空化射流空化云形态变化规律和流场稳定性研究

高压水射流具有强力的冲蚀能力,在钻井工程中取得了良好的应用效果,而射流过程中会发生空化现象,该现象伴随着高温高压,是影响射流冲蚀能力的关键因素之一.喷嘴的结构对射流的空化发生能力有很大影响,分析空化射流流场特性和喷嘴结构之间的关系,是高压水射流射流研究的一个重要内容.本文采取可视化实验方案,用3D打印的风琴管式自振空化...     

非自由淹没水射流CFD仿真研究

依据井底高压水射流破岩条件建立物理模型,利用计算流体动力学方法对非自由淹没射流流场进行计算。计算结果表明,射流速度场存在等速核区、衰减区和撞击区。将计算结果与经验公式进行对比,证明了模型的准确性和计算结果的可靠性。通过分析喷嘴出口速度、喷距和喷嘴出口直径对射流轴向速度的影响规律,得出结论:(1)喷嘴出口速度对射流结构和轴向速度衰减影响较小;(2)当无因次喷距L/D<12时,射流没有衰减区,仅存在等速核区和撞击区;(3)当L/D≥12时,喷距对射流结构的影响非常小,对等速核长度几乎没有影响。     

连续管配合高压水射流的海底管道解堵研究

目前我国针对海底油气管道的堵塞问题尚没有经济有效的处理方法。通过对海底管道的作业环境进行分析,并参考前人的作业案例,以连续管为下入工具,以高压水射流技术为解堵方案,对方案的可行性进行了研究。在建立下入工具最大下入深度计算模型的基础上,分析了高压水射流冲击堵蜡的作用效果。分析结果表明:将连续管作为下入工具,存在最大下入深度的约束;一定范围内射流压力越大,冲击深度越大,但是受喷嘴对射流结构的影响,喷嘴一定,其射流核心段和基础段的长度固定,冲击深度一定;水射流对于蜡的破坏作用明显,能很快解除蜡堵,射流压力越大,其解堵效果越好。研究内容为解决海底管道的堵塞提供了新方法。     

喷嘴结构对高压射流特性影响研究

自20世纪70年代以来,高压水射流技术已在各工业领域逐渐得到了广泛应用,但迄今仍未能大规模采用,原因是还存在一些有待解决的问题,其中最为迫切的就是如何提高喷嘴射流效率、充分利用其能量的问题。喷嘴是水射流技术应用中获得高能量利用率的关键因素之一,其结构好坏直接影响射流质量。为充分发挥喷嘴最大效率,最大限度地利用水力能量,国内外有关专家从理论分析、数值计算和实验研究3个方面对喷嘴结构与高压射流特性的关系进行了研究分析,结果表明喷嘴结构对射流流动特性、冲蚀性能、空化现象等产生重要影响,指出提高喷嘴效率应当着眼于以下几个方面:加强基础研究;改变射流作用方式、将连续射流调制成脉动射流;充分利用空化空泡破裂压力,研制开发优质喷嘴,以期对拓宽水射流技术在工业中的应用有所帮助。     

径向钻井高压水射流喷嘴内外流场分析

径向钻井高压水射流技术目前在国内外得到了广泛应用。对射流喷嘴内、外流场进行数值模拟分析将为选择合理的喷嘴结构以及为高压水射流破岩的进一步研究奠定基础。根据射流动力学原理,建立了单喷嘴轴对称淹没射流破岩的物理模型和数学模型,运用Fluent软件对径向钻井高压水射流喷嘴内、外流场进行了数值模拟,并分析了在不同喷距和入口流量下喷嘴内、外流场的规律。分析结果表明,射流轴线上存在速度衰减性、圆柱段速度保持性和最大速度偏移性;当射流冲击到径向井底后,在井底壁面上产生水垫,对喷头的推进产生阻碍作用;在径向钻井高压水射流中会产生滞止现象,将不利于钻井过程中岩屑的快速移运。     

新型高压水射流试验系统的研制与测试

针对水射流研究领域试验设备存在的不足,研制了一套集试验及控制功能于一体的高压水射流室内试验系统。该系统主要由高压水射流试验台、磨料供给系统、3DPIV测试系统、模拟井下围压测试系统、高压水射流试验状态监测与压力流量采集系统等子模块组成。通过不同模块组合,该系统可用于新型喷嘴设计开发,喷嘴性能测试与结构优化,非淹没条件下射流破碎靶体性能分析,模拟井下围压环境下射流冲蚀靶体性能评价,射流辅助钻井等钻进相似模拟试验与性能测试,射流发生系统结构设计、优化与性能测试,以及新型射流形成机理与射流结构分析。初步试验结果表明:该系统功能齐全、操作简单、安全性高。新型高压水射流试验系统的成功研制,为高压水射流技术在石油工程中的应用奠定了基础。     

高温蒸汽射流清洗稠油管技术研究

针对稠油管油垢堆积和难清洗等问题,研发了高温蒸汽射流清洗技术。通过理论及数值模拟确定了高温蒸汽射流清洗系统运行的最优温度、蒸汽压力、蒸汽用量及喷嘴结构尺寸等关键参数。现场试验及模拟结果表明,蒸汽射流喷嘴内的温度和压力在管内呈梯度分布,可提高蒸汽射流在稠油管内的凝结潜热释放效率,有效清洗附着在管壁的稠油油垢;高温蒸汽射流清洗与其他射流介质清洗技术相比更节能、环保,能收到更好的清洗效果。高温蒸汽射流清洗系统有效地解决了稠油管清洗难题,为我国的稠油管清洗保养提供了技术支持。     

粒子射流冲击破岩喷嘴的参数优化与试验研究

在粒子射流冲击破岩过程中,喷嘴作为粒子和水射流的核心加速装置,其加速能力决定了破岩效果的好坏。针对锥直型、等变速型和流线型喷嘴,建立了粒子和水射流在喷嘴中的加速模型、压降模型以及能量转换效率数学模型,通过数值模拟分析了不同喷嘴对粒子水射流加速能力的影响,对喷嘴的流道类型及尺寸进行了优化,依据优化结果对研制的喷嘴进行了破岩试验和流场仿真。分析结果表明:收缩段长度为15 mm的等变速型喷嘴具有较高的加速能力和能量转换效率;研制的喷嘴可应用于粒子冲击钻井破岩工艺。所得结论可为粒子射流冲击破岩装置的现场应用提供参考。     

用于清洗除锈的淹没空化水射流喷嘴实验研究

为提高储油罐和输油管道清洗除锈的效率和安全性,探索空化水射流应用的新方式,设计了4种不同的淹没空化水射流喷嘴。采用冲蚀试件的方法,对4种淹没空化水射流喷嘴的冲蚀性能进行了实验,并与角形喷嘴进行比较,重点对内喷嘴入口压力和靶距两个关键因素进行了对比分析。研究结果表明:射流自喷嘴喷出后成白雾状,且伴随着刺耳的噪音,噪音表示空泡破裂的声音;提高内喷嘴入口压力可以有效提高喷嘴的冲蚀能力,由于空化效应的存在,4种淹没空化水射流喷嘴的冲蚀能力均强于角形喷嘴的冲蚀能力;在相同条件下,淹没空化水射流喷嘴外喷嘴收缩段流线型结构优于锥形结构,锥形结构优于圆柱形结构;靶距过大和过小都会影响射流的冲蚀能力,最优靶距与喷嘴的结构有关,所设计的淹没空化水射流喷嘴的最优靶距在30~40 mm之间。该实验研究对储油罐和输油管线清洗除锈具有借鉴意义。     

机械清罐清洗效率影响因素的数值模拟

为提高机械清罐的清洗效率,明确清洗过程中各因素对清洗速度的影响,运用流体动力学Fluent计算软件并结合UDF编程,采用VOF模型对同种油清洗过程中储罐内流场进行数值模拟,建立了高压射流机械清罐过程中储罐和喷嘴的计算模型,分析了喷嘴不同入射速度、不同移动速度和清洗液不同温度条件下清洗效果的变化规律,指出同种油清洗过程中,喷嘴射流速度最优范围为28~31 m/s,清洗液温度最优范围为333~338 K,喷枪旋转速度最优范围为0.3~0.5r/min。研究结果可为机械清罐现场作业提供参考。     

大尺寸旋转水射流解堵工具的研制及特性测试

目前的自振空化旋转水射流井下解堵装置的最大使用井眼直径仅为178.0 mm,不满足现场使用要求;喷头的旋转速度随排量和驱动压力的增大而线性增大,大排量和高压条件下喷头旋转速度过快,易导致射流雾化。为此,设计了一种适用于244.5 mm井筒的大尺寸旋转水射流解堵工具,并通过地面试验研究了工具的旋转特性和冲击压力特性。该工具结构简单,易于机加工,既可用于水力解堵,也可用于酸洗解堵,喷嘴数量可根据地面设备情况自由组合。试验结果表明,在泵压一定的情况下,随着喷距的增大,射流冲击压力逐渐减弱,在所试验的驱动压力下,射流处理深度可达700 mm;在相同的驱动压力下,径向解堵喷嘴使喷头旋转速度降低,有利于延长径向喷嘴清洗炮眼的作用时间,增强处理效果。     

高压水射流清洗技术及其在管道除垢中的应用分析

因人工清洗、化学清洗、机械清洗等传统清洗技术均存在一定缺陷,对清洗成效造成影响,因此,本文对高压水射流清洗技术及其在管道除垢中的应用展开分析。本文首先对管道常规清洗现状予以分析,其次对高压水射流清洗技术原理及优势予以分析,再次对高压水射流清洗技术在管道除垢中的应用如多功能高压纯水射流清洗、磨料水射流清洗及机器人射流清洗等加以阐述。     

旋转喷头射流工具水力参数优化及结构参数优选

旋转喷头射流工具能产生高速射流，并且在射流反冲力作用下推动喷头旋转，形成复杂的旋转射流，可实现油管和套管高效清洗。以7 000 m井深条件下?73 mm油管为例，设计了与?44.5 mm连续管配套的?54 mm系列旋转喷头射流工具，开展了旋转喷头射流工具水力参数优化，并利用计算流体力学方法对工具结构参数进行优选。研究表明:当排量为270 L/min时旋转喷头射流工具的射流速度约为170 m/s，系统总压耗约为42 MPa，可以满足清洗要求；随着侧向喷嘴偏移半径增加，侧向喷嘴产生的反冲击力矩近似线性增加，其对壁面冲击压力先降低后升高；随着倾斜角度的增加，倾斜喷嘴对油管内壁冲击压力增加；转速在60~360 r/min内，倾斜喷嘴对壁面冲击压力变化不大；最优的结构参数组合为侧向喷嘴偏移半径12 mm、倾斜喷嘴倾斜角度75°、前倾喷嘴角度15°。该研究可为旋转喷头射流工具现场施工和参数优化提供指导。     

超高压射流辅助钻井钻头设计

水射流作为一种新型切割工具运用于石油钻井中,与机械联合破岩可提高破岩效率.根据破岩机理、井队设备与地面条件,不改变原来三牙轮钻头的结构,设计了超高压射流辅助钻井钻头.钻头的设计主要包括高压合金管的设计、定心夹具的设计、喷嘴的设计以及超高压连接体的设计.     

超高压磨料射流破碎切割实验研究

利用 30 0 MPa超高压射流切割实验系统 ,针对影响高压磨料水射流切割破碎效果的不同因素 ,对不同性质的材料进行了后混合磨料射流切割实验研究。实验表明 :射流的驱动泵压与切割效果成正比 ,随磨料直径减小 ,切割深度增加。喷嘴横移速度和喷距增加将导致切割深度降低。高聚物聚丙烯酰胺添加剂会导致超高压后混合磨料水射流切割效果的降低。对大理石、花岗岩和标准铝板等材料的实验表明无空隙材料的切割深度低于有空隙材料。     

空化水射流物理化学效应分析

空化水射流是射流流场某点压力降至饱和蒸汽压以下,伴随有气泡产生、长大和破灭过程的一种新型射流,空泡溃灭产生瞬间高温和高压现象,伴随有H^＋和OH^＋等强氧化物质的产生。利用高温、高压及微射流等物理效应,可以显著地提高射流清洗、除锈、破碎效果及改善金属表面性能的能力。通过机械剪切、热解、自由基氧化和超临界水氧化等化学效应,可以对毒性难降解有机物进行化学降解。空化水射流在石油、矿业及环保等领域具有广阔的应用前景。     

自激振荡脉冲射流喷嘴结构优选试验研究

高压水射流是钻井提速的基本技术手段。自激振荡脉冲射流是一种特殊的高压水射流,因其结构简单、全金属性及充分利用钻井液能量等优点,成为深井、超深井钻井提速研究热点。根据流体网络集中参数理论,设计了室内试验装置和试验方法,对自激振荡脉冲射流元件的结构参数与射流特性进行了室内试验分析。结果表明:流体网络集中参数理论能够很好地描述射流元件的振荡特性;当上下喷嘴直径比为0.75、腔长腔径比为0.80、喷嘴锥角为120°时,自激振荡脉冲射流性能最好。     

超高压磨料射流碎碎切割实验研究

利用300MPa超高压射流切割实验，针对影响高压磨料水射流切割破碎效果的不同因素，对不同性质的材料进行了后混合磨料射流切割实验研究。实验表明：射流的驱动泵压与切割效果成正比，随磨料直径减小，切割深度增加。喷嘴横移速度和喷距增加将导致切割深度降低。高聚物聚丙烯酰胺添加剂会导致超高压后混合磨料水射流切割效果的降低。对大理石、花岗岩和标准铝板等材料的实验表明无空隙材料的切割深度低于有空隙材料。     

高压水射流解堵增产增注技术

针对高含水后期油田和稠油低渗油田在钻井、完井及井下作业和生产过程中，由于污染和机械杂质沉淀造成油田产量下降的问题，通过室内研究和现场试验，研制成功了高压水射流深穿透射流解堵技术。介绍了高压射流工具的结构组成和工作原理，并根据水动力学原理，推导计算了作用于高压射流工具喷嘴处压力和喷嘴出流对炮眼的冲击力，并可根据地层堵塞程度确定射流的合理施工压力。通过现场施工应用情况表明，该技术一水井有良好的解堵效果     

基于神经网络的高压水射流冲蚀破碎预测模型的研究

在室内高压水射流冲蚀破岩试验结果的基础上，利用人工神经网络的基本特征．建立了高压水射流冲蚀破碎体积与射流压力、围压和喷距之间的数学模型，将其用人工神经网络的连接权值矩阵和节点阈值向量分布式表达出来，并应用人工神经网络进行了射流冲蚀破碎预测，预测结果与试验结果十分吻合，说明应用人工神经网络所建立的描述高压水射流冲蚀破碎体积与射流压力、围压、喷距之间关系的模型是可靠的。