双空化射流中心体结构优化及破煤岩特性

水射流割缝造网技术是增加煤层透气性、提高煤层气开采效率的有效途径。与普通水射流相比,空化射流因空泡溃灭产生的强大冲击具有更高的破岩效率。为进一步增强空化射流破煤岩能力以促进煤层气开发,分别利用中心体和高低压射流产生绕流空化与剪切空化来提升空化效应,提出了新型的非淹没双空化射流。基于多相流Mixture模型和RNGk-ε输运方程,对不同嵌入深度与不同形状中心体下的流场进行了数值模拟,分析了射流流场气含率和轴线速度分布特征,得到了双空化射流中心体结构的最优参数。随后,结合群泡溃灭动力学理论,将最优中心体结构下双空化射流的压力与气含率作为边界条件,利用多物质流固耦合算法与ALE(任意拉格朗日-欧拉)算法对双空化射流冲击煤岩进行了耦合求解。探究了煤岩破碎过程中流体与固体的相互作用特征及煤岩的破碎过程,并对比分析了双空化射流与普通水射流的破岩效果。研究结果表明,在中心体嵌入深度l=0.5 mm时,双空化射流的含气区域最大,在距中心体末端10 mm位置处气含率可达0.9,空化效果最好;中心体AB端均为90°锥角时,双空化射流的集束性与空化效果同时最优。由双空化射流破煤岩的流固耦合结果可知,其对煤岩的冲蚀深度和孔径明显大于普通射流,在100μs时双空化射流对煤岩的冲蚀深度和孔径分别为普通水射流的2.4倍和1.3倍。随着时间的延长,冲蚀孔径不再明显增加,而冲蚀深度不断增大,且与冲蚀时间呈线性关系。研究结果证明双空化射流具有更强的空化效果,破煤岩能力更强,因而可在一定程度上促进煤层气的开采。

具有井下自发电及自传感功能的随钻测量新方法研究——以用于振动测量的井下摩擦纳米发电机为例

现有随钻测量系统的供电方式均有各自的适用条件,因此有必要探索新型的井下供电方式作为对现有方式的补充,或联合现有供电方式共同使用。摩擦纳米发电机源于接触起电及静电感应现象(即生活中常见的静电),具有发电机和传感器的双重功能。基于此,本文将摩擦纳米发电机原理引入地质勘探领域,提出了一种可用于井下自供电(也叫自发电)及自传感的随钻测量新方法,并以自供电式井下振动传感器的研制为例对该方法进行阐述,同时通过大量的试验验证了传感器的高信噪比及良好的发电特性,且进一步通过280℃范围内的高温测试表明了基于该方法具有研制超高温井下传感器及超高温井下实时发电机的优势。还指出了下一步的重点研究方向及其解决途径。

基于摩擦纳米发电机的两相流气泡速度传感器的研制

两相流的气泡速度对于天然气水合物的开采至关重要,有必要进行测量,故基于摩擦纳米发电机研制了一种具有自供电功能的两相流气泡速度探测传感器。传感器基于连杆机构进行设计,巧妙地将气泡上升过程转换为传感器的摩擦起电过程,使得摩擦起电输出信号变化规律与气泡速度相对应,从而实现气泡速度的测量。传感器设计及加工完成后进行了室内试验,结果显示:当气泡速度≤0.35 m/s,且相邻气泡间距≥0.03 m时,传感器可正常工作,测量误差<5%;反之,则不适用。与现有方法相比,所设计的传感器为自供电传感器,无需外接电源便可工作,将更加适应深水的实际工况环境。