天然气水合物旋转空化射流冲蚀性能研究

为提升水射流破碎开采天然气水合物效率,设计一种旋转空化射流喷嘴。首先,基于ANSYS FLUENT 19.0计算流体力学软件建立收缩-扩张型空化射流及旋转空化射流三维数值模型,对比分析射流速度场、压力场及气相分布的发展规律。然后,通过水合物二次合成的方式,提出一种天然气水合物沉积物试样冲蚀孔深及孔径定量表征方法。最后,基于自主设计研制的天然气水合物生成及空化射流冲蚀可视化实验装置,进行收缩-扩张型空化射流及旋转空化射流冲蚀天然气水合物沉积物室内实验,测试旋转空化喷嘴性能。研究结果表明:旋转空化射流扩散性强,轴心线速度衰减快,径向与切向速度大,卷吸掺混能力强,破碎面积大;旋转空化射流的“负压”分布范围及极值较收缩-扩张型空化射流大幅度增加,具有更强的空化初生能力及空蚀效应;2种射流中气相分布具有相同的周期性,旋转空化射流本身具有旋转速度,在剪切层内形成了大量包含空化泡的旋涡和空泡群,空泡群产生联动效应提升了射流的空蚀能力;旋转空化射流冲蚀水合物沉积物形成的孔深及孔径分别是收缩-扩张型空化射流的2.5倍和2.0倍,在扩孔效应的基础上,空蚀效应伴生的高温、高压及微射流特性破坏水合物沉积物的骨架,降低了破坏门限压力,获得了更佳的冲蚀效果。该研究可为空化射流钻径向水平井+筛管完井一体化方法开采天然气水合物提供理论依据。

旋转空化喷嘴结构优化设计及涡旋特性分析

为提升高压水射流破碎开采天然气水合物的效率,优化设计一种旋转空化射流喷嘴。利用计算流体力学方法探究不同叶轮数、叶轮加旋角度、入口速度和出口围压对旋转空化射流特性的影响规律,对比分析旋转空化射流和收缩-扩张型空化射流的流场分布规律、涡旋特性及天然气水合物沉积物的破碎特征。研究结果表明:叶轮加旋角度对旋转空化射流的影响明显比叶轮数的影响大,叶轮数及叶轮加旋角度的优化值分别为3个和360°;在喷嘴结构固定的情况下,提高入口速度能获得空蚀及射流冲蚀能力更强的旋转空化射流,而围压升高则会弱化流场中空化云的初生与发展;旋转空化射流因兼具正向冲击、径向张力及周向剪力和“梭形”空化云特点,较收缩-扩张型空化射流有更优的破岩效果;叶轮旋转效应所产生的中心涡使得旋转空化射流的涡结构更加复杂,流场中更易形成“负压”区以提升射流的空蚀能力。