井下水力喷射压裂工具结构优化设计研究

论文摘要

水力喷射压裂是融合水力喷射射孔与水力压裂两种技术而产生的一种新技术,在对油井的增产改造中具有明显优势。井下水力喷射压裂工具是水力喷射压裂施工中的重要工具,对其内外流场射流特性的研究是必要的。实际应用中,喷射压裂工具存在着易磨损寿命短的问题,这严重影响了水力喷射压裂技术的进一步推广应用,因此对喷射工具的磨损现象的探索有积极意义。本文使用计算流体力学软件ANSYS CFX对水力喷射压裂工具喷射器进行了数值仿真研究,比较了喷射器喷嘴不同分布方式对流场的影响。对喷嘴的磨损现象进行了机理分析,使用显式动力有限元分析程序ANSYS/LS-DYNA对砂粒冲击喷嘴的现象进行了仿真模拟,分析了砂粒冲击对喷嘴寿命的影响。本文的研究主要取得了以下成果：（1）对水力喷射压裂技术进行了机理分析。（2）对喷射器的内外流场进行三维数值模拟,得到了喷射器内外流场特性。（3）通过对喷射工具内流场的数值模拟,比较了不同喷嘴位置、多喷嘴不同分布方式对射流的影响,提出了喷射工具结构优化的方案。（4）对喷嘴的磨损进行了机理分析。（5）通过对砂粒—喷嘴碰撞模型的应力有限元分析,指出了影响喷嘴使用寿命的因素,为优化喷嘴结构提供依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 水力喷射压裂技术国内外研究现状
• 1.1.1 水射流技术的发展应用
• 1.1.2 水力喷射压裂技术的发展及现状
• 1.1.3 水力喷射压裂喷射工具研究应用现状
• 1.2 本文研究的目的与意义
• 1.3 论文主要研究内容
• 1.4 课题来源
• 第二章 水力喷射压裂技术机理分析
• 2.1 水力喷射压裂技术
• 2.1.1 水力喷射压裂技术原理
• 2.1.2 水力喷射压裂技术的特点
• 2.1.3 水力喷射压裂技术工艺流程及存在问题
• 2.2 流体力学基本理论
• 2.2.1 流动基础知识
• 2.2.2 湍流基本方程与模型
• 2.2.3 多相流模型与分析方法
• 2.2.4 紊动冲击射流
• 2.2.5 计算流体力学研究方法
• 2.3 本章小结
• 第三章 喷射工具内外流场两相流数值模拟
• 3.1 ANSYS CFX简介
• 3.1.1 ANSYS CFX特点
• 3.1.2 ANSYS CFX多相流模型
• 3.2 物理模型
• 3.3 几何模型
• 3.4 网格划分
• 3.5 边界条件
• 3.6 求解及结果分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 喷射工具结构优化研究
• 4.1 单喷嘴喷射器喷嘴位置优化
• 4.1.1 边界条件
• 4.1.2 运算结果
• 4.1.3 结果分析
• 4.2 双喷嘴喷射器结构优化
• 4.2.1 边界条件
• 4.2.2 运算结果
• 4.2.3 结果分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 喷嘴磨损机理分析
• 5.1 水力喷射压裂喷嘴磨损现状
• 5.2 喷嘴磨损失效的形式
• 5.2.1 显微切削磨损
• 5.2.2 疲劳磨损
• 5.2.3 脆性断裂磨损
• 5.2.4 热震损伤
• 5.2.5 扩散磨损
• 5.3 喷嘴耐磨性的影响因素
• 5.3.1 喷嘴特性对其耐磨性的影响
• 5.3.2 射流特性对喷嘴耐磨性的影响
• 5.4 提高喷嘴寿命的措施
• 5.4.1 提高喷嘴材料性能
• 5.4.2 改进喷嘴结构参数
• 5.5 本章小结
• 第六章 喷嘴受砂粒冲击应力有限元分析
• 6.1 ANSYS/LS-DYNA简介
• 6.1.1 ANSYS/LS-DYNA的特点
• 6.1.2 ANSYS/LS-DYNA接触碰撞的数值计算
• 6.2 砂粒对喷嘴不同部位碰撞模拟比较
• 6.2.1 砂粒对喷嘴入口端面的冲击
• 6.2.2 砂粒对喷嘴内壁收缩段入口处的冲击
• 6.2.3 砂粒对喷嘴内壁收缩段中间处的冲击
• 6.2.4 砂粒对喷嘴内壁收缩段结束处的冲击
• 6.2.5 砂粒对喷嘴不同部位碰撞效果对比
• 6.3 影响砂粒碰撞喷嘴效果因素分析
• 6.3.1 砂粒形状对碰撞效果的影响
• 6.3.2 砂粒粒径对碰撞效果的影响
• 6.3.3 砂粒速度对碰撞效果的影响
• 6.3.4 砂粒密度对碰撞效果的影响
• 6.3.5 砂粒参数对碰撞效果影响的对比结果
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 详细摘要