气体钻水平井环空冲蚀能量分析

在建立水平井流动方程的基础上,通过气固两相流动基本数学模型的求解数值模拟不同工况条件下的气固混合物冲蚀能量,得出了冲蚀能量的变化规律。算例数值模拟显示:环空速度剖面主要由注气量大小决定,机械钻速的影响不大;相同注气量条件下,机械钻速降低与井下岩屑浓度等比例下降;注气量的增加能提高井眼净化程度,但不如降低机械钻速效果明显;环空总冲蚀能中气体冲蚀能量占绝对主要地位,岩屑冲蚀能量只占极小部分,在相同注气量条件下总冲蚀能量基本相同;岩屑冲蚀能量主要取决于机械钻速,机械钻速越大井底产生岩屑越多冲蚀能力越强,相同机械钻速条件下,较大注气量能提供较大岩屑运移速度,提高了岩屑冲蚀能量。     

瞬态通用固液两相流模型及其在动态井眼清洁模拟中的应用

为准确了解岩屑在井眼中的实时运移、积累过程及其变化规律,基于质量守恒和动量守恒方程,考虑岩屑运移流型和流型转换条件,建立了适应流型变化的瞬态通用固液两相流模型;并将其应用于一口窄密度窗口井的动态井眼清洁模拟过程中,实时模拟整个钻井过程中岩屑沿井筒分布情况。研究结果表明:岩屑对环空压力分布有重要影响;成功钻穿窄安全密度窗口井的关键是实时监测岩屑对井筒压力剖面的影响,通过洗井作业清理岩屑,将井底压力控制在安全密度窗口之内。本文结果能够为洗井间隔设计提供理论依据。     

下钻中气液两相激动压力滞后时间研究

考虑气液两相弹性及井筒中实时变化波速,提出了气液两相激动压力模型;借助Runge-Kutta、差分、Newton-Raphson等数学方法,通过计算机编程对其求解。结果表明:随气侵量和有效井筒传输距离的增大,激动压力滞后时间增大;井径的变化对激动压力滞后时间影响甚微;井底气侵量从0m3·h-1增至8.236m3·h-1,激动压力滞后时间为2.231s;钻柱长度从2500m减至500m,激动压力滞后时间为1.585s;井径从0.1778m增至0.254m,激动压力滞后时间为0.021s;当大量气体侵入井底时,可适当加快下钻速度,不仅可平衡地层压力,更可以抑制气体进一步侵入井底。     

环空后台阶管道内气固两相流动的数值模拟研究

环空管道后台阶突扩流动是空气正循环钻井过程中十分重要的关键部分,直接决定了钻探岩屑是否能够顺利上返地面.本文采用Euler-Lagrange两相流研究方法,气相湍流采用Realizable k-ε模型,固相采用离散相模型(DPM),固相的湍流耗散采用随机轨道模型,对环空后台阶突扩管道内气固两相流动进行了数值模拟研究.得出了气相场大涡演变规律,在此基础上研究了不同粒径时颗粒在流道中的浓度分布规律、运动轨迹,以及速度场分布规律.这为细观框架下研究气固两相相互作用规律提供了依据.     

非饱和粘性土中气体渗透特征

由于气体的进入形成了非饱和带,饱和土层中的气体渗透实质上是非饱和渗透问题。本文借助基于多孔介质气体渗流理论并考虑气体压缩性的、描述非饱和土中气体渗流运动的本构方程,试验研究了上海地区饱和粘性土层中的气体渗透规律。结果表明,饱水粘性土层中,气体渗透存在起始压力值,数值为100～200kPa, 与上海地区粘土的非饱和进气值较为接近;气体渗透速度与外界所施加的"压力平方差梯度"之间存在明显的分段特征。后者可能与在充满结合水的微孔隙通道中,只有一部分结合水在气压梯度的作用下发生流动,从而形成气体通道,施加的外力越大,形成的气体通道也越大,气体渗流也越明显。非饱和粘性土中气体渗透规律的研究,对于饱和粘土中的气压法施工,具有重要的理论与工程实践意义。     

两相正激波松弛流的数值研究

对气、固两相正激波松弛流动进行了数值研究,方程中考虑了压力梯度及非匀速运动引起的附加质量力。给出了完整的计算方法,对三种不同固相容积比、不同固相颗粒直径和不同马赫数分别进行了数值计算,所得计算结果给出了气、固两相的速度、温度、压力、密度、固相容积比及熵值沿流向分布情况。文章对气、固两相参数在松弛区中的变化规律进行了讨论。     

管长对带弯头管道内可燃预混气体爆炸规律及薄壁动态响应的影响研究

基于气云燃爆实验平台,开展了不同长度弯曲管道内丙烷-空气预混气体燃爆实验测试与分析,探索管道长度对弯曲管道内可燃气体燃爆特性及爆炸冲击波对管道薄壁加载效应的影响。实验分别采用光电传感器、压力传感器和应变传感器对管道内爆炸参数和管道薄壁的应力应变规律进行了测试,结果表明,管道越长,弯曲段两侧壁面超压和管壁最大应变越大,压力时程曲线与管道薄壁应变时程曲线具有良好的一致性;弯管一定程度上激励了火焰加速传播,火焰传播速度在90°拐点处降至最低;管道长度对管道内火焰燃爆规律的影响是整体的,管道长度越长,管内压力和火焰速度越大,最大爆炸压力出现在管道末端,冲击波对管壁的加载属于动态加载。     

两相正激波松弛流的数值研究

对气、固两相正激波松弛流动进行了数值研究,方程中考虑了压力梯度及非匀速运动引起的附加质量力。给出了完整的计算方法,对三种不同固相容积比、不同固相颗粒直径和不同马赫数分别进行了数值计算,所得计算结果给出了气、固两相的速度、温度、压力、密度、固相容积比及熵值沿流向分布情况。文章对气、固两相参数在松弛区中的变化规律进行了讨论。     

纳米阵列中气体驱替液体的流动特征

纳米尺度下气体驱动液体流动特征在纳流控芯片及页岩气开发中具有广泛的应用前景. 利用管径规格为292.8 nm,206.2 nm,89.2 nm,67.0 nm,26.1 nm的氧化铝膜为纳米阵列,进行气驱水实验和单相气体流动实验,分析纳米尺度下气驱水流动特征. 实验表明,纳米阵列中气驱水时气体流量随驱动压力变化经历三个阶段:第一阶段流量缓慢增大,且比单相气体流量降低约一个数量级;第二阶段纳米阵列中的水被大量驱替出,流量迅速增大;第三阶段纳米阵列中的水全部被驱替出,流动特征与单相气体流动保持一致. 分析表明,气驱水第一阶段存在气液界面毛细管力的“钉扎”作用及固液界面相互作用力的影响,是产生非线性流动的主要原因;而一旦“钉扎”作用破坏,气体进入管道推动界面运动,气柱与液柱之间的毛细曲面曲率变化,毛细管力减小,气体流量急剧增大,其中毛细管力随驱替压力增大急剧变化,是造成第二阶段气体流量突变的主要原因.      

触变性流体在旋转圆盘上的流动

采用甩涂过程的基本方程，导得触变性流体在旋转圆盘上流动的速度分布．并利用特征线法，得到薄膜厚度的方程．对其定性分析表明，流体的重建系数越小和破坏系数越大，将加快甩涂过程．     

尖头弹丸撞击下金属靶板弹道极限的两种工程模型

研究了圆锥形头和卵形头刚性弹垂直撞击塑性金属靶板扩孔冲塞型和延性扩孔型穿孔模式,考虑靶板背面自由边界的影响,提出两种两阶段工程分析模型,得到最小穿透能量的解析解。由球形空腔膨胀理论和两阶段总耗能最小确定第一阶段的侵彻深度,由功能原理和圆柱形空腔膨胀理论计算第一阶段侵彻扩孔耗能,延性扩孔型第二阶段耗能近似按Taylor扩孔理论计算,扩孔冲塞型第二阶段耗能考虑了加速塞块和剪断塞块所损耗的能量。与铝合金和装甲钢靶板弹道试验数据比较表明,本文两阶段模型的计算结果与试验结果吻合较好。     

高气液比垂直管流连续携液实验

在可视化管流实验架上, 采用压缩空气和雾化液体作为实验介质, 模拟连续携液过程并测试 实验参数; 采用高速摄像仪捕捉到气流中液滴实际形状------椭球体. 实验发现: 圆球体模型、 椭球体模型计算结果与实验值分别偏差10{\%}, 58.3{\%}. 分析椭球体受力状态并结合实验数据导出了新的椭球体数学模型, 按照新模型计算的结 果与7口产水气井生产情况一致.     

不同状态方程对固体介质中斜激波反射的影响

相比气体,固体介质在高压下的状态方程更为复杂,形式也多种多样.现有关于固体介质中激波反射的理论研究,一般直接采用某种状态方程,缺乏对采用不同状态方程得到的结果的对比.本项工作采用激波极曲线的理论分析方法,选择4种不同组合形式的状态方程(一次冲击激波采用线性的冲击波速度与粒子速度关系式,二次冲击激波采用Gr(u|¨)neisen状态方程;一次冲击和二次冲击激波均采用冲击波速度与粒子速度关系式:一次冲击激波采用线性冲击波速度与粒子速度关系式,二次冲击激波采用刚性气体状态方程;以及一次冲击激波和二次冲击激波均采用刚性气体状态方程),研究固体介质中的斜激波反射,比较了采用不同组合形式的状态方程对反射激波波后压力的影响.利用量纲分析方法讨论了简化状态方程达到较高精度的条件.此外,用ANSYS/LS-DYNA软件,对激波极曲线理论给出的结果进行了验证.本项工作可为固体介质中激波反射问题状态方程的选取提供一定的指导.     

MODEL ESTABLISHMENT AND LOAD TRANSFER OF SEMI ARTICULATED FLEXIBLE DRILLING TOOL1)

半铰接柔性钻具的载荷传递规律直接影响超短半径水平井钻进的成功率。为此,首先推导出半铰接柔性钻杆的单元刚度方程并揭示了半铰接柔性钻杆的弯矩传递规律;然后,采用理论分析与数值模拟相结合的方法,验证了半铰接柔性钻杆有限元模型的正确性;最后,建立造斜段半铰接柔性钻具力学模型,对不同井眼曲率半径下半铰接柔性钻具的载荷传递规律进行研究。结果表明：井深位置相同时,井底扭矩值随曲率半径的增加而增大;半铰接柔性钻杆未锁死时,柔性钻杆不传递弯矩且井底扭矩波动较大,相关研究成果为柔性钻具的设计提供理论依据。     

Description of liquid–gas phase transition in the frame of continuum mechanics

A new method of describing the liquid–gas phase transition is presented. It is assumed that the phase transition is characterized by a significant change of the particle density distribution as a result of energy supply at the boiling point that leads to structural changes but not to heating. Structural changes are described by an additional state characteristics of the system—the distribution density of the particles which is presented by an independent balance equation. The mathematical treatment is based on a special form of the internal energy and a source term in the particle balance equation. The presented method allows to model continua which have different specific heat capacities in liquid and in gas state.     

Pressure Relaxation in a Hole Surrounded by Porous and Permeable Rock in Hole Pressure Tests with Gas Injection

The pressure testing of a hole in porous and permeable rock by gas injection is considered. An integral equation for the hole pressure relaxation is obtained whose numerical and analytical solutions describe the dependence of the relaxation time of hole pressure on the reservoir properties of the surrounding porous rock as well as on the initial gas content and the initial pressure gradient in the hole. __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, Vol. 47, No. 1, pp. 109–118, January–February, 2006.     

刚性尖头弹垂直撞击金属厚靶板极限速度分析

研究了刚性尖头弹垂直撞击金属厚靶板扩孔冲塞型和延性扩孔型穿孔模式,提出分析最小穿透能量的两阶段工程模型．应用功能原理和圆柱形空腔膨胀理论得到第一阶段侵彻扩孔耗能．考虑靶板背面自由边界的影响,应用Taylor扩孔理论计算延性扩孔型穿孔第二阶段耗能;考虑加速塞块和剪断塞块所损耗的能量,由动量和能量原理导出扩孔冲塞型穿孔第二阶段剪切冲塞耗能．由两阶段总的耗能最小确定第一阶段的侵彻深度,从而得到最小穿透能量的解析解．与铝合金和装甲钢靶板弹道试验数据比较表明,该文两阶段模型的计算结果与试验结果吻合较好。     

On energy changes due to the formation of a circular hole in an elastic plate

The appearance of holes in crystals, developed in stressed biological structures, has motivated us to study the energy release of an initially undisturbed plate subjected to a biaxial stress state which is disturbed by a growing hole. An energy balance allows for a kinetic equation of the hole radius a. The main emphasis is placed on the calculation of the total mechanical energy-release rate by different independent concepts. Specifically, path-independent integrals represent the most convenient approach.