脉动水力压裂频率与流量对裂隙演化的作用

脉动水力压裂能够通过强化煤体的疲劳损伤破坏有效改善煤层渗透特性,脉动频率和流量是影响脉动水力压裂煤岩致裂效果的关键参量,但是针对脉动频率和流量对煤岩水力压裂裂隙演化的影响机制研究还不够充分.依托研制的可以持续产生一定频率脉动压力波的脉动水力压裂实验系统,开展了不同脉动频率和流量的脉动水力压裂物理相似实验,分析了静压压裂与脉动压裂压力曲线、声发射能量率、累积能量以及试件宏观破裂形态.结果表明:相同流量时,和静压压裂对比,脉动压裂在增压阶段和峰值阶段表现出不同的特征,其压力上升趋势呈"内凹"特征,后期增速高于前期,且疲劳作用时间长,破裂压力低,裂隙扩展形态复杂,随着脉动频率降低,这些特征更加明显;相同脉动频率时,流量越小,疲劳作用时间长,破裂压力低,裂隙越发育.在作用效果上,脉动频率和流量有一定的相似之处,脉动频率和流量越高,压裂效果越接近静压压裂,而在作用机理上,脉动频率改变了单位时间内的脉动波对试件的冲击次数,流量则是通过脉动波的幅值改变脉动压裂的疲劳效应.结合两个参量组合特点,提出了脉动频率与流量协同控制的脉动压裂工艺.     

高速列车车头曲面脉动压力的大涡模拟

为了得出车头曲面脉动压力的分布规律,利用参数变换技术,生成了高速列车车头曲面的四边形贴体网格,进而生成了高速列车头部流场的六面体网格.对车头流线型曲面的脉动压力进行了大涡模拟,得出了脉动压力的分布特性:在流场中某点处产生的压力主要影响该处本地,而对其余点的影响作用则随着距离的增加而迅速减弱;脉动压力的频带很宽,无明显的主频率.各点脉动压力的频谱在低频时幅值较大,随着频率升高,幅值以负指数规律持续下降.脉动压力1/3倍频程频谱的主要能量集中在20～500 Hz频率范围内,随着列车运行速度提高,频谱的主要能量范围有向高频移动的趋势.     

原型混流式水轮机压力脉动特性CFD模拟分析

水轮机压力脉动与流动特性紧密关联.在保证CFD模拟与原型试验结果吻合的基础上,对覆盖某原型水轮机运行区间的25个稳态工况进行了模拟,分析了压力脉动特性及流态特性的对应关系.结果表明,该水轮机存在不稳定的运行开度区间,区间大小和位置随水头而变动;转轮内存在叶道涡,尾水管内存在碎涡及螺旋涡带,碎涡相互干扰使得尾水管低频脉动丰富,螺旋涡带撞击尾水管壁面产生低频高幅脉动并向上游直线传播;动静干涉产生的高频高幅脉动幅值并非随导叶开度增加而成线性增大.该结论可为机组运行和振动特性研究奠定基础.     

不同分流叶片起始直径对离心泵压力脉动的影响

为分析低比转速复合叶轮分流叶片起始直径对蜗壳流道内压力脉动的影响,采用雷诺时均方法,通过标准k-ε湍流模型和滑移网格技术,对具有不同起始直径的两台离心泵进行三维非定常的数值计算。通过对蜗壳不同监测点处的压力进行时域和频域分析,得到蜗壳壁面沿周向及断面上沿径向压力脉动特性。计算结果表明:分流叶片起始直径大的离心泵蜗壳内压力脉动较大;两台离心泵内蜗壳内各监测点的压力脉动幅值波动具有明显的周期性且波动趋势基本一致;在周向监测点处,随着圆周角(逆时针方向)逐渐增大,蜗壳动静干涉效应的影响逐渐减弱,监测点处压力脉动逐渐减小;在相同断面处,位于蜗壳进口与壁面的监测点呈现较大的压力波动;两台离心泵的各监测点压力脉动的一阶主频均为叶片通过频率。     

不同分流叶片起始直径对离心泵压力脉动的影响

为分析低比转速复合叶轮分流叶片起始直径对蜗壳流道内压力脉动的影响,采用雷诺时均方法,通过标准k-ε湍流模型和滑移网格技术,对具有不同起始直径的两台离心泵进行三维非定常的数值计算.通过对蜗壳不同监测点处的压力进行时域和频域分析,得到蜗壳壁面沿周向及断面上沿径向压力脉动特性.计算结果表明:分流叶片起始直径大的离心泵蜗壳内压力脉动较大;两台离心泵内蜗壳内各监测点的压力脉动幅值波动具有明显的周期性且波动趋势基本一致;在周向监测点处,随着圆周角(逆时针方向)逐渐增大,蜗壳动静干涉效应的影响逐渐减弱,监测点处压力脉动逐渐减小;在相同断面处,位于蜗壳进口与壁面的监测点呈现较大的压力波动;两台离心泵的各监测点压力脉动的一阶主频均为叶片通过频率.     

基于大涡模拟的导叶式混流泵叶轮内压力脉动特性分析

为研究导叶式混流泵叶轮内部非定常压力脉动特性,在其叶轮进口截面及出口截面附近分别设置8个压力脉动监测点,采用大涡模拟方法(LES)对导叶式混流泵内全三维流道(进水管、叶轮、导叶及出水管)进行模拟,并对8个监测点进行压力脉动时域图和频域图的分析。结果表明:由于旋转叶轮旋转失速、脱流效应及静止导叶的干涉作用,叶轮出口处压力脉动系数幅值均大于进口处脉动系数幅值,且其最大压力脉动发生在叶轮出口处,脉动波衰减较慢;叶轮进、出口截面上监测点的压力脉动频率以叶轮叶频为主频次,且压力脉动主要频率为叶频的倍数。     

球面上脉动压力幅值点面转换的探讨

在研究柱面边壁脉动压力的点、面转换关系的基础上,利用相关分析方法,对球面脉动压力幅值点面转换的问题做进一步探讨,推导出球面上脉动压力幅值的点面转换的解析表达式.     

脉动水力压裂钻孔密封参数的测定及分析

为了改善脉动水力压裂钻孔密封性能,选择膨胀水泥冻复合材料(简称PD复合材料)作为密封材料,采用具有典型代表性的管径为95mm和108mm的内壁粗糙的无缝钢管作为模拟钻孔,在不同封孔长度条件下,对压裂密封参数进行实验测定分析.结合Lagrange插值法,计算在所需压力条件下,钻孔密封合理长度.结果表明:PD复合材料承压能力与封孔长度成正比,与钻孔直径成反比.当钻孔直径较小时,钻孔密封段内裂隙扩展的困难程度随封孔长度的增加而增加;反之,随封孔长度的增加而减小.脉动频率越高,对钻孔密封的承压性能要求越高,且高频的脉动压力更有利于脉动压裂过程中钻孔密封段内裂隙的产生与扩展.当脉动水力压力为16MPa时,脉动水力压裂过程中合理的封孔长度为13m.     

鼓泡床中电石渣液相碳酸化反应流动特性表征

搭建了气液固鼓泡床实验系统,对碱性固体废弃物电石渣固定CO₂进行实验研究. 流动特性对鼓泡床反应器传质、产率和产品质量都有较大的影响. 通过压力脉动信号采集与分析,对实际反应体系CO₂-H₂O-电石渣的流动特性进行表征,给出重要参数液固比对三相反应流流动特性的影响机制. 结果表明:基于时间域的概率密度函数和自相关函数分析发现,在低气速0.062 m·s^-1下,增大液固比,压力脉动分布变化较小,但自相关分析可进一步揭示液固比的增大加大了气泡运动的不稳定性. 在气速0.102 m·s^-1下,液固比增大会加大压力脉动分布范围,且延迟时间增大,自相关性降低,表征床内流动表现出更多的随机性和混沌特征. 结合流动图像,液固比增大使大气泡容易聚并生成. 基于时频域的Hilbert-Huang变换分析,获得了时间-频率-幅度谱图. 低气速下,三相流运动频率高,幅值低,增大液固比后,三相流运动频率降低,幅值增大,揭示液固比增大后,三相流系统中高频的小气泡运动特性降低,大气泡聚并发生促进能量幅值增大,该结果为进一步研究流动对碳酸化反应影响机理奠定了基础.     

酸处理降低地层破裂压力的计算分析

针对超深储层的破裂压力很高,对压裂施工设备的功率和承载能力要求更高,在施工安全上存在一定隐患的实际,研究了超深储层的破裂压力模型以及利用岩石力学性质的酸敏性,采取酸化预处理降低地层破裂压力,建立了射孔井筒破裂压力预测模型,分析了酸化预处理降低地层破裂压力机理.利用西部某深层气藏岩样室内酸处理前后岩石弹性模量、泊松比和岩石抗压强度变化结果,计算了该气藏酸处理前后的破裂压力,结果表明酸预处理后破裂压力大幅下降,对降低压裂施工压力有重要作用.为在现有工程条件和技术条件下,准确预测破裂压力和施工压力、合理选用施工设备、降低储层改造的工程风险提供了方法.     

Variable frequency of pulse hydraulic fracturing for improving permeability in coal seam

Variable frequency, a new pattern of pulse hydraulic fracturing, is presented for improving permeability in coal seam. A variable frequency pulse hydraulic fracturing testing system was built, the mould with triaxial loading was developed. Based on the monitor methods of pressure sensor and acoustic emission, the trials of two patterns of pulse hydraulic fracturing of single frequency and variable frequency were carried out, and at last fracturing mechanism was analyzed. The results show that the effect of variable frequency on fracture extension is better than that of single frequency based on the analysis of macroscopic figures and AE. And the shortage of single frequency is somewhat remedied when the frequency is variable. Under variable frequency, the pressure process can be divided into three stages: low frequency band, pressure stability band and high frequency band, and rupture pressure of the sample is smaller than that of the condition of single frequency. Based on the Miner fatigue theory, the effect of different loading sequences on sample rupture is discussed and the results show that it is better to select the sequence of low frequency at first and then high frequency. Our achievements can give a basis for the improvement and optimization of the pulse hydraulic fracturing technology.     

不同步导叶对水轮机压力脉动的影响

采用Realizable k-ε模型,对水布垭模型水轮机进行三维全流道非定常湍流模拟,对在不同步导叶(即MGV)作用下的压力脉动进行了分析.选择活动导叶部分开度工况,分别研究MGV在3种不同开度下水轮机的压力脉动特征.分析结果表明:MGV可以减轻尾水管涡带的偏心,减小尾水管断面的压差,从而降低尾水管内低频压力脉动的振幅;MGV改变了导水机构与转轮之间原有的动静干扰特性,形成了新的振源,蜗壳和导水机构的中高频率压力脉动有所增强.     

Progress on the hydraulic measures for grid slotting and fracking to enhance coal seam permeability

A method of hydraulic grid slotting and hydraulic fracturing was proposed to enhance the permeability of low permeability coal seam in China. Micro-structural development and strength characteristics of coal were analysed to set up the failure criterion of coal containing water and gas, which could describe the destruction rule of coal containing gas under the hydraulic measures more accurately. Based on the theory of transient flow and fluid grid, the numerical calculation model of turbulence formed by high pressure oscillating water jet was used. With the high speed photography test, dynamic evolution and pulsation characteristics of water jet water analysed which laid a foundation for mechanism analysis of rock damage under water jet. Wave equation of oscillating water jet slotting was established and the mechanism of coal damage by the impact stress wave under oscillation jet was revealed. These provide a new method to study the mechanism of porosity and crack damage under high pressure jet.Fracture criterion by jet slotting was established and mechanism of crack development controlled by crack zone between slots was found. The fractures were induced to extend along pre-set direction,instead of being controlled by original stress field. The model of gas migration through coal seams after the hydraulic measures for grid slotting and fracking was established. The key technology and equipment for grid slotting and fracking with high-pressure oscillating jet were developed and applied to coal mines in Chongqing and Henan in China. The results show that the gas permeability of coal seam is enhanced by three orders of magnitude, efficiency of roadway excavation and mining is improved by more than 57%and the cost of gas control is reduced by 50%.     

模型水轮机尾水管压力脉动试验研究

在水轮机模型试验台上进行水轮机尾水管压力脉动试验研究,通过压力脉动试验工况的选择、测点的布置、信号采样频率及采样时间的确定,得到了在水轮机模型试验台上进行水轮尾水管压力脉动试验的方法。试验结果表明,所选择的工况合理,测点布置科学,信号采样频率及采样时间确定合理可行。     

核电厂取排水工程软岩水理特性试验研究

基于软岩遇水易崩解、软化并产生变形的特征,利用核电厂取排水工程中的泥岩和泥质砂岩两种软岩芯样,进行耐崩解性试验、膨胀性试验及单轴抗压强度试验,分析软岩在不同含水率条件下的膨胀性、耐崩解性和软化性。结果表明:泥岩的轴向膨胀率及膨胀压力随着含水率增大而线性减小;软岩的耐崩解指数主要分布在30%~60%之间,属低耐久性;软岩遇水表现出明显的软化现象,强度显著下降。试验规律对该工程建设具有一定的参考价值。     

钻井液压力波传输过程压力脉动问题研究

采用波动模拟法研究钻井液压力波传输过程的压力脉动问题,给出压力波在钻井液管道特别是弹性异径管——水龙带内传输时压力脉动振幅的计算模型.实例计算证明,压力波传输过程中压力脉动分布情况随管段长度和假想管路端位置变化而变化,且压力波速的急剧降低以及异径点处的能量损失是导致压力波信号经过水龙带后检测质量下降的主要原因之一.最后给出压力波传输过程中传感器设置的具体优化措施.     

圆管层流脉动流动的数值模拟

为研究圆管层流脉动流动特性,建立了二维非稳态轴对称模型,对壁温恒定、入口速度周期性变化的流体进行数值模拟.分析了速度振幅和频率对层流流动的影响,得到了频率和振幅对压力、温度、壁面摩擦系数影响的规律.研究表明:脉动流动时,压力、温度、壁面摩擦系数围绕相同Re下稳态流动时的数值波动;压力与速度之间存在相位差;压力、壁面摩擦系数的波动与速度振幅和频率成正比;温度的波动与速度振幅成正比,与频率呈反比;当流体脉动的频率和振幅足够大时,会在近壁面处出现回流,并且出现回流的时间会随着频率和振幅的增大而增长.     

冰箱压缩机的计算机辅助测试

冰箱压缩机气流压力脉动、振动对压缩机的性能影响很大,为此研制了冰箱压缩机气流压力脉动及振动的计算机辅助测试系统,成功地对冰箱压缩机的气流压力脉动和振动进行了测试分析,该系统具有广泛的应用前景.     

射吸式冲击器在塔里木地区的现场应用

随着油气勘探开发向纵深发展,深井、超深井数量逐渐增多,钻遇地层硬度随之增大,机械钻速大大降低。针对该问题,研制了射吸式冲击器。通过给钻头提供高频的轴向冲击力,辅助破岩,从而大大提高机械钻速。室内实验验证了射吸式冲击器的高频轴向冲击振动可以为钻头提供一定的冲击力。现场试验结果表明,使用射吸式冲击器后,机械钻速提高了133.0%,并且射吸式冲击器的井底纯钻时间达到130h,工具井下工作时间154h,寿命大幅度提高。该项研究结果为射吸式冲击器在钻井过程中的合理应用提供了理论依据。     

Fractured rock mass hydraulic fracturing under hydrodynamic and hydrostatic pressure joint action

According to the stress state of the crack surface, crack rock mass can be divided into complex composite tensile-shear fracture and composite compression-shear fracture from the perspective of fracture mechanics. By studying the hydraulic fracturing effect of groundwater on rock fracture, the tangential friction force equation of hydrodynamic pressure to rock fracture is deduced. The hydraulic fracturing of hydrostatic and hydrodynamic pressure to rock fracture is investigated to derive the equation of critical pressure when the hydraulic fracturing effect occurs in the rock fracture. Then, the crack angle that is most prone to hydraulic fracturing is determined. The relationships between crack direction and both lateral pressure coefficient and friction angle of the fracture surface are analyzed. Results show that considering the joint effect of hydrodynamic and hydrostatic pressure, the critical pressure does not vary with the direction of the crack when the surrounding rock stationary lateral pressure coefficient is equal to 1.0. Under composite tensile-shear fracture, the crack parallel to the direction of the main stress is the most prone to hydraulic fracturing. Under compression-shear fracture, the hydrodynamic pressure resulting in the most dangerous crack angle varies at different lateral pressure coefficients; this pressure decreases when the friction angle of the fracture surface increases. By referring to the subway tunnel collapse case, the impact of fractured rock mass hydraulic fracturing generated by hydrostatic and hydrodynamic pressure joint action is calculated and analyzed.