煤层气增产水力空化工具性能分析及其优化
发布时间：2021-11-24 08:31
由于煤储层具有多孔隙、渗透率低等特点,传统增产措施例如水力压裂技术,存在煤层损伤大,污染高,适应性不强的问题。而水力空化射流技术通过诱导空化溃灭能产生大量的能量,包括机械震动和热能。使煤层产生交替变形达到撕裂煤层的效果,从而提高孔隙度,同时降低煤层瓦斯在煤体上的吸附能力,达到煤层气增产的目的。本文以提高煤层气采收率空化工具为研究对象,首先,根据应用水声学和气泡动力学,分析了空化气泡在初生、生长以及压缩过程中的动力学特性。并对煤层气在储层中的赋存特性进行分析,建立了适用于煤层孔隙中的空泡初生和溃灭模型,导出压力波传播的波动方程。然后,建立自激振荡空化喷嘴模型,并设计出适用于煤层气增产的空化工具,通过理论分析和Fluent数值模拟的方式,对空化喷嘴的射流特性进行分析,揭示了振荡腔内空化气泡发展过程,并对喷嘴主要结构参数的配比以及工艺参数（入口流速、出口围压）对空化效果的影响进行研究,最后进行室内实验验证。通过改变结构参数以及工艺参数,得出最优的结构参数配比为:d2/d1=1.82.2,Dc/d...
【文章来源】：西安石油大学陕西省
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
技术路线
西安石油大学硕士学位论文8图2-1空化水射流空蚀区域[42]2.1.1空化的分类空化的分类方式有多种，根据空化气泡的发生条件和动态特性，可将空化分为振荡型空化、游移型空化、固定型空化和旋流型空化四种类型[43]：a.振荡型空化这类空化主要发生在液体不流动的状态下，通过放置一个物体在液体内，并使其在液体中不断运动，从而使得液体随着运动物体而产生振动形成压力波动。当振动的幅度及频率较大时，液体内会产生局部的低压，当压力低于某一临界值时，低压区将会有气核出现并长大发生空化现象，同时由于物体的振动促使空化气泡的溃灭。b.游移型空化在流动的液体中，由于一些外部因素的影响，如截面变径等，使得液体压力降低，由于液体存在一定的张力，空化气泡开始生长，当流体流经的区域压力升高后，空化气泡开始收缩，直到完全溃灭。c.固定型空化这类空化一般形成于固定的结构表面，由于液体的不同层运动状态不同，而在其交界面产生强烈的剪切效果，在某一层中由于速度较快而形成空化，常见的此类空化如水翼空化。在产生空化后，随着空化数的变化，会形成固定空化附着在固体壁面上，并随着固体壁面移动，最后逐步溃灭消失，在下一个周期内又会重复产生。d.旋涡型空化这类空化常见于航船的船桨附近，空化主要由于物体的旋转产生旋涡流，而旋涡中心产生高紊动剪切，使得中心压力下降到临界压力以下，从而出现空化。此类空化非常不稳定，其空化特性随旋涡强度变化。
西安石油大学硕士学位论文12图2-2球型气泡的静平衡忽略该状态下存在的气体扩散现象，得出平衡方程：2vppR（2-4）式中：p为空泡外壁面所受到的水体压力，Pa；vp为空泡内部的饱和蒸气压强，Pa；为水的表面张力系数；R为空泡的半径，m。显然可以看出，当外壁面受到的水体压力p＜2vpR时，空泡将会膨胀生长，反之则会收缩溃灭。在实际上来说，空泡中的气体除了水蒸气以外，一般还会含有原本溶于水体中的可溶性气体，此时的平衡方程将改写为：2vgpppR（2-5）式中：gp为空泡内气体的分压强，Pa。当空泡的半径R开始变化时，由于空泡的体积发生变化，空泡内气体的体积也将产生相应的改变，因此随着R的变化，gp可能发生以下三种情况的变化：（1）按照理想气体状态方程进行变化时，为g3NTpR(2-6)（2）当R进行快速变化时，按照理想气体等温过程，为00300ggg3VRpppVR(2-7)（3）当R的变化较为迟缓时，按照理想气体绝热过程，为00300gggVRpppVR(2-8)上三式中：T为空泡内的绝对温度，k；N为空泡相关常数；0gp、0R、0V分别为某一状态下初始空泡的气体分压强、半径和体积；gp、R、V分别为变化中空泡的气体分压强、半径和体积；为空泡内气体的绝热系数。
【参考文献】：
期刊论文
[1]煤层气自激振荡增产工具空化试验[J]. 韩军,马勇,郑杰,程嘉瑞,窦益华. 石油机械. 2019(09)
[2]自激振荡腔空化特性的数值仿真及试验研究[J]. 刘晓雄,聂松林,纪辉,白晓蓉. 液压与气动. 2019(07)
[3]基于声发射的自振脉冲空化射流实验研究[J]. 赵韡,侯帅豪,祝锡晶,邵云鹏. 科学技术与工程. 2019(11)
[4]自激脉冲空化喷嘴三维非稳态流动的数值模拟[J]. 张坤,陈颂英. 排灌机械工程学报. 2018(04)
[5]考虑采动影响的煤层气储层数值模拟方法研究[J]. 张益,沈磊,田喜军,胡均志,刘鹏. 西安石油大学学报(自然科学版). 2017(06)
[6]我国煤层气(煤矿瓦斯)开发利用现状及展望[J]. 郭继圣,张宝优. 煤炭工程. 2017(03)
[7]新型人工淹没水射流喷嘴流场数值模拟与结构优化[J]. 雷传超,邓松圣,张世峡,管金发. 后勤工程学院学报. 2015(06)
[8]低压大流量自激脉冲空化射流试验研究[J]. 陈颂英,胡涛,曲延鹏,曾兆强,李文珂,刘春武. 工程热物理学报. 2014(10)
[9]空化水射流热效应影响煤体渗透率试验研究[J]. 卢义玉,丁红,葛兆龙,夏彬伟,程亮. 岩土力学. 2014(05)
[10]煤层气含量影响因素及预测方法[J]. 曹军涛,赵军龙,王轶平,张景云,许登才. 西安石油大学学报(自然科学版). 2013(04)
博士论文
[1]煤层渗透率变化规律和气润湿反转方法提高煤层气产量研究[D]. 马东.长江大学 2013
[2]空化水射流声震效应促进煤层瓦斯解吸渗流机理研究[D]. 周东平.重庆大学 2010
[3]声震法提高煤层气抽采率的机理及技术原理研究[D]. 易俊.重庆大学 2007
[4]自激振荡脉冲射流装置性能影响因素数值分析及喷嘴结构优化设计[D]. 王循明.浙江大学 2005
硕士论文
[1]煤层气液流空化解堵增产工具设计及结构优化研究[D]. 狄立辉.西安石油大学 2019
[2]空化射流喷嘴结构参数的优化[D]. 陈理.浙江工业大学 2017
[3]空化泡及空化水射流的数值模拟[D]. 罗冲.浙江工业大学 2016
[4]空化射流喷嘴流场数值模拟研究[D]. 杨涵.西华大学 2015
[5]不同喷嘴形状的自振脉冲喷嘴数值模拟与实验研究[D]. 何小婷.湖南工业大学 2014
[6]脉冲喷嘴射流特性的数值模拟研究[D]. 刘兴铎.西南石油大学 2014
本文编号：3515606
【文章来源】：西安石油大学陕西省
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
技术路线
西安石油大学硕士学位论文8图2-1空化水射流空蚀区域[42]2.1.1空化的分类空化的分类方式有多种，根据空化气泡的发生条件和动态特性，可将空化分为振荡型空化、游移型空化、固定型空化和旋流型空化四种类型[43]：a.振荡型空化这类空化主要发生在液体不流动的状态下，通过放置一个物体在液体内，并使其在液体中不断运动，从而使得液体随着运动物体而产生振动形成压力波动。当振动的幅度及频率较大时，液体内会产生局部的低压，当压力低于某一临界值时，低压区将会有气核出现并长大发生空化现象，同时由于物体的振动促使空化气泡的溃灭。b.游移型空化在流动的液体中，由于一些外部因素的影响，如截面变径等，使得液体压力降低，由于液体存在一定的张力，空化气泡开始生长，当流体流经的区域压力升高后，空化气泡开始收缩，直到完全溃灭。c.固定型空化这类空化一般形成于固定的结构表面，由于液体的不同层运动状态不同，而在其交界面产生强烈的剪切效果，在某一层中由于速度较快而形成空化，常见的此类空化如水翼空化。在产生空化后，随着空化数的变化，会形成固定空化附着在固体壁面上，并随着固体壁面移动，最后逐步溃灭消失，在下一个周期内又会重复产生。d.旋涡型空化这类空化常见于航船的船桨附近，空化主要由于物体的旋转产生旋涡流，而旋涡中心产生高紊动剪切，使得中心压力下降到临界压力以下，从而出现空化。此类空化非常不稳定，其空化特性随旋涡强度变化。
西安石油大学硕士学位论文12图2-2球型气泡的静平衡忽略该状态下存在的气体扩散现象，得出平衡方程：2vppR（2-4）式中：p为空泡外壁面所受到的水体压力，Pa；vp为空泡内部的饱和蒸气压强，Pa；为水的表面张力系数；R为空泡的半径，m。显然可以看出，当外壁面受到的水体压力p＜2vpR时，空泡将会膨胀生长，反之则会收缩溃灭。在实际上来说，空泡中的气体除了水蒸气以外，一般还会含有原本溶于水体中的可溶性气体，此时的平衡方程将改写为：2vgpppR（2-5）式中：gp为空泡内气体的分压强，Pa。当空泡的半径R开始变化时，由于空泡的体积发生变化，空泡内气体的体积也将产生相应的改变，因此随着R的变化，gp可能发生以下三种情况的变化：（1）按照理想气体状态方程进行变化时，为g3NTpR(2-6)（2）当R进行快速变化时，按照理想气体等温过程，为00300ggg3VRpppVR(2-7)（3）当R的变化较为迟缓时，按照理想气体绝热过程，为00300gggVRpppVR(2-8)上三式中：T为空泡内的绝对温度，k；N为空泡相关常数；0gp、0R、0V分别为某一状态下初始空泡的气体分压强、半径和体积；gp、R、V分别为变化中空泡的气体分压强、半径和体积；为空泡内气体的绝热系数。
【参考文献】：
期刊论文
[1]煤层气自激振荡增产工具空化试验[J]. 韩军,马勇,郑杰,程嘉瑞,窦益华. 石油机械. 2019(09)
[2]自激振荡腔空化特性的数值仿真及试验研究[J]. 刘晓雄,聂松林,纪辉,白晓蓉. 液压与气动. 2019(07)
[3]基于声发射的自振脉冲空化射流实验研究[J]. 赵韡,侯帅豪,祝锡晶,邵云鹏. 科学技术与工程. 2019(11)
[4]自激脉冲空化喷嘴三维非稳态流动的数值模拟[J]. 张坤,陈颂英. 排灌机械工程学报. 2018(04)
[5]考虑采动影响的煤层气储层数值模拟方法研究[J]. 张益,沈磊,田喜军,胡均志,刘鹏. 西安石油大学学报(自然科学版). 2017(06)
[6]我国煤层气(煤矿瓦斯)开发利用现状及展望[J]. 郭继圣,张宝优. 煤炭工程. 2017(03)
[7]新型人工淹没水射流喷嘴流场数值模拟与结构优化[J]. 雷传超,邓松圣,张世峡,管金发. 后勤工程学院学报. 2015(06)
[8]低压大流量自激脉冲空化射流试验研究[J]. 陈颂英,胡涛,曲延鹏,曾兆强,李文珂,刘春武. 工程热物理学报. 2014(10)
[9]空化水射流热效应影响煤体渗透率试验研究[J]. 卢义玉,丁红,葛兆龙,夏彬伟,程亮. 岩土力学. 2014(05)
[10]煤层气含量影响因素及预测方法[J]. 曹军涛,赵军龙,王轶平,张景云,许登才. 西安石油大学学报(自然科学版). 2013(04)
博士论文
[1]煤层渗透率变化规律和气润湿反转方法提高煤层气产量研究[D]. 马东.长江大学 2013
[2]空化水射流声震效应促进煤层瓦斯解吸渗流机理研究[D]. 周东平.重庆大学 2010
[3]声震法提高煤层气抽采率的机理及技术原理研究[D]. 易俊.重庆大学 2007
[4]自激振荡脉冲射流装置性能影响因素数值分析及喷嘴结构优化设计[D]. 王循明.浙江大学 2005
硕士论文
[1]煤层气液流空化解堵增产工具设计及结构优化研究[D]. 狄立辉.西安石油大学 2019
[2]空化射流喷嘴结构参数的优化[D]. 陈理.浙江工业大学 2017
[3]空化泡及空化水射流的数值模拟[D]. 罗冲.浙江工业大学 2016
[4]空化射流喷嘴流场数值模拟研究[D]. 杨涵.西华大学 2015
[5]不同喷嘴形状的自振脉冲喷嘴数值模拟与实验研究[D]. 何小婷.湖南工业大学 2014
[6]脉冲喷嘴射流特性的数值模拟研究[D]. 刘兴铎.西南石油大学 2014
本文编号：3515606
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