煤層氣增產水力空化工具性能分析及其優(yōu)化
發(fā)布時間：2021-11-24 08:31
由于煤儲層具有多孔隙、滲透率低等特點,傳統(tǒng)增產措施例如水力壓裂技術,存在煤層損傷大,污染高,適應性不強的問題。而水力空化射流技術通過誘導空化潰滅能產生大量的能量,包括機械震動和熱能。使煤層產生交替變形達到撕裂煤層的效果,從而提高孔隙度,同時降低煤層瓦斯在煤體上的吸附能力,達到煤層氣增產的目的。本文以提高煤層氣采收率空化工具為研究對象,首先,根據(jù)應用水聲學和氣泡動力學,分析了空化氣泡在初生、生長以及壓縮過程中的動力學特性。并對煤層氣在儲層中的賦存特性進行分析,建立了適用于煤層孔隙中的空泡初生和潰滅模型,導出壓力波傳播的波動方程。然后,建立自激振蕩空化噴嘴模型,并設計出適用于煤層氣增產的空化工具,通過理論分析和Fluent數(shù)值模擬的方式,對空化噴嘴的射流特性進行分析,揭示了振蕩腔內空化氣泡發(fā)展過程,并對噴嘴主要結構參數(shù)的配比以及工藝參數(shù)（入口流速、出口圍壓）對空化效果的影響進行研究,最后進行室內實驗驗證。通過改變結構參數(shù)以及工藝參數(shù),得出最優(yōu)的結構參數(shù)配比為:d2/d1=1.82.2,Dc/d...
【文章來源】：西安石油大學陜西省
【文章頁數(shù)】：71 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
技術路線
西安石油大學碩士學位論文8圖2-1空化水射流空蝕區(qū)域[42]2.1.1空化的分類空化的分類方式有多種，根據(jù)空化氣泡的發(fā)生條件和動態(tài)特性，可將空化分為振蕩型空化、游移型空化、固定型空化和旋流型空化四種類型[43]：a.振蕩型空化這類空化主要發(fā)生在液體不流動的狀態(tài)下，通過放置一個物體在液體內，并使其在液體中不斷運動，從而使得液體隨著運動物體而產生振動形成壓力波動。當振動的幅度及頻率較大時，液體內會產生局部的低壓，當壓力低于某一臨界值時，低壓區(qū)將會有氣核出現(xiàn)并長大發(fā)生空化現(xiàn)象，同時由于物體的振動促使空化氣泡的潰滅。b.游移型空化在流動的液體中，由于一些外部因素的影響，如截面變徑等，使得液體壓力降低，由于液體存在一定的張力，空化氣泡開始生長，當流體流經的區(qū)域壓力升高后，空化氣泡開始收縮，直到完全潰滅。c.固定型空化這類空化一般形成于固定的結構表面，由于液體的不同層運動狀態(tài)不同，而在其交界面產生強烈的剪切效果，在某一層中由于速度較快而形成空化，常見的此類空化如水翼空化。在產生空化后，隨著空化數(shù)的變化，會形成固定空化附著在固體壁面上，并隨著固體壁面移動，最后逐步潰滅消失，在下一個周期內又會重復產生。d.旋渦型空化這類空化常見于航船的船槳附近，空化主要由于物體的旋轉產生旋渦流，而旋渦中心產生高紊動剪切，使得中心壓力下降到臨界壓力以下，從而出現(xiàn)空化。此類空化非常不穩(wěn)定，其空化特性隨旋渦強度變化。
西安石油大學碩士學位論文12圖2-2球型氣泡的靜平衡忽略該狀態(tài)下存在的氣體擴散現(xiàn)象，得出平衡方程：2vppR（2-4）式中：p為空泡外壁面所受到的水體壓力，Pa；vp為空泡內部的飽和蒸氣壓強，Pa；為水的表面張力系數(shù)；R為空泡的半徑，m。顯然可以看出，當外壁面受到的水體壓力p＜2vpR時，空泡將會膨脹生長，反之則會收縮潰滅。在實際上來說，空泡中的氣體除了水蒸氣以外，一般還會含有原本溶于水體中的可溶性氣體，此時的平衡方程將改寫為：2vgpppR（2-5）式中：gp為空泡內氣體的分壓強，Pa。當空泡的半徑R開始變化時，由于空泡的體積發(fā)生變化，空泡內氣體的體積也將產生相應的改變，因此隨著R的變化，gp可能發(fā)生以下三種情況的變化：（1）按照理想氣體狀態(tài)方程進行變化時，為g3NTpR(2-6)（2）當R進行快速變化時，按照理想氣體等溫過程，為00300ggg3VRpppVR(2-7)（3）當R的變化較為遲緩時，按照理想氣體絕熱過程，為00300gggVRpppVR(2-8)上三式中：T為空泡內的絕對溫度，k；N為空泡相關常數(shù)；0gp、0R、0V分別為某一狀態(tài)下初始空泡的氣體分壓強、半徑和體積；gp、R、V分別為變化中空泡的氣體分壓強、半徑和體積；為空泡內氣體的絕熱系數(shù)。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]煤層氣自激振蕩增產工具空化試驗[J]. 韓軍,馬勇,鄭杰,程嘉瑞,竇益華. 石油機械. 2019(09)
[2]自激振蕩腔空化特性的數(shù)值仿真及試驗研究[J]. 劉曉雄,聶松林,紀輝,白曉蓉. 液壓與氣動. 2019(07)
[3]基于聲發(fā)射的自振脈沖空化射流實驗研究[J]. 趙韡,侯帥豪,祝錫晶,邵云鵬. 科學技術與工程. 2019(11)
[4]自激脈沖空化噴嘴三維非穩(wěn)態(tài)流動的數(shù)值模擬[J]. 張坤,陳頌英. 排灌機械工程學報. 2018(04)
[5]考慮采動影響的煤層氣儲層數(shù)值模擬方法研究[J]. 張益,沈磊,田喜軍,胡均志,劉鵬. 西安石油大學學報(自然科學版). 2017(06)
[6]我國煤層氣(煤礦瓦斯)開發(fā)利用現(xiàn)狀及展望[J]. 郭繼圣,張寶優(yōu). 煤炭工程. 2017(03)
[7]新型人工淹沒水射流噴嘴流場數(shù)值模擬與結構優(yōu)化[J]. 雷傳超,鄧松圣,張世峽,管金發(fā). 后勤工程學院學報. 2015(06)
[8]低壓大流量自激脈沖空化射流試驗研究[J]. 陳頌英,胡濤,曲延鵬,曾兆強,李文珂,劉春武. 工程熱物理學報. 2014(10)
[9]空化水射流熱效應影響煤體滲透率試驗研究[J]. 盧義玉,丁紅,葛兆龍,夏彬偉,程亮. 巖土力學. 2014(05)
[10]煤層氣含量影響因素及預測方法[J]. 曹軍濤,趙軍龍,王軼平,張景云,許登才. 西安石油大學學報(自然科學版). 2013(04)
博士論文
[1]煤層滲透率變化規(guī)律和氣潤濕反轉方法提高煤層氣產量研究[D]. 馬東.長江大學 2013
[2]空化水射流聲震效應促進煤層瓦斯解吸滲流機理研究[D]. 周東平.重慶大學 2010
[3]聲震法提高煤層氣抽采率的機理及技術原理研究[D]. 易俊.重慶大學 2007
[4]自激振蕩脈沖射流裝置性能影響因素數(shù)值分析及噴嘴結構優(yōu)化設計[D]. 王循明.浙江大學 2005
碩士論文
[1]煤層氣液流空化解堵增產工具設計及結構優(yōu)化研究[D]. 狄立輝.西安石油大學 2019
[2]空化射流噴嘴結構參數(shù)的優(yōu)化[D]. 陳理.浙江工業(yè)大學 2017
[3]空化泡及空化水射流的數(shù)值模擬[D]. 羅沖.浙江工業(yè)大學 2016
[4]空化射流噴嘴流場數(shù)值模擬研究[D]. 楊涵.西華大學 2015
[5]不同噴嘴形狀的自振脈沖噴嘴數(shù)值模擬與實驗研究[D]. 何小婷.湖南工業(yè)大學 2014
[6]脈沖噴嘴射流特性的數(shù)值模擬研究[D]. 劉興鐸.西南石油大學 2014
本文編號：3515606
【文章來源】：西安石油大學陜西省
【文章頁數(shù)】：71 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
技術路線
西安石油大學碩士學位論文8圖2-1空化水射流空蝕區(qū)域[42]2.1.1空化的分類空化的分類方式有多種，根據(jù)空化氣泡的發(fā)生條件和動態(tài)特性，可將空化分為振蕩型空化、游移型空化、固定型空化和旋流型空化四種類型[43]：a.振蕩型空化這類空化主要發(fā)生在液體不流動的狀態(tài)下，通過放置一個物體在液體內，并使其在液體中不斷運動，從而使得液體隨著運動物體而產生振動形成壓力波動。當振動的幅度及頻率較大時，液體內會產生局部的低壓，當壓力低于某一臨界值時，低壓區(qū)將會有氣核出現(xiàn)并長大發(fā)生空化現(xiàn)象，同時由于物體的振動促使空化氣泡的潰滅。b.游移型空化在流動的液體中，由于一些外部因素的影響，如截面變徑等，使得液體壓力降低，由于液體存在一定的張力，空化氣泡開始生長，當流體流經的區(qū)域壓力升高后，空化氣泡開始收縮，直到完全潰滅。c.固定型空化這類空化一般形成于固定的結構表面，由于液體的不同層運動狀態(tài)不同，而在其交界面產生強烈的剪切效果，在某一層中由于速度較快而形成空化，常見的此類空化如水翼空化。在產生空化后，隨著空化數(shù)的變化，會形成固定空化附著在固體壁面上，并隨著固體壁面移動，最后逐步潰滅消失，在下一個周期內又會重復產生。d.旋渦型空化這類空化常見于航船的船槳附近，空化主要由于物體的旋轉產生旋渦流，而旋渦中心產生高紊動剪切，使得中心壓力下降到臨界壓力以下，從而出現(xiàn)空化。此類空化非常不穩(wěn)定，其空化特性隨旋渦強度變化。
西安石油大學碩士學位論文12圖2-2球型氣泡的靜平衡忽略該狀態(tài)下存在的氣體擴散現(xiàn)象，得出平衡方程：2vppR（2-4）式中：p為空泡外壁面所受到的水體壓力，Pa；vp為空泡內部的飽和蒸氣壓強，Pa；為水的表面張力系數(shù)；R為空泡的半徑，m。顯然可以看出，當外壁面受到的水體壓力p＜2vpR時，空泡將會膨脹生長，反之則會收縮潰滅。在實際上來說，空泡中的氣體除了水蒸氣以外，一般還會含有原本溶于水體中的可溶性氣體，此時的平衡方程將改寫為：2vgpppR（2-5）式中：gp為空泡內氣體的分壓強，Pa。當空泡的半徑R開始變化時，由于空泡的體積發(fā)生變化，空泡內氣體的體積也將產生相應的改變，因此隨著R的變化，gp可能發(fā)生以下三種情況的變化：（1）按照理想氣體狀態(tài)方程進行變化時，為g3NTpR(2-6)（2）當R進行快速變化時，按照理想氣體等溫過程，為00300ggg3VRpppVR(2-7)（3）當R的變化較為遲緩時，按照理想氣體絕熱過程，為00300gggVRpppVR(2-8)上三式中：T為空泡內的絕對溫度，k；N為空泡相關常數(shù)；0gp、0R、0V分別為某一狀態(tài)下初始空泡的氣體分壓強、半徑和體積；gp、R、V分別為變化中空泡的氣體分壓強、半徑和體積；為空泡內氣體的絕熱系數(shù)。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]煤層氣自激振蕩增產工具空化試驗[J]. 韓軍,馬勇,鄭杰,程嘉瑞,竇益華. 石油機械. 2019(09)
[2]自激振蕩腔空化特性的數(shù)值仿真及試驗研究[J]. 劉曉雄,聶松林,紀輝,白曉蓉. 液壓與氣動. 2019(07)
[3]基于聲發(fā)射的自振脈沖空化射流實驗研究[J]. 趙韡,侯帥豪,祝錫晶,邵云鵬. 科學技術與工程. 2019(11)
[4]自激脈沖空化噴嘴三維非穩(wěn)態(tài)流動的數(shù)值模擬[J]. 張坤,陳頌英. 排灌機械工程學報. 2018(04)
[5]考慮采動影響的煤層氣儲層數(shù)值模擬方法研究[J]. 張益,沈磊,田喜軍,胡均志,劉鵬. 西安石油大學學報(自然科學版). 2017(06)
[6]我國煤層氣(煤礦瓦斯)開發(fā)利用現(xiàn)狀及展望[J]. 郭繼圣,張寶優(yōu). 煤炭工程. 2017(03)
[7]新型人工淹沒水射流噴嘴流場數(shù)值模擬與結構優(yōu)化[J]. 雷傳超,鄧松圣,張世峽,管金發(fā). 后勤工程學院學報. 2015(06)
[8]低壓大流量自激脈沖空化射流試驗研究[J]. 陳頌英,胡濤,曲延鵬,曾兆強,李文珂,劉春武. 工程熱物理學報. 2014(10)
[9]空化水射流熱效應影響煤體滲透率試驗研究[J]. 盧義玉,丁紅,葛兆龍,夏彬偉,程亮. 巖土力學. 2014(05)
[10]煤層氣含量影響因素及預測方法[J]. 曹軍濤,趙軍龍,王軼平,張景云,許登才. 西安石油大學學報(自然科學版). 2013(04)
博士論文
[1]煤層滲透率變化規(guī)律和氣潤濕反轉方法提高煤層氣產量研究[D]. 馬東.長江大學 2013
[2]空化水射流聲震效應促進煤層瓦斯解吸滲流機理研究[D]. 周東平.重慶大學 2010
[3]聲震法提高煤層氣抽采率的機理及技術原理研究[D]. 易俊.重慶大學 2007
[4]自激振蕩脈沖射流裝置性能影響因素數(shù)值分析及噴嘴結構優(yōu)化設計[D]. 王循明.浙江大學 2005
碩士論文
[1]煤層氣液流空化解堵增產工具設計及結構優(yōu)化研究[D]. 狄立輝.西安石油大學 2019
[2]空化射流噴嘴結構參數(shù)的優(yōu)化[D]. 陳理.浙江工業(yè)大學 2017
[3]空化泡及空化水射流的數(shù)值模擬[D]. 羅沖.浙江工業(yè)大學 2016
[4]空化射流噴嘴流場數(shù)值模擬研究[D]. 楊涵.西華大學 2015
[5]不同噴嘴形狀的自振脈沖噴嘴數(shù)值模擬與實驗研究[D]. 何小婷.湖南工業(yè)大學 2014
[6]脈沖噴嘴射流特性的數(shù)值模擬研究[D]. 劉興鐸.西南石油大學 2014
本文編號：3515606
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