低压缩扩形喷嘴空化射流数值模拟及试验研究

针对水力喷射式海底挖沟所用锥形喷嘴冲蚀挖沟效率低等问题,基于理论分析,设计了缩扩形空化射流喷嘴。数值模拟结果发现,该喷嘴在低压1.5 MPa喷嘴压降下可以使淹没射流空化,空化发生的区域主要在扩张段。冲蚀试验揭示了喷嘴扩张段的长度对射流冲蚀效果的影响。1.5 MPa下冲蚀砂样试验结果表明:当喷嘴喉部长度为3倍喷嘴直径、扩张角为30°、扩张段长度为4倍喷嘴直径时,射流冲蚀效果最佳,试验条件下比其他3种缩扩形喷嘴的冲蚀深度及宽度分别提高125%和75%,对比锥形喷嘴分别提高73%和280%。研究结果为空化射流应用于海底挖沟提高效率提供了理论依据。     

井底围压对高压水射流的影响规律研究

随着油气资源开发的不断深入,井底围压对高压水射流的影响问题越来越突出。为了对比研究井下围压及地面模拟围压条件下高压水射流破岩性能,通过试验研究了高压水射流在井下真实围压条件与3种地面模拟条件下的破岩能力,并研究了锥形喷嘴、直旋混合喷嘴和空化射流喷嘴的破岩效率。研究结果表明:在650 m深的井底,围压约6.45 MPa,喷嘴压降仅17.08 MPa条件下,高压水射流仍能有效破岩;与井下情况相比,在地面无围压淹没条件下,破岩深度和破岩体积较大,而直径较小;在定压降模拟围压条件下,仅破岩直径与井底围压条件下相似,而破岩深度和破岩体积较小;在定排量模拟围压条件下,高压水射流很难有效破岩。分析认为,目前地面模拟围压的方法并不适合研究井下高压水射流性能,井底围压对高压水射流没有影响,无围压淹没条件可满足试验要求。通过对比不同类型喷嘴的破岩能力,推荐使用空化射流喷嘴。研究成果可为高压水射流技术在钻井、压裂和冲砂洗井等领域的应用与研究提供有益指导。     

天然气水合物岩样三轴力学试验研究

天然气水合物是一种洁净、高效、资源量巨大的新型能源,而天然气水合物的力学性质与水合物的钻探、海底地质灾害等密切相关,因此,开发天然气水合物需要了解其力学性质。为此,用覆膜砂烧结成岩样,采用原位合成方式制取不同水合物饱和度的水合物沉积物岩样,利用自主研制的水合物原位测量系统,在不同围压条件下研究了不同水合物饱和度的水合物沉积物岩样的力学性质。结果表明,水合物沉积物岩样的抗压峰值强度随着围压、水合物饱和度的增大而增大,内聚力随着水合物饱和度的增大而增大,而泊松比、内摩擦角不随水合物饱和度变化。根据库伦-摩尔准则并结合试验结果建立了围压、水合物饱和度与含水合物岩样峰值强度的半经验数学模型,可为深水水合物钻探所涉及的水合物强度参数的选取,以及室内试验的理论分析及数值模拟提供一定的支持。      

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。     

自振空化射流提高钻井速度的实验研究

空化射流用于提高钻井速度的可行性研究结果表明，在钻进作业中，利用空泡破裂产生强大破坏作用来提高钻探的效率，其效果显著，可行性高。室内实验表明，自振空化射流在比普通喷嘴射流更深的井底或更高的围压条件下，有更大的起始空化数和更强的空化能力。自振空化喷嘴起始空化数大都在1.0以上，最高达到1.67，而锥形喷嘴最高仅为0.43，围压下其冲蚀效率是锥形喷嘴的1~2倍。现场试验同样证实设计的自振空化射流喷嘴在保护钻头、减少钻头磨损及增加进尺、提高机械钻速方面有显著作用。     

围压对含水合物沉积物力学特性的影响

将实验室人工合成天然气水合物与高岭土混合制成岩心样以模拟海底含水合物沉积层,在不同围压条件下,对不同高岭土体积含量的含水合物沉积物进行三轴压缩试验。试验结果表明,当围压较低时,含水合物沉积物试样破坏强度随围压的增大而增大;而随着围压的进一步增加,试样强度有平缓下降的趋势。围压对含水合物沉积物试样的初始弹性模量影响很小,而割线模量受围压的影响较大,割线模量先随着围压的增大而增大,达到峰值后逐渐降低。高岭土含量对含水合物沉积物的内摩擦角影响不大,但对黏聚力有一定影响,随高岭土含量的增加,沉积物强度增大。图6表2参9     

海底沉积物中天然气水合物生成和分解规律研究进展

对国内外有关海底沉积物中天然气水合物生成和分解规律方面的研究进行了详细调研,得到如下结论:天然气水合物的生成和分解条件在海底沉积物中与在井筒、管道中有明显不同,其主要原因是多孔介质中流体与孔隙壁面间的界面效应对海底沉积物中天然气水合物的形成条件会产生明显影响;在海底沉积物中天然气水合物生成和分解条件的数值模拟技术研究方面,研究者大都假设以天然气水合物作为盖层的成藏类型,借助常规油气藏数值模拟技术进行模拟研究;影响海底沉积物中天然气水合物生成和分解条件的因素很多,因此海底沉积物中天然气水合物生成和分解规律研究必须借助试验模拟、数值模拟和现场测试相结合的综合方式进行。该调研成果可为今后天然气水合物经济有效开采技术方案选择和进行天然气水合物危害控制等提供参考。     

磨料射流切割套管的实验研究

针对石油工程生产需要,在非淹没、淹没以及有围压存在的条件下,对磨料射流切割油井套管进行了实验研究。结果表明,淹没条件下磨料射流切割套管的深度低于非淹没条件;随着围压的增加,磨料射流切割套管的能力先增强后减弱,当围压在0.5～1.0MPa时,其切割效率最佳;而当磨料质量百分比在30%～35%之间、射流喷射角在110°～115°之间时可以获得较佳的切割效果。     

天然气水合物沉积物等效变弹性模量损伤本构模型

准确描述水合物沉积物的变形规律和力学性质是经济安全开发天然气水合物资源的重要前提。天然气水合物沉积物受到有效围压和水合物含量等多种因素的影响从而表现出应变软化和应变硬化两种力学特性。为精确描述其变形特性,基于复合材料细观力学混合率理论和岩石孔隙损伤理论,考虑岩石统计损伤,考虑水合物含量、围压和沉积物内部孔隙变化对天然气水合物沉积物力学性质的影响,结合水合物沉积物的微元强度统计分布规律,建立了天然气水合物沉积物等效变弹性模量损伤本构模型,并建立了全部参数的确定方法。与已有实验研究结果对比表明,该模型不仅可以很好描述水合物沉积物的变形规律和力学特性,且具有模型参数易于确定、便于使用的优点。所建模型可用于水合物沉积物破碎工艺选择中的破碎模拟和破碎成孔中的孔稳定性分析评估,对非成岩天然气水合物的经济安全开采具有一定推动作用。     

沉积物粒度及组分与天然气水合物合成速率关系实验

天然气水合物快速合成在水合物技术工业化中至关重要,故研究水合物合成速率的影响因素具有重要意义,但沉积物粒度及组分与水合物合成速率关系的实验数据严重不足。为此利用自制水合物装置,在3℃、10 MPa轴压及围压、SDS体系下合成天然气水合物沉积物,建立了不同沉积物粒径大小、粒径占比与水合物合成速率的关系模型。结果表明:水合物合成速率随沉积物粒径增大而下降,下降幅度逐渐减小;沉积物粒径足够小时,水合物合成速率与沉积物介质类型关系不大;不同粒径占比下,随着小粒径介质占比增大,水合物合成速率先上升后下降,且小粒径介质达到一定占比时,水合物合成速率大于单一介质;沉积物粒径大小和占比主要改变了沉积物颗粒的比表面积大小,进而影响水合物合成速率。这对天然气水合物快速合成有一定的参考价值,有助于推动水合物技术工业化进程。     

高压天然气多孔节流效应及冲蚀特性分析

基于欧拉 拉格朗日多相流模型方法,采用RNG k ε湍流模型和Sutherland viscosity law可压缩流体黏度修正模型及改进的冲蚀模型,对高压天然气单孔和多孔节流过程进行数值模拟。通过高压天然气单孔节流数值模拟质量流率变化规律,与理论计算结果对比,验证了所采用的模型和计算方法的准确性,并考察了高压天然气流经单孔和多孔突缩结构的不同节流效应及冲蚀特性。计算结果表明,天然气流经多孔固定节流油嘴降压后,体积膨胀形成的最高流速值明显低于单孔固定油嘴,同时多孔均匀射流减少了单孔射流形成的卷吸冲蚀损伤,并在多股射流下的搅混作用下,冷核心能迅速混合,在后续油嘴腔体内更易实现压力回升和速度稳定现象,相比单孔节流可以有效地抑制冲蚀损伤及天然气水合物生成几率。     

叶轮式旋转射流喷嘴的射流特性研究

为提高PDC钻头钻进水平段时的井底射流辅助破岩能力,开展了叶轮式旋转射流喷嘴的射流特性研究。利用k-ε双方程标准湍流模型,对叶轮式旋转射流流场进行了数值模拟,并采用旋流强度和流量系数评价了射流破岩能力。数值模拟结果表明,叶片扭曲角为115°~140°、直柱段无因次长度为0.6~0.8、收缩角为60°~70°时,流量系数和旋流强度可取得最佳值,射流破岩能力最强。根据不同喷距下的旋转射流破岩试验结果,分析了叶轮式旋转射流喷嘴的破岩特性,结果表明,同压降下叶轮式旋转射流破岩直径是普通直射流的近3倍,且喷距在7~11倍喷嘴出口直径时破岩直径最大。研究结果表明,叶轮式旋转射流喷嘴的破岩能力优于普通直射流喷嘴,且通过优化叶轮式旋转射流喷嘴几何参数可提高其破岩能力,加强井底清岩和辅助破岩效果,提高PDC钻头的破岩效率。      

深海浅层非成岩天然气水合物喷射破碎压控滑套的研制

为了解决海洋天然气水合物固态流化开采过程中射流喷头作业过程不可控、不可重复使用且需要多次起下钻柱等问题，基于节流压降原理与天然气水合物固态流化开采工艺，针对深海浅层非成岩天然气水合物的特点，设计出了一种可控制射流喷头开启与关闭且作业过程不受水深和井深影响的压控滑套，并对其进行了仿真分析与室内实验评价。研究结果表明：①所研制的压控滑套入口处锥面角度越大，滑套所产生的压降与轴向力越大，但钻井液对锥面的冲蚀越严重，因此综合考虑上述因素，滑套锥部角度选择30°为最佳；②钻井液通过滑套的流量越大，滑套内部产生的压降与滑套轴向力越大；③验证实验表明，在钻井液的作用下滑套能够滑动并开启射流喷头，喷头的全开启流量为833 L/min，与设计流量的误差值为4.13%；④试压实验表明，压力滑套内部压力的变化不能驱使滑套运动，有效地验证了其工作状态不受环境压力的影响。结论认为，该工具的研制和应用将有助于促进海洋天然气水合物固态流化开采技术的进步。     

葡北油田天然气重力混相驱注气井天然气水合物的形成及防治

葡北油田天然气重力混相驱注气井井筒内发现有水合物形成,严重影响了注气井的注气效率。基于Pipesim建模对注气井水合物形成管段及影响因素进行了分析,研究了通过提高天然气初始温度和采用水套炉加热井口天然气以预防水合物形成的技术可行性。研究结果表明,目前注气条件下,在距压缩机出口300 ~2 000 m的输气管线及井筒深度小于1 025 m的范围内具备水合物形成的温压条件;随天然气初始温度和注气速度增加,当井口气体温度低于对应水合物形成最高温度时,输气管线形成水合物段缩短,井筒内形成水合物段先增长后缩短,当井口气体温度高于水合物形成最高温度时,输气管线不形成水合物,井筒内形成水合物段缩短;提高天然气初始温度和采用水套炉加热井口天然气能够使注气压力小于40 MPa、注气速度大于5×104 m3/d的注气井不形成水合物,是有效的水合物预防方法。     

天然气水合物钻采一体化模拟实验系统及降压法开采初步实验

现有的天然气水合物(以下简称水合物)开采技术实验研究通常在较小尺寸的模拟实验装置中进行,由于反应釜样品尺寸较小,导致明显的边界效应且实验结果难以在现场中得到应用,因而研发大尺寸水合物综合开采实验系统刻不容缓。为此,针对我国南海神狐海域泥质粉砂型水合物储层,基于降压法开采思路和工艺流程,研发了一套水合物钻、采一体化模拟实验系统,主要包括主体高压装置、钻采一体化、气液供给、围压加载、回压控制、气液固分离及在线监测、温度控制、数据测控与后处理等模块;利用该系统进行了冰点附近CO_2水合物初步开采模拟实验;基于实验结果建立了数据获取及分析的基本流程,初步获得了在降压法开采CO_2水合物过程中储层的温度、压力场变化以及产气、产水规律。实验结果表明:①该实验系统可模拟实际地质条件制备接近海洋水合物储层的样品,通过电阻层析成像技术实时监测水合物成藏与分布情况;②该实验系统还可模拟钻井、降压开采工艺与过程,实时监测出砂与管道流动等过程中产气量、产水量、产砂量、温度、压力等多个物理参数的变化情况,实现试采全过程的实验模拟。结论认为:①在出口压力一定的情况下,CO_2水合物的产气、产水速率具有很大的波动性;②CO_2水合物分解过程中储层温度分布不均匀,最大的温度降幅为5℃,表明水合物分解呈现出非均一性与随机性。     

含水合物沉积物损伤统计本构模型及其参数确定方法

通过建立含天然气水合物沉积物本构模型,揭示沉积物的变形规律,准确预测水合物储层的力学性质,是有效开发天然气水合物资源的基本保证。基于含水合物沉积物微元强度服从Drucker-Prager准则和Weibull分布的基本假设,将统计强度理论与统计损伤理论有机结合,建立了能同时描述含水合物沉积物应变软化规律和应变硬化规律的损伤统计本构模型,探讨了模型参数求解思路,验证了模型的准确性。结果证明,含水合物沉积物屈服后发生应变软化还是应变硬化,取决于有效围压、水合物饱和度的综合影响,反映在模型参数上表现为Weibull参数m、F₀的共轭特性。模型参数主要影响含水合物沉积物损伤后的变化过程,对未损伤部分的影响较小。