基于天然气藏增产改造关键设备喷嘴的优化设计与实验研究

论文摘要

随着对天然气井的不断开采,老井的生产率在不断的下降。如何通过对老井的改造,提高产气率是天然气开采工业面临的重要问题之一。目前主要采用的是聚能射孔弹技术进行老井的改造,但是在一些情况下该项技术难以取得较好的效果,研究发现水力喷砂射孔技术可以有效地弥补该项技术的不足。作为水力喷砂射孔技术的关键部件喷嘴,当结构受到限制时,工作性能难以达到最优或是不能满足要求,如何设计、优化结构受到限制的喷嘴是水力喷砂射孔技术存在的主要问题之一。本文依托国家自然科学基金委创新群体基金项目“高压水射流破岩理论及其在地下工程中的应用基础研究(基金号:50621403)”,设计优化了总长度受到限制的水力喷砂射孔喷嘴的结构参数。根据喷嘴设计原理和方法,对喷嘴进行了初步的设计,并采用CFD数值模拟方法对结构进行了初步的优化分析;采用非接触式测速方法(3DPIV)测试喷嘴出口处的速度场,通过分析速度场对喷嘴结构进行进一步优化;通过实验室冲蚀砂岩的实验,测试不同结构喷嘴的冲蚀性能,最终确定喷嘴的优化结构参数。主要研究成果如下:1.对喷嘴进行初步设计和优化。主要设计包括喷嘴材质和喷嘴内部结构,孔径d,圆锥段收敛角θ,孔径直线段长度h,外径D,喷嘴的总长度H,喷嘴内表面粗糙度;采用数值模拟的方法研究喷嘴进口收缩角度和出口圆柱段长度对射流速度场的影响,根据实验结果对喷嘴结构进行初步的优化分析。2.根据初步设计和优化结果,加工不同结构的喷嘴,采用非接触式测速方法(3DPIV)测试喷嘴出口流场,在保持泵压为20MPa的条件下进行测试,测试结果表明:喷嘴出口射流速度随着喷嘴出口圆柱段长度和收缩角的增加先增加后减小;当喷嘴总长度固定为17mm时,进口收缩角30°、出口圆柱段长10mm的喷嘴,出口流场平均速度最大为106.29m/s,该喷嘴形成的射流冲蚀性能最强。3.根据喷嘴的优化结果,加工不同结构的喷嘴,在相同的实验条件下,保持泵压为20MPa,保持磨料质量浓度为10%,冲蚀抗压强度为50MPa的致密砂岩,结果表明:进口收缩角度为30°,出口圆柱段长度为10mm的喷嘴,冲蚀效率最高,最终冲蚀深度最大为925mm,性能最好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 水力喷砂射孔技术的研究现状
• 1.3 水力喷砂射孔喷嘴研究现状
• 1.4 论文研究思路和研究内容
• 2 水力喷砂射孔喷嘴的设计研究
• 2.1 水力喷砂射孔喷嘴设计原理
• 2.2 水力喷砂射孔喷嘴的设计
• 2.3 水力喷砂射孔喷嘴流场的数值模拟实验
• 2.3.1 数值模拟实验数学模型的建立
• 2.3.2 几何模型的建立与网格划分
• 2.3.3 数值模拟计算及结果分析
• 2.4 本章小结
• 3 水力喷砂射孔喷嘴特性实验研究
• 3.1 流量系数及流场特性测试实验原理
• 3.2 喷嘴流量系数测试实验
• 3.3 喷嘴出口流场特性测试实验
• 3.4 本章小结
• 4 水力喷砂射孔喷嘴冲蚀性能实验研究
• 4.1 喷嘴冲蚀性能测试实验方案的设计
• 4.2 砂岩力学性质的测试实验
• 4.3 喷嘴最优靶距和冲蚀砂岩性能的测试实验
• 4.4 本章小结
• 5 结论与建议
• 5.1 结论
• 5.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A.作者在攻读硕士学位期间发表论文
• B.作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目情况