竖直气液两相管流中空隙率波及其不稳定性分析

对竖直气液两相管流中的空隙率波进行了测量和分析。结果表明 ,不同流型的空隙率波其传播速度不同 ,并随含气率的升高而增大 ,泡状流“失稳”前后空隙率波的相速度与群速度不相等 ,属于色散波。利用扰动方法研究了空隙率波的不稳定性 ,发现某些频率的扰动能使空隙率波的波速和相速度有所提高。非线性分析结果表明 ,泡状流“失稳”时是一个混沌动力系统。空隙率波的增长系数求解结果表明 ,泡状流向弹帽泡状流转化时 ,空隙率波对有限扰动是不稳定的 ,并对扰动的频率有所选择。当扰动频率与空隙率波的主控频率相近时 ,空隙率波呈最大增长状态。     

围压对旋转射流破岩钻孔效率的影响

根据现场径向水平钻井技术的需要 ,在前期常压条件下研究的基础上 ,对围压条件下旋转射流的破岩钻孔效率进行了试验研究。结果表明 ,在围压条件下 ,随着射流压力的增加 ,旋转射流破岩效率呈现出线性增加的趋势。随着喷距的增加 ,破碎效率呈现出先增加后减小的趋势 ,即存在最优喷距。在围压低于 5MPa时 ,破碎红砂岩的最优无因次喷距为 2～ 2 .5 ;随着围压的增加 ,破岩效率呈指数下降趋势 ,最优喷距随围压的增加而减小。在同压差条件下 ,围压比射流压力对破碎效果的影响更大。     

二氧化碳连续管井筒流动传热规律研究

基于二氧化碳在井筒内流动时的传热过程,考察二氧化碳在井筒内的热量和压力传递方式及其对相态和物性变化的影响规律。建立二氧化碳井筒内热传递模型,采用交替方向推进法进行求解,分析二氧化碳在井筒内流动过程中温度、压力和相态的变化规律。结果表明:二氧化碳在连续管内热交换效率较高,温度上升幅度随着井深的增大逐渐减小;二氧化碳沿环空上返过程中,温度逐渐降低,在靠近井口处温度显著下降;随着井深的增大,连续管内的液态二氧化碳逐渐转变为超临界态,在沿环空上返的过程中再次转变为液态,继而变为气液两相至出口。     

固液两相流粒子冲蚀钻头内流道磨损

针对固液两相流粒子冲蚀钻头内流道磨损机制,应用固液两相流离散相模型(discrete phase model,DPM),建立钻头内流道冲蚀磨损的物理模型,获得粒子参数对内流道磨损的影响规律,并进行室内实验,验证DPM模型的有效性。研究结果表明:粒子对钻头内流道冲蚀磨损主要分布在内流道收缩面,越靠近钻头中心轴线,磨损率越大;随粒子入口速度的增大,内流道平均磨损率增大;随粒子直径的增大,内流道平均磨损率先减小后增大,最后趋于稳定,当直径为2.0 mm时平均磨损率最小;随粒子体积分数的增大,内流道平均磨损率近似呈直线增加;当粒子入口角度为50°时,内流道平均磨损率最大;压力对于内流道磨损影响较小;进行100 h磨损实验后,钻头内流道的磨损率减小了0.80%。     

自吸环空流体式自激振荡脉冲粒子射流调制机制分析

基于现有技术分析,提出利用环空水力能量在井下调制脉冲粒子射流用于硬地层钻井提速的技术设想。模拟分析所提出的自吸环空流体式自激振荡脉冲射流调制元件吸入环空粒子,并振荡加速形成脉冲粒子射流的机制。结果表明:随着围压、粒径、粒子密度和泵压的增大,粒子在自激振荡腔室内的停留时间逐渐缩短,运行轨迹趋于简化;粒子出口速度随着围压、粒径和泵压的增大而增大,随着粒子密度的增大呈先增大后减小的趋势,存在最优粒子密度。研究结果证实了井下调制式脉冲粒子射流钻井方法的原理可行,为实际钻井技术的发展提供了重要依据。     

旋转水射流破岩的数值模拟分析

采用非线性动力有限元和岩石动态损伤模型模拟了旋转水射流作用下岩石的损伤破坏过程，其中岩石损伤场的求解采用解耦的方法。同时还对旋转水射流的破岩机理进行了分析。模拟计算结果与前期的试验结果一致，均显示旋转射流具有较强的破岩能力，其原因在于旋转射流的质点具有三维速度，破岩时以倾斜冲击为主，易于在岩石表面形成拉伸和剪切破坏，回流的干扰较少；破岩过程首先是形成一环形破碎带，然后沿径向和轴向发展，所形成的破碎坑呈内凸锥状。旋转射流破岩的优势在于破碎面积大、效率高。     

高压水射流破碎岩石的有限元分析

根据连续介质力学和有限元理论 ,给出了高压水射流破岩系统中流体和岩石的控制方程 ,并建立了相应的有限元列式。采用交错迭代的解耦方法求解了水射流与岩石的耦合问题 ,并就非线性动力有限元数值计算中应注意的问题进行了讨论。数值计算的结果较真实地反映了水射流破岩过程中岩石的动态响应以及水射流动力学特性的演化过程 ,并与相关试验规律吻合良好 ,这表明该分析方法是有效的 ,可用来指导高压水射流破岩理论的进一步研究及应用。     

超临界二氧化碳粒子射流破岩性能分析

由于页岩和致密砂岩等非常规储层岩石的破岩门限压力大,为充分发挥超临界二氧化碳在开发非常规资源方面的技术优势,提出引入粒子后形成超临界二氧化碳粒子射流,提高射流的破岩效率。在优化超临界二氧化碳射流破岩实验流程的基础上,研制超临界二氧化碳粒子射流破岩实验装置,分析超临界二氧化碳粒子射流的破岩性能。结果表明:相对于纯超临界二氧化碳射流,加入石英砂30 s后超临界二氧化碳粒子射流的破岩性能得到大幅度增强,破岩体积提高了66.67%;超临界二氧化碳粒子射流的破岩性能随着喷嘴直径和喷距的增大先增强后减弱;本试验条件下最优喷嘴直径为3 mm、喷距为6 mm,粒径为0.3～0.5 mm;压力和温度越高,射流的破岩性能越强,但增强的趋势逐渐变缓。     

旋转射流流线分析及旋流强度的计算

为了研究旋转射流的流动特性以及喷嘴和叶轮的几何形状对旋转流体流强度的影响，对旋转射流的流动及旋流强度进行了理论分析及计算。结果表明，在理想情况下，旋转于流的流线为一条对数螺旋线。     

刀翼式PDC钻头的侧向力平衡设计

聚晶金刚石(PDC)钻头的侧向不平衡力是造成钻头涡动的主要原因之一，而侧向不平衡力取决于钻头的布齿结构，通过合理的布齿结构设计，可有效地控制侧向不平衡力的大小。在对POC钻头进行受力分析的基础上，建立了POC钻头受力计算模型，提出了通过调整刀翼周向位置使钻头的侧向不平衡力达到最小的优化设计方法。利用该方法进行了实例计算，结果表明，该设计方法能将POC钻头的侧向不平衡力控制在钻压的1％以内。