水力深穿透射孔自进旋转喷头关键参数研究

论文摘要

水力深穿透射孔技术利用高压水射流破岩在油层和油井之间形成原油通道,能有效改善低渗透油田采油环境和增加石油产量,被认为是石油领域最有发展前景的技术之一。在传统水力深穿透射孔技术的基础上提出自进式旋转射流水力深穿透射孔方案,即通过喷头旋转产生旋转射流破岩成孔,并在射流反冲力作用下实现径向自推进。由于自进旋转喷头作为本系统执行元件直接影响水力深穿透射孔效果,故本课题将自进旋转喷头中与水力射孔相关的关键参数作为研究的重点。考虑工程中水力射孔要求,喷头关键参数主要包括喷头喷嘴参数、喷头结构参数及工况参数。本文主要研究了上述参数对水力射孔的影响并确定了各参数优选范围。喷头射流特征是评价喷头水力射孔效果的主要参考依据,本文基于CFD方法对喷头射流进行数值模拟仿真来研究喷头参数对水力射孔的影响。通过建立喷头射流微分方程组并确定相关数值计算方法为喷头射流仿真奠定数值基础。利用FLUENT对喷头自由射流和冲击射流流场进行仿真分析,确定喷头端面优选参数以满足增加水力射孔破岩效果和提高水射流能量利用率要求。其中喷头端面参数包括:喷嘴嘴型和局部关键尺寸、喷嘴布局方式、喷头工况参数即入射速度和打击靶距范围。在喷头自推进模型基础上设计合适的自推进力以保证水力射孔深度,根据自推进力大小完成喷头后喷嘴参数的设计。基于非接触式间隙动密封原理设计了喷头动密封结构,通过合理设计密封间隙高度解决泄漏量问题,并利用ANSYS对喷头受力变形进行有限元分析,验证密封间隙高度设计的合理性,保证了喷头可靠的密封效果和灵活的转动。本课题研究成果为自进式旋转射流水力深穿透射孔方案喷头参数的设计提供了理论指导,对低渗透油藏开采和石油增产有重要的意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 高压水射流技术发展和应用现状
• 1.2.2 油田水力深穿透射孔技术发展现状
• 1.3 研究内容及其方法
• 第2章 喷头射流数值基础
• 2.1 喷头射流数值微分方程组
• 2.1.1 黏性流体运动基本方程
• 2.1.2 喷头射流基本方程
• 2.1.3 紊流模型方程
• 2.2 喷头射流数值计算方法
• 2.2.1 有限体积法
• 2.2.2 SIMPLE 算法
• 2.2.3 QUICK 离散方法
• 2.2.4 壁面函数法
• 2.3 本章小结
• 第3章 基于CFD 射流仿真喷头参数研究
• 3.1 淹没自由射流规律研究
• 3.2 基于单喷嘴自由射流仿真嘴型和局部参数研究
• 3.2.1 喷嘴嘴型研究
• 3.2.2 田口法喷嘴局部参数研究
• 3.3 基于单喷嘴冲击射流仿真喷头工况参数研究
• 3.3.1 冲击射流仿真基础
• 3.3.2 不同工况参数下单喷嘴冲击射流流场特征
• 3.4 基于多喷嘴冲击射流仿真喷头端面喷嘴参数研究
• 3.4.1 多喷嘴间距影响规律研究
• 3.4.2 多喷嘴倾角影响规律研究
• 3.4.3 多喷嘴空间布局综合影响规律研究
• 3.5 本章小结
• 第4章 喷头自推进力和动密封设计计算
• 4.1 喷头水力学基础
• 4.2 喷头自推进设计计算
• 4.2.1 喷头自推进模型
• 4.2.2 自推进力计算
• 4.3 喷头动密封设计计算
• 4.3.1 动密封结构
• 4.3.2 密封泄漏量计算
• 4.3.3 密封间隙高度校核
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢