常压下淹没自振空化射流冲蚀岩石效果的试验研究

本文对常压下淹没自振空化水射流进行了试验研究,着重研究了风琴管空化喷嘴的冲蚀效果及其影响因素。对自振空化喷嘴的结构关系和设计模式进行了理论推导,并用半理论的方法对风琴管空化喷嘴和脉冲空化喷嘴进行了设计。用风琴管空化喷嘴、脉冲空化喷嘴和锥形喷嘴做了不同喷距时的冲蚀人造砂岩试验,得出了喷距影响规律。研究结果表明,自振空化喷嘴的冲蚀效果明显优于锥形喷嘴。在此基础上,通过对常压下风琴管空化喷嘴的冲蚀效果及其影响因素的研究,得出了一些规律性结果,为喷嘴优化设计提供了依据,使自振空化射流在工业上得到了广泛的应用。     

水力喷射多级压裂井下工具磨损规律分析

水力喷射压裂是一种集射孔、压裂及水力封隔一体化的增产改造新方法井下工具(喷枪)作为保证该技术成功实施的关键因素之一其工作寿命直接关系到该技术的施工效果。把现场应用后部分存在磨损的喷枪剖开后分析了喷枪内部喷嘴周围及外表面磨损较严重的区域再利用数值方法模拟计算了喷射压裂时工具内部流场研究了井下工具内部流道附近易磨损区域形成原因。结果表明：返溅回来的磨料射流会对喷枪外表面形成返溅冲蚀下层喷嘴外表面受到返溅冲蚀伤害比上层喷嘴严重;在胶结较差的地层高速磨料射流可能进入地层并通过已有的射孔孔眼冲蚀喷枪或油管外表面;同一喷枪的内部上层喷嘴上缘和下层喷嘴下缘属于易磨损区域喷枪内部流场的数值模拟结果很好地解释了出现该现象的原因。因此研究该技术中使用的井下工具磨损规律对于改进工具结构、提高喷枪寿命和水力喷射压裂成功率具有实际参考价值。     

液氮压裂中液氮对岩石破坏的影响试验

为了研究液氮对岩石破坏的影响,在理论分析的基础上,借助核磁共振测试技术,通过测试所选取的砂岩岩样孔隙体积及孔隙结构的变化,研究液氮对干燥状态和饱和水状态岩样的破坏形式。结果表明:液氮的热力冲击作用可使干燥岩石在较短时间内产生收缩变形和孔隙体积减小,试验后红色砂岩和白色砂岩岩样的孔隙体积分别降低了8.63%和4.78%;冻结作用对饱和岩样的矿物颗粒之间胶结较弱处具有损伤破坏作用,当损伤达到一定程度后,会贯通成缝,使岩体出现断裂现象。     

超临界二氧化碳喷射压裂孔内流场特性

为了证实利用超临界二氧化碳(CO2)流体进行喷射压裂的可行性,利用Span-Wagner气体状态方程建立超临界CO2流场的计算流体力学模型,模拟超临界CO2喷射压裂过程中的孔内流场。结果表明:在喷嘴压降相同的条件下,与水射流相比,超临界CO2射流的射流速度更高,射流核心区更长;超临界CO2喷射压裂具有比水力喷射压裂更强的射流增压效果,更容易压开地层;超临界CO2射流具有显著的焦耳-汤姆逊效应,会导致温度下降,在压裂施工中应合理控制喷嘴压降,以防发生冰堵事故;超临界CO2的密度主要受压力影响,通过调节压力就能有效控制,可适应不同的地层温度条件。     

水平井冲砂洗井流体流速研究

由于水平井井身结构的特殊性,开发过程中地层砂更易进入井筒,导致产量下降,水平井中冲砂洗井效果直接影响其产能和开发成本。直井冲砂的水力参数设计不适用于水平井水力冲砂洗井,有必要进行水平井冲砂洗井水力参数研究。在分析水平井不同井段内岩屑运移机理的基础上,建立了相应的水力冲砂流体流速数学模型,可以计算砂粒运移时与流体的相对速度以及冲砂洗井所需的临界流速。水平井冲砂洗井中最困难部分为井斜角60°左右的斜井段,临界流速值最大;洗井液黏度适当增大可以降低冲砂洗井所需的临界流速;岩屑尺寸增大,冲砂洗井所需的临界流速也增大。由于未考虑湍流漩涡对于岩屑运移的影响,临界流速计算值略大于实际冲砂洗井中的流速。     

岩石连续损伤统计本构模型

基于岩石微元强度概率分布理论 ,以Drucker Prager破坏准则为统计分布变量 ,建立了理论的岩石损伤变量演化方程和三轴条件下岩石损伤弹性统计本构模型。利用任意条件下的三轴试验数据 ,用曲线拟合法和极值法求解了所建模型的参数 ,并用试验结果对所建模型进行了验证。模型计算结果与试验结果吻合较好 ,这说明用Drucker Prager准则为统计分布变量建立的损伤模型能够较好地反映岩石内部缺陷分布和变形特征 ,表征岩石材料在弹性阶段的本构关系。     

旋转空化喷嘴结构优化设计及涡旋特性分析

为提升高压水射流破碎开采天然气水合物的效率,优化设计一种旋转空化射流喷嘴。利用计算流体力学方法探究不同叶轮数、叶轮加旋角度、入口速度和出口围压对旋转空化射流特性的影响规律,对比分析旋转空化射流和收缩-扩张型空化射流的流场分布规律、涡旋特性及天然气水合物沉积物的破碎特征。研究结果表明：叶轮加旋角度对旋转空化射流的影响明显比叶轮数的影响大,叶轮数及叶轮加旋角度的优化值分别为3个和360°;在喷嘴结构固定的情况下,提高入口速度能获得空蚀及射流冲蚀能力更强的旋转空化射流,而围压升高则会弱化流场中空化云的初生与发展;旋转空化射流因兼具正向冲击、径向张力及周向剪力和“梭形”空化云特点,较收缩-扩张型空化射流有更优的破岩效果;叶轮旋转效应所产生的中心涡使得旋转空化射流的涡结构更加复杂,流场中更易形成“负压”区以提升射流的空蚀能力。     

自振空化水射流冲击压力脉动的实验研究

研究了在常压和围压达到６ＭＰａ条件下，时域和频域上自振空化水射流的压力脉动特性．给出了评价压力脉动特性优劣的三个参数：最大脉动峰值压力、压力脉动幅度和脉动压力峰值差，得到了三个参数沿轴向和径向的变化规律及喷距、泵压、围压对射流压力脉动的影响规律。实验表明．自振空化射流存在最优喷距．在此喷距下脉动最强；在常压和围压条件下脉动规律不同，脉动随围压的升高而加剧．通过对风琴管脉冲喷嘴的改进，得到了一种新型的自振空化射流喷嘴。实验证明．这种新型喷嘴可提高射流的压力脉动强度及破岩效果。     

水平多裂缝交错扩展及其诱导应力干扰研究

QA油田X储层埋深较浅,高角度天然裂缝发育,水力压裂后形成的水力裂缝形态较为复杂,压后效果时好时坏,给压裂设计及施工带来诸多困难,急需弄清该储层水力裂缝的形态,以确定合理的压裂施工方案。首先,采用三轴岩石力学测试系统对X储层岩石力学特征进行测试,观察天然裂缝形态。其次,建立砂泥岩相间的二维平面渗流-应力-损伤耦合有限元模型,采用二次应力起裂准则作为水力裂缝是否起裂的判断依据,以幂律流来表征流体在Cohesive单元内的流动。模拟了X储层水力压裂多裂缝交错延伸的裂缝形态,探究了水力裂缝几何形态及压裂液排量、地应力、压裂液黏度对缝间应力干扰的影响,揭示了复杂多裂缝交错扩展的干扰机理,发现该储层具有形成复杂裂缝的力学和工程地质条件,为该区域的压裂改造提供理论指导。