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。     

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。     

自激振荡脉冲射流强化传热实验及其性能评价

对一种新型的自激振荡脉冲射流强化传热技术进行了实验研究,得出了雷诺数和结构参数对其强化传热性能的影响,并对强化传热性能进行灯用经济评价,提出了一项新的强化传热性能评价指标———强化前后单位传热量的总费用比,该指标不仅能反映采用强化传热措施后传热能力的改善和流动阻力的增大,而且能反映出采取强化传热措施后加工制造成本的增加。     

具有槽的腔式流线型喷嘴射流特性的实验研究

对具有槽的腔式流线型喷嘴进行了实验研究。实验结果表明，这种喷嘴除了具有一般射流的特性外，还有脉冲特性，其射流结构分为初始段和基本段。在基本段中，径向速度分布存在自模性。给出了径向速度分布计算模式及径向最大脉冲速度沿轴的变化规律数学表达式，并就实验中发现的射流脉冲机理进行了探讨。     

石油钻井钻头用自激振荡喷嘴的研究

对石油钻井钻头新型喷嘴的研究,包括振荡原理、物理和数学模型以及室内和现场试验结果进行了讨论.试验结果表明,钻头上安装了喷嘴,在井底能产生强热的压力振荡,使井底液动力压力梯度、墙壁压力势增大,有利于破碎岩石和清除井底岩屑.而且在相同条件下可以提高机械钻速35.5～77%、钻头进尺6～44%.     

自激振荡喷嘴外流场实验研究

对自激振荡喷嘴外流场进行了实验研究。研究表明,能够保证气、液两相在腔体内产生轴对称涡旋的腔体结构是产生激振的先决条件,喷嘴结构参数的不同会影响自激振荡喷嘴的雾化效果及喷雾场的速度分布。     

围压工况下附壁脉冲射流喷嘴性能研究

附壁脉冲射流喷嘴可用于井下切割和破岩等工艺。为分析脉冲喷嘴在深井环境下的工作性能,在30 MPa高围压条件下,对喷嘴内流场进行了数值模拟,分析了不同结构和运行参数下的射流压力脉动性能。研究结果表明:喷嘴射流脉冲频率随着反馈通道直径增大而增大,压力脉动幅值呈现先增加后下降,最大压力脉动幅值为0. 154 MPa;喷嘴射流的压力脉动幅值随着附壁夹角增大而增大,但脉冲频率先增加后基本保持稳定;随着出口直径增加,脉冲频率先基本保持不变再减小,后又基本保持不变,压力脉动幅值不断减小,最大压力脉动幅值为0. 332 MPa;雷诺数在2. 3×10~5～5. 6×10~5时,脉冲频率随雷诺数的增加呈线性增加;斯特劳哈尔数呈现略微下降趋势,但总体变化不大;附壁脉冲射流喷嘴流量与脉冲频率成正比。研究结果可为脉冲射流喷嘴的发展和现场应用提供一定的指导。     

井底自激振荡脉冲粒子射流钻井工具试验研究

井底自激振荡脉冲粒子射流钻井工具是一种集成脉冲射流技术与粒子冲击破岩技术的钻井提速工具,可以在井底实现钢制粒子的自循环冲击破岩,并伴有一定的压力脉冲效应,二者联合实现高效破岩。为了全面掌握工具的结构尺寸对压力脉冲效应、粒子自吸效果和破岩效率的影响规律,设计加工了模型工具,并利用模型工具在室内开展了压力脉冲测试、粒子吸入量测试、粒子自吸效果观察和破岩试验,证实了工具自吸功能和压力脉冲效应,分析了工具结构尺寸对压力脉冲幅值、引射系数和破岩效果的影响规律。研究结果可为井底自激振荡脉冲粒子射流钻井工具的结构优化提供试验技术支持。     

石油钻头自激振荡脉冲喷嘴真空扩散焊接工艺正交试验研究

针对石油钻头自激振荡脉冲喷嘴结构复杂和制造困难的问题,提出用“模压法分段成形加真空扩散焊连接”制造的新工艺。采用正交试验法,通过极差分析和方差分析,研究了扩散焊接温度、焊接压力和焊接时间等工艺参数对自激振荡脉冲喷嘴焊接接头抗剪强度的影响,确定了因素的主次顺序、因素的最佳水平组合及扩散焊接的最佳工艺参数。试验结果表明,当采用焊接温度1050℃、焊接压力120MPa和焊接时间20min的参数组合时,可获得强度高、致密性好和耐冲蚀的焊接接头,其抗剪强度≥750MPa。该研究可为选择石油钻头自激振荡脉冲喷嘴真空扩散焊接的最佳工艺方案提供依据。     

石油钻井中自激脉冲喷嘴的应用研究

研制了分析脉冲射流动态压力信号的软件,作为评价这种信号的波形特征、频率结构及能量分布的依据。测试分析表明：自激脉冲喷嘴振荡腔室的几何尺寸显著地影响着射流的振荡效果,其有效喷距较普通喷嘴更长、更宽。     

自激波动注水机理实验研究

介绍了自激振动源喷嘴的工作原理,对围压条件下振动源喷嘴射流压力脉动特性和频率特性进行了实验讨论,实验研究了自激振动源喷嘴射流压力波动沿径向和轴向的传播规律,论述了自激波动注水的基本原理、注水器设计和现场实验结果。自振空化射流可用于自激波动注水的波动源,射流压力振动波沿径向传播距离达100cm以上,沿轴向传播距离达600cm以上。自激波动注水对因后期堵塞造成的地层吸水性变差具有明显的改善效果:平均注水压力下降2.1MPa,平均单层日注水量增加29m³。对一般注水井可延长注水周期.     

流体动力式超声波喷嘴雾化特性的实验研究

根据超声波雾化机理和经过反复试验,研制了流体动力式超声波雾化喷嘴。分析了流体动力式超声波雾化的原理与特点,分别用水和180号重油作为介质对喷嘴雾化特性进行了实验,测试了不同雾化空气压力、液体压力条件下沿喷嘴轴向的粒径分布,并对雾化特性进行了理论分析。用水作为雾化介质时,雾化粒径在实验条件下基本保持在10~16μm;用180号重油作为雾化介质时,即使在入口温度50℃的低温下,雾化粒径在实验条件下亦保持在10~15μm范围内,证明该喷嘴对重油有良好的雾化效果,具有较大的应用价值。     

淹没条件下星形喷嘴射流流动特点的实验研究

对近期清洗行业出现的星形喷嘴射流进行了淹没条件下的实验研究。利用粒子成像速度场仪对星形喷嘴射流的速度场进行了测量,分析了星形喷嘴的射流衰减机理。实验发现,星形喷嘴射流与普通圆射流相比,其射流初始段较短,但基本段内速度随喷距衰减的速率较低。在7倍于喷嘴直径的喷距以内,星形喷嘴射流的速度低于圆射流速度。随着喷距的进一步增加,星形喷嘴射流的速度高于圆射流速度。在10～12倍于喷嘴直径的喷距范围内,星形喷嘴射流的最大速度和最大动压力分别提高了约20%和44%。该项研究为星形喷嘴射流在石油钻井工程中的应用提供了依据。     

自激波动注水机理实验研究

介绍了自激振动源喷嘴的工作原理,对围压条件下振动源喷嘴射流压力脉动特性和频率特性进行了实验讨论,实验研究了自激振动源喷嘴射流压力波动沿径向和轴向的传播规律,论述了自激波动注水的基本原理、注水器设计和现场实验结果。自振空化射流可用于自激波动注水的波动源,射流压力振动波沿径向传播距离达100cm以上,沿轴向传播距离达600cm以上。自激波动注水对因后期堵塞造成的地层吸水性变差具有明显的改善效果:平均注水压力下降2.1MPa,平均单层日注水量增加29m³。对一般注水井可延长注水周期.     

超高压PDC钻头超高压喷嘴布置实验研究

通过实验研究与理论分析相结合,提出了超高压喷嘴布置方案。实验结果表明,在射流压力低于150MPa时,随着射流压力升高,单位功率下的岩石冲蚀体积迅速增大,但当射流压力达到150MPa并进一步升高时,单位功率下的岩石冲蚀体积略有下降,150MPa时破岩效率最高;超高压喷嘴按前进的方式移动,破岩效果最佳;喷嘴移动速度小于2.9mm/s时对岩石的冲蚀效果影响不大,超过此值后,冲蚀效果明显降低。从实验结果可以看出,喷嘴在钻头上的布置直接影响破岩效果。     

射流式水力降压实验研究

采用研制的射流式水力降压模拟工具及其相应的试验台架,对一种在常规钻井方式下有效降低井底压力的射流式水力降压方式进行了实验研究。着重研究了工具喷嘴直径、排量及安装位置距钻头距离对降压效果的影响。研究得出如下结论:(1)射流式水力降压工具的降压效果随排量的增加而增加,在排量为9 L/s,工具距钻头距离L=0,喷嘴直径N=2.5 mm情况下,井底环空产生最大压差为0.45 MPa,当L=6 m,N=3.5 mm,工具吸入口处产生最大压差0.58MPa,该处压差平均降低17.74%;(2)工具降压效果与工具安装位置及喷嘴尺寸选择有关,工具安装在近钻头处,降压效果最明显,过于远离井底,降压效果波及不到井底,L>2 m时对井底环空压降趋近于0;(3)射流式水力降压工具可以有效地解决窄密度窗口地层的涌、漏等故障。     

井底压力波动对稠油产量影响机理实验

国内一些稠油油田生产过程中将抽油泵更换成螺杆泵后产水减少,产油量增加,而该方法在稀油油藏应用,其产量变化不明显。为此,用实验模拟方法研究了井底压力波动对稠油生产的影响。在恒压条件下,将稠油和地层水同时注入饱和油的人造岩心中,模拟近井地带油藏在泵抽吸作用下油水两相流动特征,利用出口端的电磁阀产生和不产生周期性波动来分别模拟抽油泵和螺杆泵的生产过程。由产油、产水情况发现,波动状态下产水量高于不波动情况,而前者产油量小于后者,且随波动周期的增加,产水率增加而产油率减少。即抽油泵生产过程中压力波动增加了水的产出量;而螺杆泵连续地抽吸减少了水的产出量,增加了稠油产量。稠油开发中使用螺杆泵的效果优于抽油泵。     

环形射流泵空化特性的试验研究

在简要介绍环形射流泵工作原理的基础上,定义了环形射流泵试验常用的一些技术参数;通过试验所得到的试验数据及引入相关的技术参数绘制了环形射流泵的特性曲线。根据环形射流泵的特性曲线,论述了临界空化数σc、收敛角α、吸入头的面积A1、喉管长径比L2/D2和射流涡旋强度J对环形射流泵空化性能的影响;通过分析这些影响,得到了一些有用的结论和公式,从而提出改善环形射流泵空化特性的一些建议,为高效环形射流泵的设计提供了理论依据。     

多夹层岩盐自振空化射流造腔技术研究

岩盐造腔过程中产生的碎屑颗粒沉积到盐腔底部,导致盐腔有效造腔体积减小,为了保证溶腔速度和盐腔尺寸,不得不将注水管柱上移,影响了盐穴造腔计划和进度,且常规的注水溶腔时间长,耗费淡水和能源较多。鉴于此,开展了多夹层岩盐自振空化射流造腔方法研究。利用自振空化射流技术和阻尼式旋转控制技术设计研制了自振空化射流造腔工具,主要通过冲蚀破碎、超声波促溶、旋流滤洗和强化循环等方式来满足促溶、夹层破碎和碎屑冲洗要求。根据欧拉双流体模型和RNGκ-ε模型,采用滑移网格技术对旋转射流在腔内的运动轨迹和流体的旋流强度进行了数值模拟研究。现场造腔试验结果表明,自振空化射流造腔技术可大幅度提高日产盐量,在造腔初期可提高造腔速度1倍以上。