中心体空化喷嘴设计与数值仿真研究

为提高油罐清洗除锈效率,拓展空化水射流技术的应用场合,设计了一种采用锥形喷嘴与中心体镶嵌组合而成的新型中心体空化喷嘴,通过Fluent软件,采用Mixture多相流控制方程、Realizable k-ε湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型对不同结构参数的中心体空化喷嘴内外流场进行了数值模拟,重点对流场压力分布、轴向速度分布和气含率进行了对比分析。研究表明:所设计的喷嘴射流绕流能够有效地产生空化,空化区域主要存在于中心体末端附近;中心体与外喷嘴的间隙距离和外喷嘴圆柱段长度是影响空化形成效果的主要因素;合理的组合喷嘴结构参数能够提高空化冲蚀能力和清洗除锈质量。     

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。     

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。     

水力喷射环空加砂压裂喷嘴结构分析与优化

在水力喷射环空加砂压裂射孔过程中,针对喷嘴射流质量低的问题,运用ANSYS-Fluent数值模拟仿真分析方法,对喷嘴重要结构参数进行分析对比,使喷嘴获得最优射流质量。研究结果表明,圆弧形喷嘴的射流质量优于常用的锥直形喷嘴; 当喷嘴出口直径4.5 ～4.8 mm、直柱段长度7～12 mm、入口曲率半径9 mm时,喷嘴可获得最优射流质量。通过对喷嘴结构的优化,可有效提高喷嘴射流质量,为水力喷射环空加砂压裂工艺提供有效的技术支持。     

径向壁面紊流射流理论与数值分析

建立了圆形喷嘴径向壁面紊流射流理论模型,对不同直径圆形喷嘴外流场进行了数值模拟研究,分析了外流场速度、压力和壁面切应力随喷嘴直径和射流靶距变化的规律。分析结果表明,冲击径向壁面射流速度场存在一定的相似性;壁面速度与壁面切应力有内在的正向对应关系;要增加对壁面的直接冲击压力,选择合适的靶距比提高流量(加大喷嘴)有效;在其他条件不变的情况下,射流靶距是影响径向壁面切应力的主要因素;要使壁面达到最佳清洗效果,靶距取5D~10D为宜。     

双射流喷嘴射流空化噪声小波分析初探

开展喷嘴空化性能研究，对增大射流作用效果，提高其工业应用效能具有非常重要的意义。试验研究了双射流喷嘴在不同围压下的空化性能，并应用小波分析方法研究了围压条件下双射流喷嘴空化射流噪声声压级特性和规律。结果表明：双射流喷嘴比普通锥形嘴具有更强的空化初生能力，在较高围压下仍有空化现象；围压小于5MPa时双射流喷嘴空化性能受围压影响很小，且不同射流压力下的空化性能相差不明显；在试验条件下，双射流喷嘴射流噪声声压级统计均值在186dB以上时，有明显的空化现象。     

新型中心体喷嘴流场数值模拟与结构优化

为实现储罐清洗工作的安全与环保,有必要将空化水射流清洗技术引入到储罐清洗中。对一种带有扩散角的中心体喷嘴进行研究,利用Fluent计算软件对不同扩散角的中心体喷嘴诱发空化射流的情况进行数值模拟,分析其压力、轴向速度和气相体积分数。模拟结果表明:在15 MPa的压力入口下含有扩散角的中心体喷嘴诱发空化的效果,明显优于不含扩散角的中心体喷嘴;同时中心体喷嘴因扩散角不同,其空化产生的效果也不同,扩散角为15°时中心体喷嘴诱发空化的效果最好。因此合理地选择中心体喷嘴的结构参数,可以更好提高储罐清洗的质量。     

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。      

中心体空化喷嘴射流实验研究

为探索中心体空化喷嘴射流的特性,提高射流效率,设计了一种新型中心体空化喷嘴.采用冲蚀靶材的方法,对中心体空化喷嘴射流冲蚀性能进行实验研究,重点分析冲蚀时间、入口压力和靶距对冲蚀性能的影响,并与角形喷嘴、淹没空化喷嘴的射流冲蚀性能进行对比分析.研究结果表明:在相同泵压条件下,中心体空化喷嘴和淹没空化喷嘴的冲蚀能力为角形喷...     

自振空化射流改善油层特性实验研究及现场应用

自振空化射流是具有强烈压力振荡和高空化起始能力的新型射流,利用高压釜装置对围压下自振空化射流提高污染岩渗透率进行的实验研究结果表明,对中、低和高渗透率岩样,空化射流作用深度均超过250mm,渗透率提高率随射流压力的增大而增加,随喷距的增大而减小;当围压值为2MPa时,渗透率提高率达到最大值.同时,在相同条件下,自振空化喷嘴作用下渗透率提高率为锥形喷嘴作用的2倍以上.现场应用效果证明,自振空化射流对解除油层和水层堵塞有明显效果.     

围压对射流破岩特性影响的试验研究

围压是石油工程中影响射流动力学特性的重要参数之一。应用高压井筒模拟试验装置进行了围压对常规连续射流、空化射流和磨料射流破岩效果影响的试验，最高围压达到20MPa。试验结果表明，围压对常规连续射流和空化射流破岩效果影响明显，破碎体积随围压的增大而减小，减小的速度随围压增大逐渐变缓；而对获得最大破碎体积的最优喷距影响不大，为3～5倍喷嘴直径，说明围压对射流基本结构特性影响不明显。当围压小于15MPa时，磨料射流射孔深度随围压的增大而近似呈线性减小。该试验可为射流参数的优选提供依据。     

喷射钻井中风琴管空化射流提速规律分析

为准确掌握风琴管空化射流在喷射钻井中的提速规律,通过数值模拟的方法分析了空化射流流场特 性,探讨了围压对其空化能力及速度脉动能力影响规律,采用真三轴高围压射流破岩规律模拟实验装置开展了空化射流破岩模拟实验,研究了静液注压力对射流破岩效率影响规律,并对比了一定静液注压力下空化射流与常规射流破岩效率。结果表明,在现有机泵条件下,风琴管空化射流可以直接或间接的实现钻井的提速提效。     

粒子冲击钻井钻头喷嘴流场数值模拟研究

为了考察粒子冲击钻井过程中,粒子流经钻头喷嘴的加速过程和流场分布规律,应用Fluent对粒子进入喷嘴后的流动进行数值模拟研究。运用标准κ-ε双方程模型,对双锥度喷嘴粒子射流流场进行仿真模拟,分析了射流压力、围压、粒子直径和粒子质量浓度等因素对粒子射流流场的影响。结果表明,粒子射流加速主要发生在喷嘴收缩段,在等速核前缘速度达到最大。粒子喷射速度和单位时间内通过喷嘴的粒子动能随射流压力增大而增加;粒子浓度越大,单位时间内通过喷嘴的粒子动能越大,破岩效率升高,但粒子浓度过大会导致其流动性差,反而不利于破岩。因此,粒子浓度对其冲击破岩效率的影响主要取决于破岩过程中哪种因素起主要作用。     

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。     

超高压磨料射流喷嘴流场分析及结构优化

为得到超高压喷嘴的最佳射流特性,提高磨料射流切割设备的作业效率,基于两相流理论研究了流体和磨料颗粒在喷嘴收缩段和圆柱段内加速的理论计算方法,同时利用计算流体力学软件FLUENT对喷嘴内外射流特性进行仿真分析,研究喷嘴内、外速度和压力场分布情况,并对比理论计算与仿真结果。在此基础上,研究收缩段角度和圆柱段长度对喷嘴内、外射流特性的影响,确定喷嘴内部最优结构尺寸范围。研究结果表明:对于入口直径8 mm、出口直径1 mm的喷嘴,圆柱段长度范围宜选取3035 mm,收缩角范围宜选取12°13°。所得结论可为超高压磨料射流喷嘴的设计及现场应用提供参考。     

基于响应面分析的附壁脉冲射流喷嘴优化设计

为了提高附壁脉冲射流喷嘴结构的可靠性,针对某一超深油井井下附壁射流喷嘴,采用中心复合响应面设计与数值模拟方法,以反馈通道直径、附壁夹角和出口直径为优化变量,以射流的压力脉动幅值为优化目标,开展了喷嘴结构的优化设计。通过试验与数值模拟结果对比,验证了数值模拟方法的可靠性。对响应面结果的拟合回归方程、三维立体图和等高线进行了分析,分析结果表明,出口直径的变化对响应值压力脉动幅值的影响最为明显,较小的出口直径能够获得更大的压力脉动幅值。基于响应面分析结果,得到了优化的附壁脉冲射流喷嘴结构。对优化得到的附壁脉冲射流喷嘴内流场开展数值模拟分析,得到其脉动幅值为0.308 MPa,与响应面模型预测值非常接近,进一步验证了采用中心复合响应面法优化得到的附壁脉冲射流喷嘴结构的可靠性。研究方法与结果可为类似结构的优化设计提供参考。     

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。     

锥直型喷嘴内近壁处流动特性的大涡模拟

射流喷嘴被广泛应用于管道清洗、辅助破岩、射流成孔等石油工业中领域。锥直型喷嘴作为应用最为广范的喷嘴类型而被研究。其整体流动状态与阻力对近壁处流动状态敏感。喷嘴近壁处流动状态对喷嘴整体流动状态和流动阻力影响较大。本文采用大涡模拟模型对喷嘴内流场进行数值模拟。对喷嘴内速度场分布、速度梯度、壁面压力、壁面剪切力、壁面摩擦阻力系数进行分析,得出了以下结论：收缩段处速度分布由抛物线型转变为“M”型,并在近壁处出现峰值;在收缩段入口处附近发生边界层转捩,出现漩涡;在收缩段出口、直管段入口处附近出现边界层转捩与分离,在该处速度梯度、壁面剪切力、壁面摩擦阻力系数均出现峰值;直管段近壁处周期性出现有序涡结构,并在壁面处表现为剪切力、速度梯度、摩擦阻力系数的周期性波动,与近壁处流动状态涡结构的周期性出现相互佐证;整个喷嘴流动阻力大部分产生在喷嘴直管段内,涡流的出现降低壁面摩擦阻力系数,在喷嘴减阻时可考虑优化喷嘴收缩段到直管段过渡的轮廓,亦可考虑在直管段内进行被动减阻设计。通过对喷嘴内近壁处流动特性阐述,分析了喷嘴内流动摩擦阻力的产生位置及原因,能够为进一步为优化喷嘴结构、降低喷嘴流动阻力提供理论支撑。     

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,...     

连续管套管除垢空化射流喷头优化设计与应用

采用常规方法解决大庆油田油水井结蜡、结垢严重的问题,以及其射孔层段炮眼附近堵塞等引发的单井产液量下降、水井不吸水等问题,具有施工效率低、费用高、作业周期长的缺点。为此,通过优选空化射流喷嘴类型,开展空化射流靶距和角度的优化研究,计算喷嘴使用参数,再通过数值模拟的方式验证该喷头在小直径连续管套管除垢空化射流的效果;同时,制定炮眼除垢选井原则,优化连续管除垢工艺参数。通过结垢结蜡套管除垢、射孔层段炮眼除垢等现场应用表明,连续管套管除垢空化射流喷头在套管内和射孔层段炮眼除垢效果明显。所得结论可为解决油水采出井套管除垢工具研制与工艺参数优选提供借鉴。