煤层气井旋转喷头优化设计与分析

发布时间：2017-10-14 10:38

  本文关键词：煤层气井旋转喷头优化设计与分析

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【摘要】：目前,水平井以及分支井技术被认为是解决我国煤层气开采中单井产量低、经济效益差以及储层污染严重等难题的有效解决方案。传统钻井技术在实施水平井破煤钻进过程中存在易卡钻夹钻、所成孔眼不规则以及能耗高、速度慢等问题,高压旋转水射流技术因其能量传输方便和破岩效率高,越来越受到关注。但是,关于高压水射流破煤机理研究以及与高压旋转水射流技术配套的装备——旋转射流喷头的研究仍不够深入。针对上述问题,本文以高压水射流破煤机理和旋转射流喷头为研究对象,综合利用石油与天然气工程、机械工程、工程流体力学、岩石冲击动力学等领域相关知识,采用实验研究、理论研究与数值模拟研究相结合的分析方法,主要完成了以下几方面的研究工作：(1)通过电镜扫描实验和三轴岩石实验分别对煤岩的组成结构和力学性质进行实验研究,得到：煤岩总体相对致密,伴随有少量裂缝、孔隙分布。煤岩具有高弹性模量、低泊松比、高抗压强度和低抗拉强度的力学特征。(2)基于光滑粒子流(SPH)耦合有限元(FEM)的算法对高压水射流破煤动态过程以及损伤演化进行数值仿真,得到：煤岩损伤较大的区域集中在破碎坑附近,坑底周围煤岩损伤和裂纹发展最为活跃,且形成了由放射状裂纹和层状裂纹构成的复合裂纹系统；射流速度对煤岩损伤失效区域的形成以及裂纹的产生与扩展的影响较大,提高射流速度可明显提高射流破煤效率,且破煤过程存在一个门槛射流速度,本论文研究的煤岩的门槛射流速度为150m/s；含水缺陷的煤岩的破坏范围要大于空缺陷的煤岩。(3)结合直射流与旋转射流的各自优点,设计出了一种适合于煤层气水平井破岩钻进的新型旋转射流喷头,并对其强度、刚度进行了校核。(4)基于计算流体动力学方法对旋转射流喷头的射流流场进行数值模拟,得到了射流流场的分布规律,并对不同工艺参数(射流压力、喷距)对射流流场和射流结构的影响进行研究,得到：当喷头结构一定时,不同射流压力条件下的流场射流结构具有相似性；射流速度的衰减规律和无因次喷距L/d有关。(5)基于正交试验设计和方差分析方法对旋转射流喷头的结构进行优化,建立了旋转射流喷头不同结构参数(叶片导程、收缩角、直柱段无因次长度)与工作性能之间的关系,得到了叶片导程、直柱段无因次长度以及收缩角的最优范围分别为：16mm～24mm、0.6-1、55°,～60°。
【关键词】：破煤机理 旋转射流喷头 SPH 正交试验 方差分析
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE93
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 绪论9-14
• 1.1 研究背景及意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-12
• 1.2.1 高压水射流技术研究现状10-11
• 1.2.2 旋转水射流技术研究现状11-12
• 1.3 研究内容12-13
• 1.4 技术路线13-14
• 第2章 煤岩物理力学实验与破岩数值模拟研究14-35
• 2.1 引言14
• 2.2 煤储层的工程地质特征14-15
• 2.3 煤岩的组成结构15-17
• 2.4 煤岩的力学性质17-20
• 2.5 高压水射流作用下破碎煤岩数值研究20-33
• 2.5.1 SPH/FEA耦合算法20-22
• 2.5.2 材料模型22-25
• 2.5.3 计算模型25
• 2.5.4 计算结果分析25-33
• 2.6 本章小结33-35
• 第3章 旋转射流喷头的设计35-47
• 3.1 引言35
• 3.2 旋转射流的理论基础35-37
• 3.2.1 旋转射流的特点35
• 3.2.2 旋转射流的形成方式35-36
• 3.2.3 旋转射流的破岩过程36-37
• 3.3 旋转射流喷头的设计37-43
• 3.3.1 旋转射流喷头的工作原理37-38
• 3.3.2 导向叶轮的设计38-41
• 3.3.3 正向喷嘴的设计41-43
• 3.4 旋转射流喷头的设计校核43-46
• 3.4.1 喷头材料参数43-44
• 3.4.2 几何建模及网格划分44
• 3.4.3 边界条件44
• 3.4.4 仿真结果分析44-46
• 3.5 本章小结46-47
• 第4章 旋转射流喷头流场特性分析47-65
• 4.1 引言47
• 4.2 流体流动问题的研究方法47-48
• 4.3 计算流体动力学概述48-53
• 4.3.1 控制方程49-50
• 4.3.2 湍流模型50-53
• 4.4 旋转射流喷头射流流场的计算模型53-55
• 4.4.1 几何模型53-54
• 4.4.2 网格划分54
• 4.4.3 边界条件及计算方法54-55
• 4.5 计算结果分析55-64
• 4.5.1 全计算域流场分布55-60
• 4.5.2 射流压力对射流流场的影响60-63
• 4.5.3 无因次喷距对射流流场的影响63-64
• 4.6 本章小结64-65
• 第5章 基于正交设计的旋转射流喷头结构优化65-79
• 5.1 引言65
• 5.2 正交试验设计65-72
• 5.2.1 确定试验指标66-67
• 5.2.2 确定影响因素与水平67
• 5.2.3 确立正交试验表67-68
• 5.2.4 数值模拟试验及结果68-72
• 5.3 喷头结构参数的影响分析72-77
• 5.3.1 叶片导程的影响分析72-74
• 5.3.2 直柱段无因次长度的影响分析74-76
• 5.3.3 收缩角的影响分析76-77
• 5.4 本章小结77-79
• 第6章 结论与展望79-81
• 6.1 结论79-80
• 6.2 展望80-81
• 致谢81-82
• 参考文献82-86
• 攻读硕士期间发表的论文及科研成果86

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本文编号：1030639