迭加、放大，最后在腔室出口处产生被调制了的振荡射流。文章按波动理论原理，建立自激振荡射流腔室内流体压力和速度的数学模型，并采用接近钻头实际喷嘴直径和增大喷嘴金尺寸，进行扩大振荡腔室的射流实验研究。     

环空液体它激振荡脉冲射流数值模拟

钻井过程中,对于如何利用井下环空液体的水力能量问题是钻井界关注的重大理论与实践问题。为此,利用这个水力能量作为它激源,形成它激振荡脉冲射流的方法,基于流体动力学、瞬变流和边界层理论．采用CFD软件,对它激共振腔的流体流动特征、几何参数和流体参数进行了数值模拟。结果表明,在相同条件下,它激振荡自增流量可达20％左右,出口动压力比自激振荡脉冲射流提高一倍左右,环空返速对自增流量的影响极小,模拟结果与实验结果十分吻合,提高了井底辅助破碎岩石的水力能量。在此基础上,对它激共振腔的结构参数进行了优化设计,为开发新产品提供了理论依据。
     

水力脉冲射流旋流流场数值模拟

为研究水力脉冲射流流场内旋流流场的变化特性,通过建立井底边界条件下单喷嘴脉冲射流冲击流场物理模型,对脉冲射流旋流流场进行了数值模拟研究。结果表明,非稳态旋流是脉冲射流流场的一个显著特征,对脉冲射流钻井提速起到重要作用,旋流速度和范围具有周期性变化且不随脉冲频率发生改变;在单周期内,旋流强度与脉冲射流速度变化具有一致性,旋流影响范围由前期的快速扩大到后期的缓慢扩大,一直保持增大趋势;旋流作用强于射流动能是脉冲射流产生局部脉动负压的主要原因,有利于降低压持效应;旋流流场改变钻头表面的压力分布,有利于提高钻头清洗效果。研究结果对指导脉冲射流提速技术具有一定的参考价值。     

喷嘴径向位置对喷雾造粒塔流动特性的影响

为了研究喷雾造粒塔内的流动特性,采用相位多普勒粒子分析仪(PDPA)测量了塔内的速度分布,数值模拟了不同结构参数下的流场演变过程,并根据速度分布对喷雾造粒塔内流场进行了区域划分。结果表明,喷嘴径向位置对流动影响较大,而操作参数的影响相对较小;喷雾造粒塔内速度分布在不同风量下基本相同,沿轴向有两个明显的区域分布,即喷雾造粒塔上部靠近喷嘴,受射流影响较大,流动比较复杂,沿轴向的下部远离喷嘴,射流影响逐渐减弱,流动规律性明显增强。喷雾造粒塔内速度分布与蜗壳式旋风分离器内的速度分布差别较大。     

围压条件下脉冲射流提高清岩效果数值模拟研究

脉冲射流钻井技术具有高效清岩能力,但其提速机制还不十分清楚。通过建立围压条件下单喷嘴脉冲射流井底清岩物理模型,对脉冲射流清岩过程进行了数值模拟研究,分析了影响脉冲射流清岩效果的主要因素。结果表明,非稳态旋流是脉冲射流提高清岩效果的主要原因之一,在相同排量条件下,脉冲射流清岩效率比连续射流平均提高约1~1.6倍。脉冲射流清岩效率随着喷嘴直径和入口流速的增大而增大;围压对脉冲射流清岩过程影响较小;低频率脉冲射流的清岩总体效果较好;随着岩屑粒径增大,井底冲击区域内岩屑分布非均匀性增强,脉冲射流清岩效率降低。研究结果对指导脉冲射流提速技术的工程实践具有一定的参考价值。     

高温射流反应腔结构设计与反应规律

结合高压水射流和岩石热裂解钻井方法,提出了适用于深部硬地层的高温射流钻井新方法,即利用高速射流对岩石表面形成冲击力,同时高温流体迅速将热量传递给岩石以达到快速破岩的目的。因此高温射流发生装置对最终作用于岩石的射流性能十分重要,设计了两种高温射流燃烧反应发生装置结构(混合装置和对冲装置),利用计算流体力学模拟了常压下不同反应参数对生成的高温射流的影响,并对两种装置进行对比分析和反应规律研究。结果表明:高温的平均射流速度随着甲醇质量流量的增加而增大;气体存在滑脱效应,在满足化学反应方程的理论值的基础上,甲醇的实际质量流量应大于理论质量流量,而氧气的实际质量流量小于理论质量流量,使两者混合和燃烧更加充分,释放更多能量;在本文模型条件下,将空气质量流量控制在0.03~0.04kg/s较为合适,既可以保证反应腔内充分燃烧,又可以获得较高的射流速度;冷水质量流量与喷嘴速度呈线性正相关;在现场实际应用中,应注意控制冷水流量,以免造成射流温度过低。不同空气质量流量条件下,混合装置的射流速度和温度较优。两种装置的射流速度和温度在不同氧气浓度条件下变化规律一致,均先增大、后减小,但是在射流速度方面,对冲装置较优。在现场实际应用时可根据需要达到的射流速度和温度选择不同结构的燃烧装置,使高温射流的性能达到最优。     

泡沫流体层流射流的数值模拟

泡沫流体是石油工程上广泛应用的一种幂律非牛顿流体，在泡沫流体冲砂解堵、泡沫钻井等作业中都要求解泡沫射流的问题。利用流体力学数值模拟软件FLUENT对泡沫流体轴对称层流淹没射流进行了数值计算，得到了射流区域的速度场和表观黏度场的分布，以及幂律指数和稠度系数对射流的影响。从计算结果可以得出，非牛顿流体层流射流的轴心无量纲速度分布具有相似性，但与牛顿流体的湍流射流轴心无量纲速度分布相比具有较大的差别，射流轴心的速度在射流出口处发生骤降；无量纲轴向距离小于3时，不同的K和n对轴心速度分布影响很小，无量纲轴向距离大干3时，K和n越大，轴心速度衰减越慢。这些结论与前人得出的一致，证明用流体力学数值模拟软件FLUENT对非牛顿流体层流射流进行数值模拟是可行的。建议应加强适用于非牛顿流体湍流模型的研究，实验的方法是研究非牛顿流体湍流射流的最直接方法。     

半螺旋形吸入室中含气流体的速度场模拟

用CFD模拟分析软件(STAR-CD)对不同含气率流体在半螺旋形吸入室中的流场进行了三维模拟分析,得出了速度场分布规律。分析认为,流体含气率大于73%时,速度变化比较明显,会造成能量损失;漩涡出现较多且明显处是隔舌部位,设计时要重点考虑。另外,流体入口速度越大,在吸入室内滞留的几率就越小。为设计高效油气混输泵垫定了基础。     

粒子冲击钻井钻头喷嘴流场数值模拟研究

为了考察粒子冲击钻井过程中,粒子流经钻头喷嘴的加速过程和流场分布规律,应用Fluent对粒子进入喷嘴后的流动进行数值模拟研究。运用标准κ-ε双方程模型,对双锥度喷嘴粒子射流流场进行仿真模拟,分析了射流压力、围压、粒子直径和粒子质量浓度等因素对粒子射流流场的影响。结果表明,粒子射流加速主要发生在喷嘴收缩段,在等速核前缘速度达到最大。粒子喷射速度和单位时间内通过喷嘴的粒子动能随射流压力增大而增加;粒子浓度越大,单位时间内通过喷嘴的粒子动能越大,破岩效率升高,但粒子浓度过大会导致其流动性差,反而不利于破岩。因此,粒子浓度对其冲击破岩效率的影响主要取决于破岩过程中哪种因素起主要作用。     

煤层气水平井扇形磨料射流造穴喷嘴结构设计

现有煤层气开发直井采用水力造穴方式不能确定造穴的几何尺寸和形态,采用机械造穴方式刀杆容易变形、易使工具落入井内,水力-机械复合造穴技术操作复杂、成本高。为此,提出煤层气水平井扇形磨料射流喷射造穴的新思路。采用室内试验和数值模拟相结合的方法,优选和优化了扇形喷嘴的几何结构参数,分析了磨料颗粒在流场中的运动轨迹及加速特性,探索了射流参数和磨料参数对颗粒运动速度的影响规律。研究结果表明:椭圆形出口的扇形喷嘴适用于煤层气水平井喷射造穴;扇形磨料射流的颗粒加速区域主要集中在喷嘴收缩段和射流等速核区域内;流体的速度矢量场特征和磨料的运动轨迹特性表明,喷射造穴的主要作用机理是切割煤体的同时冲击破碎煤块;优化布置不同喷射角度的扇形喷嘴组合、提高喷嘴压降及合理控制砂比,可收到“网格式”切割破碎煤岩的效果,从而达到大范围应力释放的目的。所得结论可为煤层气水平井喷射造穴提供理论基础和设计参考。