淹没条件下自激脉冲射流冲蚀试验研究

为了对比不同淹没条件下连续射流和低压大流量自激吸气式脉冲射流冲蚀效果,利用自行研制的射流冲蚀系统进行了射流冲蚀石蜡效果试验研究,得到不同淹没水深下射流打击力、吸气量、石蜡冲蚀深度、石蜡冲蚀体积和石蜡冲蚀表面积等.结果表明:在不同淹没水深下,连续射流打击力大于吸气脉冲射流,而吸气脉冲射流打击力又大于不吸气脉冲射流打击力,且随着水深的增大,自吸气与不吸气之间脉冲射流打击力差值越来越小;当淹没水深较小时(≤30 m),由于气体对石蜡剥蚀作用较强,连续射流冲蚀深度小于吸气脉冲射流,而当水深较大时(≥40 m),由于吸气量变小,剥蚀作用减弱,冲蚀深度则相反;在冲蚀面积和体积上,在各种淹没水深下吸气脉冲射流冲蚀效果均好于连续射流,且随着水深的增加,两种射流的冲蚀面积和体积逐渐变小,差值也越来越小.

自激脉冲射流装置参数对性能影响试验研究

为了研究结构参数和运行参数对自激脉冲射流装置性能的影响,利用自行研制试验系统对自激脉冲射流装置结构参数和运行参数进行了大量的试验研究,得到了在上喷嘴直径12 mm和腔径120 mm的情况下,下喷嘴直径、腔长和工作压力对脉冲射流打击力和脉冲效果的影响。试验结果分析表明,对于不同的下喷嘴直径,在各个工作压力下,腔长变化对打击力的影响是不同的;当下喷嘴直径一定时,存在着获得脉冲效果的最佳腔长和工作压力范围;随着下喷嘴直径的增大,最佳腔长范围有逐渐增大的趋势。

自激脉冲射流喷嘴参数对装置能耗影响分析

为揭示喷嘴各参数变化对低压大流量自激振荡脉冲射流装置能耗的影响,本文借助数值模拟的方式,对自激振荡脉冲射流喷嘴的能耗问题进行了探讨,根据各结构参数和运行参数变化对腔内速度矢量场、腔内空化区形状即压力场、以及脉冲射流频率影响的分析结果,得到了如下论断:在合适的工况下,上喷嘴入口速度的降低将同比例降低下喷嘴出口的能量输出,上喷嘴压力提高与下喷嘴射流动能的增加成三倍关系.经过与试验结果对照,验证了这一结论,这一结果对于优化设计自激振荡脉冲射流喷嘴,指导自激喷嘴工业化设计具有重要的价值.

水下自激脉冲射流装置流场的数值模拟及试验研究

利用自行研制的淹没射流试验平台进行水下自激脉冲射流试验,得到水下自激脉冲射流驻点压力的径向和轴向分布,通过建立相应的物理模型和数学模型,对水下自激脉冲射流内外流场进行了数值模拟,得到装置内、外流场的压力和速度分布,并对计算结果进行试验验证.结果表明:自激脉冲射流在非淹没条件下,有明显的低频脉冲发生,而在淹没条件下,部分射流能量消耗在淹没水流中,以致在腔室内难以形成空化,没有产生明显的脉冲,且驻点压力大幅度减小;不同水深的径向压力分布曲线基本是相同的,近似服从高斯正态分布;轴向驻点压力均随靶距的增大而减小,其衰减特性与连续射流及非淹没情况相似,只是其在有围压情况下衰减速度更快;水下自激脉冲射流装置的内部流场存在轴心主射流低压区、两个对称的负压区、碰撞高压区,并在靠近碰撞体的腔体处产生漩涡,其外流场和冲击射流流场相似,但不存在射流核心区.

自激脉冲射流喷嘴参数对装置能耗的影响分析

为揭示喷嘴各参数变化对低压大流量自激振荡脉冲射流装置能耗的影响,借助数值模拟的方式,对自激振荡脉冲射流喷嘴的能耗问题进行了探讨,根据各结构参数和运行参数变化对腔内速度矢量场、腔内空化区形状(压力场)以及脉冲射流频率影响的分析结果,得到了如下论断,在合适的工况下,上喷嘴入口速度的降低将同比例降低下喷嘴出口的能量输出,上喷嘴压力提高与下喷嘴射流动能的增加成3倍关系。经过与试验结果对照,验证了这一结论,这一结果对于优化设计自激振荡脉冲射流喷嘴,指导自激喷嘴工业化设计具有重要的价值。

结构参数对水下自激脉冲射流装置性能的影响

在自激脉冲射流装置非淹没试验研究的基础上,对自激脉冲射流装置应用于水下淤泥处理进行了淹没工况(淹没水深0.5 m)试验研究,分析了下喷嘴直径、腔径、腔长及下喷嘴长度对装置性能的影响规律。研究表明:在淹没条件下,对上喷嘴直径一定时的某一工况,存在最优下喷嘴直径、最优腔长及最优腔径使装置性能最佳;最优下喷嘴长度与非淹没情况相同。

结构参数和运行参数对自激脉冲射流装置性能的影响试验

为了研究结构参数和运行参数对自激脉冲射流装置性能的影响,运用自行研制的试验系统对自激脉冲射流装置进行大量的试验,在上喷嘴直径为8 mm和腔径为95 mm的试验条件下,分析下喷嘴直径、腔长和工作压力的变化对脉冲射流打击力和脉冲效果的影响。试验结果表明:不同的下喷嘴直径、腔长和工作压力对脉冲射流打击力的影响是不同的;每种下喷嘴直径都存在着获得最佳脉冲效果的合适腔长和工作压力范围;随着下喷嘴直径的增大,最佳腔长和工作压力范围也有所增大。

运行参数对自激脉冲射流装置性能影响的试验研究

运用自行研制的自激脉冲射流装置就其运行参数对装置性能的影响进行了试验研究。在自激脉冲射流装置结构参数一定的情况下,分析了工作压力、工作流速、靶距等运行参数与脉冲射流装置性能之间的关系,初步得出自激脉冲射流装置的最佳运行参数范围,为工程应用提供了依据。

井下自激脉冲射流增能装置设计及其射流冲击特性

利用流体附壁效应,结合涡流能量转向冲击和反馈通道强制转向原理,研制出一种新型井下自激脉冲射流增能装置.采用控制变量法对装置的结构参数进行数值模拟,分析了不同结构和运行参数下脉冲射流的冲击特性,并制作样机,进行室内试验.研究结果表明:进出口直径比为0.71~1.18时,形成的脉冲效果良好,随着进出口直径比的增大,脉冲频率呈增大趋势,脉动压力振幅则呈现下降趋势,最大压力振幅为10.20 MPa;随着分流板喷距的增大,脉冲频率呈先增大后减小趋势,脉动压力振幅呈先减小后增大趋势;随着反馈通道截面比的增加,脉冲频率逐渐增大,而脉动压力振幅基本保持不变;涡流换向圆直径的变化对脉冲频率和脉动压力振幅影响较小;脉冲频率随来流雷诺数的增大而增大,雷诺数大于3.56×10^(5)时频率基本不再增大,但脉动压力振幅随来流雷诺数的增大而不断增大.

自激脉冲射流装置的压力特性分析

利用自行研制的试验系统对自激脉冲射流装置压力特性和打击力进行了试验研究,探讨了腔长和工作压力对射流打击力和脉冲效果的影响,研究了自激脉冲射流装置腔壁不同部位的压力变化特点和打击力变化特点。试验结果表明,当腔长较小时,装置在各个工作压力条件下均没有脉冲效果,随着腔长逐渐变大,逐渐产生脉冲效果,并在一定的工作压力范围内取得最佳脉冲效果;在射流核二侧形成的漩涡型空化气囊,是产生脉冲射流根本原因;当脉冲效果较好时,装置腔壁不同部位的压力与打击力变化呈现明显的周期性,但装置不同部位压力和打击力之间的变化周期并不同步。

自激脉冲射流装置结构参数的无量纲研究

运用无量纲分析法,对一定入口条件下自激脉冲射流装置主要结构参数对无量纲打击力的影响进行了实验研究,得到了无量纲打击力随各结构参数配比的变化规律,确定了自激脉冲射流装置无量纲结构参数的优化范围.实验结果表明,当入口条件一定时,存在获得较好打击效果的喷嘴面积比和腔长范围;腔径一定时,无量纲打击力随腔长的增大而减小;腔长对自激脉冲射流装置打击效果的影响较腔径大.

运行参数对自激脉冲射流特性影响的小波分析

以自激吸气脉冲射流装置冲击试验得到的压力脉动时域波形为基础,运用Savitzky-Golay平滑后的提升小波法对装置内压力脉动及靶心冲击压力脉动进行时频特性分析。结果表明,围压、工作压力和装置是否吸气对装置压力脉动特性影响较大;射流压力脉动随围压的增大逐渐降低,围压低于30 m的射流压力脉动幅值大于围压高于30 m以上的压力脉动幅值;装置内的射流压力脉动随着工作压力的增大逐渐下降,而靶心射流冲击压力脉动随工作压力的增大逐渐上升;装置吸气的射流压力脉动大于装置不吸气的压力脉动,装置吸气时下喷嘴和靶心的射流冲击压力脉动及其脉动频率比较稳定,主频带明显。水下自激吸气脉冲射流装置具有选择、放大和稳定射流压力脉动的功能。

自激脉冲射流在喷射钻井中的应用研究

脉冲射流能够在能级相同的情况下增大射流的瞬时冲击力,可以提高射流的辅助破岩和清除岩屑的效果。本文介绍了利用流体动力学和水声学的基本原理在特殊喷嘴结构中产生自激脉冲射流的机理,通过实验研究了腔室结构参数和回压等因素对自激效果的影响规律。

环空流体强化自激脉冲淹没水射流调制与破煤特性

针对下向孔淹没水射流卸压增透技术的瓶颈问题,即冲击力弱、破煤效率低、冲割煤量少、适应性差等,提出了环空流体强化自激脉冲水射流下向孔破煤增透思想和原理,以破除孔底压持效应和水垫增阻效应,提高淹没状态水射流的冲击力和破煤效率。采用大涡模拟、打击力测试和冲击釜破煤实验等研究方法,研究了淹没条件下环空流体强化自激脉冲水射流的高效调制和破煤特性。首先建立了适用于煤矿下向孔增透的环空流体强化自激脉冲喷嘴物理模型,优化了喷嘴结构参数;然后研制了淹没脉冲射流高频打击力测试系统和环空流体强化自激脉冲水射流喷嘴,量化分析了环空流体强化自激脉冲喷嘴在淹没环境中的打击力和流场特性;最后研发了淹没水射流破煤实验系统,开展了淹没水射流破煤实验,揭示了环空流体强化自激脉冲水射流的破煤特性。研究结果表明:在煤矿下向孔工程条件下,由两侧带有自吸口的亥姆赫兹型自激脉冲喷嘴能够有效产生环空流体强化自激脉冲水射流,最优喷嘴结构参数为上喷嘴直径d1=3 mm、壁面碰撞角α=120°、下喷嘴直径d2=3.6 mm、振荡腔腔长L=10.5 mm、振荡腔腔径D=27 mm、引入口直径d3=4.2 mm,泵压为10 MPa时卷吸环空水量最大值为0.28 L/s,平均0.19 L/s;泵压相同时环空流体强化自激脉冲水射流与自激脉冲水射流主频相近,环空流体强化自激脉冲水射流的主频为253~285 Hz,而自激脉冲水射流的主频为251~282 Hz;环空流体强化自激脉冲水射流的峰值打击力分别为自激脉冲水射流、连续射流峰值打击力的1.05~1.08倍和1.63~1.89倍,平均打击力是自激脉冲水射流的1.09~1.16倍,反映了环空流体强化自激脉冲水射流在淹没状态下能够持续产生较大的打击力,具有良好的脉冲射流特性;相同泵压和靶距条件下,环空流体强化自激脉冲水射流比自激脉冲水射流、连续水射流对煤样的破坏效果更强;环空流体强化自激脉冲水射流具备良好的冲蚀煤体破坏效果,约88.65%的煤渣粒度在8 mm以下,当泵压为10 MPa,靶距为10d1时,冲蚀时间为10 s,射流对煤样的冲蚀作用最佳,冲蚀深度47.32 mm,冲蚀体积15.7 cm3。研究成果不仅可破解煤矿下向孔水射流增透的瓶颈问题,同时具有少掘岩巷、节省成本的优势,有望替代和超越上向孔水射流卸压增透,在煤矿瓦斯灾害防治和煤层气开发领域,具有广阔的应用前景。

喷嘴几何参数对自激吸气脉冲射流性能影响的正交试验

为确定自激吸气脉冲射流喷嘴的几何参数及其交互作用对其性能影响的显著性及重要性次序,运用正交试验的方法,对自激吸气脉冲射流喷嘴的吸气性能和冲击性能进行试验研究,并通过极差分析和方差分析研究了喷嘴面积比、相对腔内面积、相对腔长等因素及其交互作用对装置的吸气性能和冲击性能影响的敏感性.2种分析方法得到的结果一致表明,自激吸气脉冲射流喷嘴几何参数对吸气性能影响的主次顺序依次为相对腔长、相对腔内面积、相对腔长与相对腔内面积的交互作用、喷嘴面积比与相对腔内面积间的交互作用、喷嘴面积比;几何参数对喷嘴冲击性能影响的主次依次顺序为喷嘴面积比、相对腔内面积、相对腔长与喷嘴面积比的交互作用、相对腔长,其中前两者对喷嘴冲击性能影响远大于后两者.验证性试验证实了正交试验结论.

吸气对水下自激脉冲射流装置压力特性的影响

通过实验手段对水下自激脉冲射流装置不吸气和吸气条件下的压力特性进行了研究,得到了装置不吸气和吸气条件下典型测点压力和靶盘驻点压力,研究了吸气对装置典型测点和驻点压力的影响规律,分析了吸气量、典型测点以及驻点压力的时间变化过程.研究结果表明:在不同下喷嘴直径和围压下装置吸气后腔壁测点和碰撞体测点压力均是上升的,但下喷嘴测点压力变化在不同下喷嘴直径下与围压高低有关;吸气量的变化主要取决于碰撞体测点压力的变化,与下喷嘴测点和腔壁测点压力变化无关;装置吸气后靶心附近驻点压力上升,而远离靶心位置驻点压力下降,吸气具有明显的聚能效果,下喷嘴直径对靶心及第1圈驻点压力影响较大,其它位置影响较小;吸气后装置碰撞体测点、下喷嘴测点压力时间变化过程具有明显的脉冲效果,且下喷嘴直径对靶心驻点压力的脉冲效果影响较大.

自激吸气脉冲射流装置运行参数正交试验研究

为了解运行参数对自激吸气脉冲射流装置性能影响的重要性次序,探究各运行参数间是否存在耦合作用,运用正交试验方法,选取最佳配比范围内的自激吸气脉冲射流装置,对不同运行参数下的自激吸气脉冲射流装置的吸气性能和冲击性能进行了试验研究,分析了围压、工作压力、射流靶距等运行参数对装置性能的影响程度及敏感度。结果表明:各运行参数对装置吸气性能影响的主次顺序为工作压力、围压、射流靶距以及工作压力和射流靶距的交互作用;对装置冲击性能影响的主次顺序是射流靶距、工作压力、围压以及工作压力和射流靶距的交互作用。最后,探讨了各运行参数对靶盘径向压力分布的影响。

淹没条件下自激振荡脉冲水射流冲蚀试验研究

为了提高射流的冲蚀能力,利用自制的自激振荡喷嘴,在淹没条件下进行水射流冲蚀自制砂浆试块的试验研究,得到不同工况下的水射流冲蚀效果。结果表明,靶距对冲蚀效果有明显的影响;脉冲射流的冲蚀体积与冲蚀深度随着腔长的增加,先降低再增加,到达峰值后逐渐递减,在腔长LC=4.5 mm时,冲蚀体积达到最大;在相同工况下,脉冲射流的冲蚀体积比连续射流提高约37.1%～52.3%。

新型自激脉冲射流装置实验与现场应用

自激脉冲射流能够产生较大的瞬时冲击能量,可进一步提升破岩、解堵和储层改造等作业的效率,提高油气井单井产量。利用流体附壁效应,结合反馈通道强制转向理论,研制了一种新型自激脉冲射流装置。采用有限元数值模拟方法对装置的结构参数进行模拟,分析了不同结构参数对装置性能的响应特性。开展了冲击性能物理模拟评价实验,对装置在不同排量下产生的脉冲射流冲击载荷进行了测试,并进行了大尺寸花岗岩表面冲蚀物理模拟实验,根据花岗岩试样内部和表面的破坏形态得出了脉冲射流破岩特性。使用该装置在新疆油田石西区块实施储层改造,通过现场试验对比增产效果。研究结果表明:进出口比对喷枪内腔压力幅值敏感性最强,反馈通道截面积比对装置频率敏感性最强;随着排量的增加,装置出口脉冲射流冲击载荷极值、幅值均近线性增长,且冲击载荷有明显的脉冲波动效应,充分说明了附壁摆动腔有着良好的波动性能,可产生规律的脉冲射流;随着排量增加,自激附壁脉冲射流装置的喷枪内腔压力呈相应增长趋势,且具有良好的脉冲波动特性,喷枪内腔压力波动幅值随排量增加呈近线性增长;自激脉冲射流引发的花岗岩试样振动较连续射流更为强烈,加速度变化幅值为常规射流的3.4倍;新装置产生的脉冲射流具有更强的岩石表面破碎能力和岩石内部径向破坏能力;与不使用该装置的压裂施工相比,储层增产改造效果显著提高。研究结果不仅可为新型自激脉冲射流装置的研发提供新思路,同时可为压裂储层增产改造提供技术支持。

自激振荡脉冲射流装置的固有频率特性

运用流体网络理论建立了自激振荡脉冲射流装置的相似网络模型 ,数值计算分析了系统频率特性 .计算表明 ,该喷嘴装置具有压力谐振特性和低通滤波特性 ,其固有频率主要由喷嘴的形状、结构参数和波速决定 ,流体压力和振荡腔长对系统的频率特性影响很大 ,存在产生最大谐振峰值的最佳腔长范围 ,计算结果与实验吻合 .另外还提出了喷嘴的设计准则 .