自激振荡脉冲SC-CO_(2)射流冲击频率调制

SC-CO_(2)射流钻完井技术能保证煤层气井稳定性、提高钻井速度和破岩效率,具有广泛的应用前景。但较高的破煤能耗和复杂的系统限制了其工程推广,自激振荡脉冲SC-CO_(2)射流冲击频率和煤岩体的固有频率相同或满足相位关系,能充分发挥谐振效应,达到更好的破煤效果。喷嘴结构是影响射流冲击频率的关键,现有的自振脉冲水射流频率调制方法并不适用于SC-CO_(2)射流。为实现对SC-CO_(2)射流冲击频率的调制,采用大涡模拟研究不同喷嘴结构对自激振荡脉冲SCCO_(2)射流冲击频率的影响规律,通过权重分析得到不同喷嘴结构参数对射流冲击频率的影响程度。采用射流冲击频率测定实验及破煤实验验证喷嘴结构对射流冲击频率的影响规律以及射流冲击频率调制方法的可靠性。结果表明:振荡腔直径、振荡腔长度、碰撞壁角度是影响射流冲击频率的关键因素,可通过调节振荡腔结构实现对射流冲击频率的大幅调制,从而达到谐振效应。调节振荡腔结构使射流冲击频率与煤的固有频率形成谐振时破煤效果显著提升,且谐振倍数越小,射流破煤效果越好,能够有效提高破煤效率。当煤的固有频率是25 Hz时,设置上游和下游喷嘴出口直径为2.5、3.0 mm,调节振荡腔直径、长度、角度分别为10 mm、3 mm、120°,射流冲击频率达到25051.83 Hz,是煤体固有频率的1002.0倍,与煤的固有频率形成谐振效应,有效提高了破煤效率。

基于谐振效应的自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流最优冲击靶距研究

超临界二氧化碳(SC-CO_(2))射流在钻井工程中具有广泛应用前景,并且其破煤压力阈值低、效率高,能够提高钻井效率。但因其较高的破煤门限压力和系统能耗,限制了其推广应用。自激振荡脉冲SC-CO_(2)射流的高脉冲压力和谐振效应可有效降低破煤门限压力,显著提高破煤效率。基于此,开展了自激振荡脉冲SC-CO_(2)射流脉冲频率和脉冲压力幅值对谐振破煤的综合作用研究。采用大涡模拟分析了射流流场结构,明确了流场轴向上脉冲频率和脉冲压力幅值的变化规律;通过脉冲特征测试实验研究了靶距对射流冲击频率和冲击压力的影响,并通过冲击破煤实验研究了脉冲特征对破煤的综合影响,得到了以下结论:自激振荡脉冲SC-CO_(2)射流脉冲频率和压力幅值在射流轴向处并不会保持不变,随着靶距的不断增大均呈现逐渐减小的趋势。仅考虑脉冲频率并不能将谐振效应最大化,需要综合考虑脉冲频率和压力幅值对谐振效应的影响。采用位移响应振幅表征谐振效果,能够反映频率和幅值对谐振的综合影响。靶距较小时,即0~15 mm,位移响应振幅的主要影响因素为脉冲压力幅值;靶距较大时,即15~30 mm,其主要影响因素转变为脉冲频率。减小脉冲频率并增加压力幅值能够有效提高位移响应振幅。不同喷嘴结构条件下,位移响应振幅主要影响因素的转变位置不同,同时最优靶距也并不相同。该研究中,喷嘴a的最优靶距是22 mm,此处的位移响应振幅最大,破煤效果最好,而喷嘴b的最优靶距是26 mm。

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-CO_(2))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-CO_(2)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-CO_(2)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CO_(2)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-CO_(2)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-CO_(2)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。

Impact frequency variation of self-excited oscillation pulsed supercritical carbon dioxide jets

In order to obtain the impact frequency of resonant coal breaking by self-excited oscillation pulsed supercritical carbon dioxide(SC-CO_(2))jet,large eddy simulation was used to analyze the formation and development process of self-excited oscillation pulsed SC-CO_(2)jet,the variation of jet impact frequency in the nozzle and the free flow field,and the variation of jet impact frequency at different positions in the jet axis and under different cavity lengths.The test device of jet impact frequency was developed,and experiments were performed to verify the conclusions of the numerical simulations.The results show that the frequency of the self-excited oscillation pulsed SC-CO_(2)jet is different in the nozzle and the free flow field.In the nozzle,the frequency generated by the fluid disturbance is the same,and the jet frequency at the exit of the nozzle is consistent with that inside the nozzle.In the free flow field,due to the compressibility of CO_(2),the pressure,velocity and other parameters of SC-CO_(2)jets have obvious fluctuation patterns.This feature causes the impact frequency of the self-excited oscillation pulsed SC-CO_(2)jet to decrease gradually in the axis.Changing the cavity length allows the adjustment of the jet impact frequency in the free flow field by affecting the disturbance frequency of the self-excited oscillation pulsed SC-CO_(2)jet inside the nozzle.

腔径比对自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流性能影响

井壁稳定性低及煤层透气性低是限制煤层气开采的关键因素,超临界二氧化碳射流钻井技术在煤层气开采中有其独特的优势,由于其高密度、低黏度和扩散性强等特点,在增强井壁稳定性及提高采收率的同时,能够实现二氧化碳的地下封存。但较高的系统能耗限制了超临界二氧化碳射流钻井技术的推广应用。在此基础上,自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流技术降低了系统能耗,推动了碳利用、封存技术的应用。为丰富完善自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流理论,开展腔径比对于自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流性能的影响研究。基于流场结构角度,采用数值模拟优选出适用于自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流的腔径比范围,分析腔径比对射流脉冲性能的影响。开展不同腔径比条件下,自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流的脉冲压力测试实验,得出腔径比对于自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流脉冲压力的影响规律。采用自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流破煤岩实验系统,开展不同腔径比条件下的自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流破煤实验,对比验证不同腔径比条件下的射流脉冲性能。结果表明:腔径比并非孤立的影响因素,其与上游喷嘴直径相关共同影响射流的脉冲性能及破煤效果。不同的上游喷嘴直径存在与其匹配的最优腔径比,匹配度越高,自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流的脉冲压力越大、破煤效果越好。上游喷嘴直径分别为2.6,2.4 mm,腔径比分别为3.5,3.0时,自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流的脉冲性能最佳,射流破煤效率最高。