脉冲射流动力机构的结构设计和数值模拟

现有文献针对脉冲射流动力机构脉冲特性控制的研究尚存不足,为此,以典型的叶片驱动盘阀式脉冲射流发生机构为研究对象,采用数值计算方法,从排量、叶轮内径、叶片个数、叶片型线安放角和阻力扭矩5个方面对动力机构的速度场、压力场、转速及压耗进行分析,揭示动力机构结构参数对最终脉冲特性的影响规律。模拟结果显示:内径与安放角对转速影响较为明显,转速随内径的增大先减小后增大,内径为56 mm、排量为15 L/s时转速最低达到546 r/min;在分析范围内,叶轮转速随叶片个数的增加而增大,叶片个数由3增加至6时,转速在600~1200 r/min间变化,不同排量下平均增幅仅为59 r/min;叶轮转速随安放角的增大而减小,不同排量下平均减幅为673 r/min。研究结果可为同类工具的脉冲压力和频率等特性控制提供理论指导。     

水力脉冲空化射流发生器参数优化试验研究

为优化水力脉冲空化射流发生器的参数,采用设计的试验模拟工具及相应的试验台架进行了室内试验。着重研究了叶轮叶片数量、排量对压力波动效果的影响。试验结果表明,随着排量的增加,经过水力脉冲空化射流发生器的流体平均压力增大,压力波动振幅增大;在试验条件下,排量为13.67L/s时,采用3片叶轮,平均压力为1.25MPa,产生的脉冲效果明显,压力波动振幅为1.1MPa。     

叶轮式井底盘阀脉冲射流钻井工具性能分析与优化

为进一步提高钻井效率,基于井底不对称流场在清岩与辅助破岩等方面所具有的良好效果,设计了一种以小型水动力叶轮为驱动力来源的叶轮式井底盘阀脉冲射流钻井工具,并通过数值模拟及试验对水动力叶轮与该射流工具进行了优化设计。利用计算流体力学软件Pumplinx对叶轮区域进行了全工况数值模拟,通过分析内部流场的压力、速度以及湍动能的分布特性,总结了叶轮转速与阻力扭矩及轴向力之间的响应关系;通过在该射流工具进口段布置导流块、对叶片轮毂端进行光顺处理以及选取合适的叶片包角等优化措施,让叶轮进口流场得到改善的同时,提高了叶轮的水动力特性并消除了部分轴向力。模拟结果显示,初始叶轮在75 r/min转速下可克服的自然负载阻力扭矩从1.07 N·m提高到3.93 N·m。研究结果表明,所述优化方案能大幅提高叶轮式井底盘阀脉冲射流工具的脉冲性能,优化效果十分显著。      

基于灰色关联度的超临界二氧化碳直旋射流参数敏感性

超临界CO2直旋射流综合了超临界CO2流体破岩门限压力低、直射流能量汇聚能力强以及旋转射流受效面积大等优势,是高效开发非常规油气资源射孔作业的新方法.通过自主设计研发的超临界CO2射流破岩系统和直旋混合射流喷嘴,基于灰色关联度的分析方法研究了射流参数和喷嘴结构参数对破岩效果的敏感性.结果表明:破岩深度的最优敏感性排序从高到低依次为射流压力、混合腔长度、叶轮中心孔直径、叶轮长度、喷射距离,随着射流压力逐渐增大破岩深度逐渐增大;随着混合腔长度的增大,破岩深度呈先增大后减小趋势;破岩孔径的最优敏感性排序从高到低依次为射流压力、叶轮中心孔直径、混合腔长度、叶轮长度、喷射距离,随着射流压力的增大,破岩直径的增大趋势逐渐减小,叶轮中心孔直径的增大会导致射流破岩直径的逐渐减小.研究结果应用到超临界CO2直旋混合射流参数的设计中,满足了现场作业中对非常规天然气储层保护性开采的高要求,实现了科学、绿色开发非常规油气资源.     

叶轮式旋转射流喷嘴的射流特性研究

为提高PDC钻头钻进水平段时的井底射流辅助破岩能力,开展了叶轮式旋转射流喷嘴的射流特性研究。利用k-ε双方程标准湍流模型,对叶轮式旋转射流流场进行了数值模拟,并采用旋流强度和流量系数评价了射流破岩能力。数值模拟结果表明,叶片扭曲角为115°~140°、直柱段无因次长度为0.6~0.8、收缩角为60°~70°时,流量系数和旋流强度可取得最佳值,射流破岩能力最强。根据不同喷距下的旋转射流破岩试验结果,分析了叶轮式旋转射流喷嘴的破岩特性,结果表明,同压降下叶轮式旋转射流破岩直径是普通直射流的近3倍,且喷距在7~11倍喷嘴出口直径时破岩直径最大。研究结果表明,叶轮式旋转射流喷嘴的破岩能力优于普通直射流喷嘴,且通过优化叶轮式旋转射流喷嘴几何参数可提高其破岩能力,加强井底清岩和辅助破岩效果,提高PDC钻头的破岩效率。      

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。     

输送粘油时叶轮几何参数对离心泵性能的影响

试验研究了以叶片数及叶片出口角为代表的叶轮几何参数对离心泵输送粘性油性能的影响。在离心泵试验台架上,测量了输送不同粘度油品时不同叶片数及叶片出口角叶轮的外特性;对比了在泵送不同粘度介质时叶片数及叶片出口角对离心泵性能的影响程度。试验表明,叶片数与叶片出口角对离心泵性能的影响程度随输送油品粘度范围的不同而改变。分析可知,输送油品运动粘度低于１００×１０－６ｍ２／ｓ时,增大叶片出口角,能有效提高泵的输送能力;输送高粘油时,宜采用少叶片数叶轮。三叶片叶轮能在较大范围内延缓粘性对离心泵性能的影响。     

新型组合式双射流喷嘴结构优化设计

为了研究新型组合式双射流喷嘴的螺旋槽个数、收缩角、中心孔圆柱端直径、长径比对射流效果的影响规律,建立湍流有限元模型,根据现场实际工况对不同设计参数进行了数值模拟分析。分析结果表明,在50 MPa工作压力下,螺旋槽数为3时,中心孔和边缘孔射流速度将达到最佳破岩效果;根据中心孔圆柱端射流速度,选取最优收缩角为20°,最佳中心孔直径0.4mm;考虑湍动能的影响,选取最佳长径比为5。这些关键设计参数的优化为进一步提高新型组合式双射流喷嘴的破岩效率具有重要意义。     

旋转磨料射流套管开窗技术研究

径向水平井套管开小窗技术是油气开发领域的一项热点技术,提出了利用旋转磨料射流进行套管开窗的思想,并针对工程需求,在淹没条件下进行了套管开窗的实验研究。结果表明,喷嘴压降的增加导致开窗深度变大,而对开窗直径基本无影响;叶片数、叶片出口角以及喷距的变大导致开窗直径变大、深度减小;喷嘴直径增大导致开窗直径与深度均变大;围压增加则导致开窗直径与深度均迅速减小;并通过实验优选出了适用于开窗作业的叶轮参数、喷嘴参数与工作参数,能够为现场应用提供一定的指导。     

低压缩扩形喷嘴空化射流数值模拟及试验研究

针对水力喷射式海底挖沟所用锥形喷嘴冲蚀挖沟效率低等问题,基于理论分析,设计了缩扩形空化射流喷嘴。数值模拟结果发现,该喷嘴在低压1.5 MPa喷嘴压降下可以使淹没射流空化,空化发生的区域主要在扩张段。冲蚀试验揭示了喷嘴扩张段的长度对射流冲蚀效果的影响。1.5 MPa下冲蚀砂样试验结果表明:当喷嘴喉部长度为3倍喷嘴直径、扩张角为30°、扩张段长度为4倍喷嘴直径时,射流冲蚀效果最佳,试验条件下比其他3种缩扩形喷嘴的冲蚀深度及宽度分别提高125%和75%,对比锥形喷嘴分别提高73%和280%。研究结果为空化射流应用于海底挖沟提高效率提供了理论依据。     

基于正交试验的低温泵空化性能优化设计

选择叶轮进口直径、叶片进口安放角和叶片数为影响因素,设计3因素3水平正交试验方案,运用计算流体力学软件CFX对各模型低温泵进行数值模拟计算,研究不同叶轮参数对低温液氮输送泵汽蚀特性的影响。通过极差分析法确定了改善低温泵空化性能的最佳叶轮参数组合,对优化模型和原模型数值计算结果进行了对比,探究了叶轮空化初生和发展的规律,验证了正交试验优化方案的可行性。研究结果表明,叶轮参数对低温泵空化性能影响显著,在3个因素当中叶片进口安放角的影响最大,优化后的低温泵临界汽蚀余量变小,空化区域减小,整体空化性能改善明显,为低温泵的优化设计提供了参考。     

随钻堵漏工具旋流喷嘴优化设计

为了提高随钻堵漏工具的防漏堵漏性能,利用基于计算流体动力学理论建立的随钻堵漏工具旋流喷嘴的数值计算模型,研究了旋流喷嘴结构参数对随钻堵漏工具性能的影响。叶片导程和出口直径过大会导致旋转射流的速度较低;叶片数越多,叶轮的导流能力越强,旋转射流喷射的封堵面积也更大。研究结果表明,叶片导程、叶片数和喷嘴出口直径对旋流喷嘴性能有较大的影响。优选旋流喷嘴的相关参数对随钻堵漏工具防漏补漏性能的提升至关重要,为随钻堵漏工具优化设计提供一定的理论依据。     

超高压磨料射流喷嘴流场分析及结构优化

为得到超高压喷嘴的最佳射流特性,提高磨料射流切割设备的作业效率,基于两相流理论研究了流体和磨料颗粒在喷嘴收缩段和圆柱段内加速的理论计算方法,同时利用计算流体力学软件FLUENT对喷嘴内外射流特性进行仿真分析,研究喷嘴内、外速度和压力场分布情况,并对比理论计算与仿真结果。在此基础上,研究收缩段角度和圆柱段长度对喷嘴内、外射流特性的影响,确定喷嘴内部最优结构尺寸范围。研究结果表明:对于入口直径8 mm、出口直径1 mm的喷嘴,圆柱段长度范围宜选取3035 mm,收缩角范围宜选取12°13°。所得结论可为超高压磨料射流喷嘴的设计及现场应用提供参考。     

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。     

随钻堵漏工具旋流喷嘴优化设计及应用

随钻堵漏工具利用射流对井壁合理的冲击作用,使堵漏钻井液能够迅速进入漏层,在井壁形成低渗、承压能力较高的泥饼,达到防漏堵漏的目的。在分析随钻堵漏工具工作原理的基础上,设计了随钻堵漏工具旋流喷嘴,并利用COMSOL软件分析了其叶片数、喷嘴出口直径、喷嘴安装角度等结构参数对侧向旋转射流的影响规律。根据分析结果,三叶片叶轮、喷嘴出口直径7~8 mm、安装角度为0°时形成的旋转射流效果最优。大港滨海区块2口井的现场试验表明,随钻堵漏工具可大大提高堵漏地层的承压能力,防漏堵漏效果明显提高。     

油田用离心泵磨损机理和叶轮防磨损设计

针对油田进入中后期开采,地层出砂引起离心泵剧烈磨损的状况,研究了固液两相流下离心泵的磨损机理,认为固体颗粒的运动轨迹、速度及分布与泵内流场有很大关系,这些因素极大地影响泵的磨损;指出离心泵的叶轮出口附近的射流-尾流结构是离心泵内局部磨损的重要原因。理论分析、试验结果及工业应用表明,固体颗粒都有趋向叶轮工作面的趋势,采用小叶片出口角β_2、少叶片数Z和大出口宽度b_2的叶轮能减轻泵的磨损。固体颗粒粒径大时,可取出口角β_2=20～30°,粒径小时,应取β_2=15～25°;对于叶片数Z,一般取Z=4～7。     

叶轮转子式旋转冲击钻井工具输出载荷模拟分析

为研究叶轮转子式旋转冲击钻井工具输出载荷特性,基于旋转冲击钻井工具结构,借助CFD软件建立了工具的物理模型,分析了流量、转动频率、叶轮叶片数、叶轮叶片结构及出口当量直径对工具输出载荷的影响。分析结果表明:工具输出载荷呈类似正弦规律变化,其值同时受结构参数与工作参数的影响;叶轮结构以及叶片数对输出载荷幅值作用明显,且叶轮叶片与输出载荷之间存在最佳匹配值;改变流量能够显著增大静载荷,二者之间呈线性变化关系;叶轮叶片数一定时,叶轮转动频率明显存在最优值,随着频率的增加,输出载荷先增大后减小;改变出口直径对载荷幅值影响较为明显。所得结果可为旋转冲击破岩工具的设计提供理论指导。     

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。     

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。     

煤层水力自旋转射流钻头设计

高压旋转水射流技术在钻大井径、长连续孔方面具有明显优势，在煤层中钻井又具有高效、节能、钻孔大、成孔规则、破岩效率高等优点，因此在煤层气地面径向水平井技术和井下采空区钻长直井技术中广为应用。主要从理论上分析了旋转射流和射流旋转各自的流动规律、破岩过程及破岩机理，并在此基础上分析了旋转射流钻头各设计参数的取值范围，结合已有的经验值，优化设计了可控外壳旋转内导叶轮、可控中心轴旋转内导叶轮、偏置可控外壳自旋转、偏置可控中心轴自旋转等4种水力旋转式钻扩孔射流钻头。这些钻头适用于在煤层中钻孔及安全排放瓦斯气体。