数值模拟和实验研究聚合物溶液在多孔喷嘴流动

文摘

增加聚合物射流介质提高破岩能力,和喷嘴的结构起着至关重要的作用在能量的充分利用。本文自航多孔射流钻头与支撑板设计,可防止钻头干扰由于喷嘴对钻井过程中井底。和cone-converging喷嘴的结构设计应用于中心喷嘴。聚合物添加剂射流流场和纯水射流流场进行了比较,数值模拟和试验研究。结果表明,聚合物添加剂射流时间等速核心,和岩石破碎体积的聚合物添加剂射流远远大于纯水射流,和最佳的喷雾距离增加。提出中央与锥形渐缩喷嘴喷射结构更有效的岩石破碎能力。

1。介绍

高压水射流技术是广泛应用于切割、破碎、清洗、和其他方面由于其材料利用率高,没有热效应,集中精力,安全运行,没有尘埃的一代。影响水射流的影响的因素主要是喷嘴结构、飞机的驱动力,喷射液体的性质,喷涂距离,等等。高分子量聚合物的加入液体的喷射能有效减少阻力,降低能耗,提高等速喷气机的核心。它是由罗斯勒首次提出和Bankoff1]。李等人。2)和其他高分子添加剂添加到jet-breaking岩石实验研究。研究表明,在相同的条件下,岩石破碎体积的稀溶液喷射聚丙烯酰胺(PAM)是两倍的体积纯水jet-breaking岩石,和喷射距离最大的岩石破碎效率比纯水的喷气机。刘和李3,4中国石油大学的测量纯水射流的流场和不同浓度通过LDV添加剂(PAM)飞机。实验结果表明,该添加剂射流比纯水射流的恒定速度的核心,恒定速度的核心是最长的添加剂浓度时的范围100 - 200 mg / L。王等人。5- - - - - -7)使用测试方法来研究轴向动态压力分布的聚合物添加剂射流淹没状态。结果表明,聚合物添加剂可以减少能量损失的液体在管道和喷嘴,提高飞机的速度和动态压力喷嘴出口,并增加循环喷射的恒定速度的核心。岩石破碎试验的结果表明,该聚合物添加剂可以提高飞机的岩石破碎能力。杨et al。8- - - - - -11)用PIV测速技术在研究泥浆射流在淹没条件下,系统地测量流体的速度之间的关系和磨料和PAM的浓度。发现,聚合物在钻井液的浓度增加,流体的速度在射流和磨料粒子的速度相应增加,随着聚合物浓度的增加,增加飞机的收敛。聚丙烯酰胺的作用抑制飞机的横向扩张,减少轴向衰减的喷气机。然而,很少有添加剂射流流场的仿真分析目前,和大多数的研究往往是实验研究在实际切割和破碎的影响12- - - - - -19]。因此,重要的是要加强聚合物添加剂射流流场的研究。

径向水平井技术始于1980年代。在过去的20年中,径向水平井技术发展迅速并有潜力开发非常规油气(20.- - - - - -24]。这项技术需要使用高效的钻井水射流,高压流体通过小直径连续油管、高压软管到喷射钻头为了实现钻井钻探效果。在这种情况下,飞机是一项必不可少的技术,它不仅需要打破岩石和扩大孔也需要提供牵引的高压软管(25- - - - - -28]。然而,在实际钻井过程中,由于复杂条件下的底部,远期喷嘴钻头经常接触的硬石层直接钻。此外,向前推力后应用于喷嘴钻井导致远期喷嘴被牢牢地封锁了石层,这是“困”的水射流的现象。

为了解决上述问题,本文设计一种self-entering多孔射流与支撑板。同时,锥形渐缩喷嘴的结构设计应用于远期中心孔增加核心长度相等的速度提高钻井效率(29日- - - - - -32]。射流的流场分析的数值模拟方法,并支撑板的影响水射流钻头的钻和扩散的影响流芯片去除进行了研究。为了有效保护油气储层和携带岩石,最好添加一定量的聚合物添加剂射流介质,和喷射效果会不同于纯粹的水射流。通过数值模拟分析的聚合物添加剂射流流场和纯净的水射流流场,聚合物添加剂的影响在低效果研究。研究结果可以指导水平钻井水力参数设计。

2。喷嘴结构

如图1,自航多孔射流钻头的最重要特性与支撑板的前部有支撑板,用于保持一定距离,钻井底部防止水射流钻头在钻井干扰。喷嘴是分布式结构的1 + 3,也就是说,一个中央喷嘴和三个喷嘴分布在同一圈中央孔在同一角度。和液体喷射最终会形成穿孔区连接在一定直径的范围内。此外,锥形渐缩喷嘴的结构设计应用于中央喷嘴,可以减少喷射流的扩散角和喷射流的密度越高,能量越集中(33]。的结构参数主要包括钻头的长度l₁= 40毫米,外直径D₁= 18毫米,内径D₂= 10毫米,支撑板的长度l₂= 10毫米直径的圆形和落后的洞D₁= 1毫米,背面孔扩散角α₂= 30°,前面的中心孔的直径D₂= 1毫米,远期孔扩散角α₃= 15°,前中央锥形孔α₁= 13.5°。

图2多孔射流钻头的几何模型self-entering SoildWorks建立的支撑板,3 d建模软件。本文比较分析的聚合物添加剂射流流场和纯水射流流场将建立在这个模型。

3所示。数值模拟模型和边界条件

3.1。控制方程

本文的研究对象是nonsubmerged飞机下的流场,并没有暴力漩涡运动由于高流速的生成的聚合物添加剂self-entering多孔射流钻头和高雷诺数区域内部和外部的。标准的k- - - - - -ε湍流模型更适合完成动荡。标准k-ε周期的输运方程湍流模型如下(34]: 在哪里 在哪里是产生的湍流动能平均速度梯度,是由浮力引起的湍流动能,然后呢是可压缩湍流脉动的影响扩张总耗散率。 , ,是标准的经验常数k-ε湍流模型,和流利的默认值吗的读数和是朋地数字对应于湍流动能和湍流耗散率,分别。流利的默认值湍流的普朗特数,默认情况下。的组件是重力加速度的方向 ; 热膨胀系数;动荡的马赫数;和是声音的速度。

3.2。啮合

如图3,这是一个原理图的分格流体域的三维模型。该模型采用非均匀网格大小,以捕捉小特性模型。网格模型的左边部分是流体入口边界,红色部分是流体出口边界。网格时更好的流场梯度很大,如喷嘴出口和墙底部。啮合模块在ANSYS网格质量检测的功能。最高、最低、平均网格质量指数除以这个模型是0.99955,0.38299和0.87799。一般来说,如果网格质量高于0.8,它被认为是良好的网格和可以用高质量完成仿真任务。

3.3。边界条件

进口边界条件:进口边界条件,采用绝对速度,速度方向的法线方向进口,进口的绝对速度是15米/秒,径向速度是0 m / s。

出口边界:向前和向后出口压力采用环境压力。静压P_年代= 0.2 MPa。

壁条件:实心墙边界没有滑动采用绝热,和粒子将反弹到计算域后撞墙。

3.4。材料设置

模拟飞机中水溶液的纯水和聚丙烯酰胺(PAM)和纯水射流的材料设置为1克/厘米³粘度0.85 Pa·s。聚合物添加剂射流的定制的流体密度为1.5克/厘米³和粘度0.39 Pa·年代(35]。在这篇文章中,当比较两架飞机的流场时,只有材料设置是不同的,和其他人都使用相同的设置。

4所示。数值模拟计算结果和分析

4.1。比较纯净的水射流之间的流场特性和聚合物添加剂的喷气机

纯水射流的流量剖面和聚合物添加剂射流钻头中心轴的横截面图所示4。左边是聚合物添加剂射流的速度分布云图,右边是纯水射流的速度分布云图。两流体通过向前或向后高速喷射孔的钻头,在流体喷射通过孔主要是打破了岩石。液体喷射的影响主要通过后面的洞挖洞并提供钻头的自激力。在相同条件下,双喷嘴衰减规律是相似的,不同的是聚合物添加剂射流喷嘴出口速度要大得多。原因是纯水射流之间的交互和周围静止流体大,速度衰减很严重。

因此,在相同的泵的压力下,聚合物添加剂射流比水射流具有更好的岩石破碎效果。也就是说,增加聚合物水可以改善岩石破碎的效率。

4.2。速度分布的射流

图5图显示了云的聚合物添加剂射流的速度分布喷射钻头的向前发展。图中所示的部分包括一个圆孔,一个中心孔,支撑板。中央孔形式的锥角设计一个较小的射流扩散角,使飞机更加密集和能量越集中。它可以清楚地看到从图中央孔由锥角设计比其他共同孔和圆形长喷射等动力的核心有更大的冲击力和岩石破碎效果比其他飞机圆周洞。因此,提出中央孔在岩石破坏中起着重要作用。自其他三个洞用同样的圆形分布在一个特定的角度与钻头的中心轴,形成的射流三孔一样的圆形分布会有一定的剪切力冲击岩石时,这样的剪切力也有利于岩石破碎。

4.3。向后喷射的速度分布

落后的流型孔射流速度分布的自航多孔射流钻头图所示6。总共有6个向后孔,均匀分布在同一圆周上。流体的一部分进入喷嘴,喷射钻头的环从内部,形成一个向后喷射流。液体的最大速度在落后的插座孔达到203.2 m / s。周围的流体围压的影响下,向后喷射的速度消散。当飞机最终影响岩石,冲击速度仍高达101.6 m / s,和高速流体产生强烈的剪切应力在墙上的洞,使其更有利于扩大孔径的破碎岩石。

此外,产生的强大推进力向后喷射的聚合物添加剂形式的主要推动力实现自航。由于聚合物添加剂溶液的粘度,井底的岩屑产生更容易通过反向射流放电。

4.4。井底流场分析

4.1.1。速度分布

如图7后,聚合物添加剂的水落在井底,飞机沿井底流体径向流动的限制下井底,形成扩散流高速沿井底。这一层聚合物添加剂的分散流解决方案推动在井底岩屑的横向移动起来,达到及时删除。

井筒边界条件的研究显示,当没有滑动墙表面,最大流速出现的高度范围内扩散从井筒底部0.5毫米,最大扩散流速值可以达到50%到80%的喷嘴出口速度。节,0.5毫米,从井底作为研究对象,和流场的速度分布云图在本节中,如图8。从图可以看出,四个圆形高速区域速度分布云分布的地图,这是飞机的横截面形成的射流。此外,射流的流速由转发中央喷嘴底部的显然是更大的,和破碎的深度也会更深。这三个图中白色区域是零速度区域形成的支撑板。交错安排与其他三个喷嘴相同的圆形分布的影响是减少射流的支撑板。此外,周围的流体流动速度的圆弧表面支撑板高,和破碎岩石碎片不积累的内圆弧表面支撑板,以便及时清洗岩屑底部。

图9速度分布的显示了云图底部的纯净的水射流。从图可以看出,速度分布底部的纯净的水射流是大致相同的聚合物添加剂射流,但是相应的速度要小得多。的最大冲击速度纯水射流冲击的底部约95 m / s,但飞机添加了聚合物的最大冲击速度可以达到106米/秒。这证明聚合物添加剂射流具有更好的岩石破碎效果。

10/24/11。压力分布

图10显示静态压力分布的云图底部的聚合物添加剂的飞机。相比其他三个孔用相同的圆形分布、射流形成的向前的静压中心孔要大得多。飞机静压由中央孔最多9 MPa,而飞机静压孔形成相同的圆形分布最多4 MPa。和所有的静态压力区域形成显示下降趋势从中心到周边地区。

图11图显示了云的井底射流的动态压力分布的聚合物添加剂。动态压力分布是完全不同于静态压力分布。飞机的地方影响着井的底部面积最小的动态压力,和周围的动态压力逐渐增加。当它接近的墙壁,动态压力逐渐降低。

5。实验

5.1。材料

在实验中使用的聚合物聚丙烯酰胺(PAM),这是一种水溶性线型高分子合成具有高聚合度。PAM密度是1.32克/厘米³。因为PAM具有较强的剪切强度比其他聚合物和很容易溶于水,它特别适合流体输送系统与当地高剪切阻力元素。在这个实验中使用的PAM分子量已经1000万多岁了,在中国买星旗化工厂,位于河南省巩义市,Heluo小镇。

5.2。样品制备

王等人。5- - - - - -7]表明,添加剂浓度的增加,岩石的破碎深度先增加然后减少,和有一个最佳的聚合物添加剂的浓度,所以添加剂的浓度被选为200 mg / L在这个实验中。当聚合物添加剂水溶液做准备,第一次5000 mg / L制备高浓度水溶液,然后200 mg / L所需浓度聚合物添加剂解决方案准备,它完全搅拌(24小时)添加剂混合均匀,得到均匀的喷射特性,以确保最高性能的添加剂。由于聚合物链的聚丙烯酰胺聚合物添加剂的解决方案是容易破坏的影响过程中,为了确保实验的可比性,添加剂的解决方案是使用一次在这个实验中,而不是重复使用。

5.3。实验设备

这个实验在西南石油大学进行,主要研究和比较了岩石破碎效果的纯水机和聚合物添加剂喷气。实验装置如图12,包括多级泵、管道、节流阀、水箱、压力表、电子流量计,水射流喷嘴,喷射钻井系统。喷射钻井系统可以自由调整喷射距离。多级泵的压力最高可以达到40 MPa,和水箱的体积是20 L。在实验中使用的岩石是天然砂岩。连续试验喷嘴采用单孔喷嘴锥角为12.3°,喷嘴出口直径4毫米,长度为10毫米的必经之路。

5.4。条件设置

两组实验采用相同的30 MPa,注射压力相同的60年代,注射时间和相同的岩石破碎,只有不同的钻井液和喷涂距离。在实验中使用的岩石是天然砂岩、和岩石的破碎效果的特点是体积打破固定的时间和定点冲击破碎。为了使实验数据准确、可靠,减少实验误差的影响,聚合物添加剂实验和纯水射流试验重复三次,和三个实验的结果的平均值作为岩石破碎体积。

5.5。实验结果

实验结果如图所示13比较曲线的添加剂和水射流之间的岩石破碎体积。从图中可以看出,岩石破碎效果的纯水射流和聚合物添加剂射流节目先下降然后上升的趋势随着喷涂距离的增加。当达到最佳的喷雾距离时,岩石破碎效果随喷涂距离的增加而减小。在这个实验中,最优纯水射流喷雾距离是75.2毫米,而聚合物添加剂的最佳喷雾距离大约87.5毫米,和聚合物添加剂的最佳喷雾距离飞机相比增加12.3毫米与纯粹的水射流。这表明聚合物添加剂增加飞机的岩石破碎效果。

喷雾距离前两架飞机到达最佳的喷雾距离,两架飞机的岩石破碎效果的趋势随喷涂距离大约是相同的。然而,当两架飞机的喷雾距离达到最佳的喷雾距离,聚合物添加剂射流的岩石破碎效率下降更快的比纯水射流喷雾距离。

在相同的条件下,岩石破碎体积添加剂射流的两倍或更多比纯粹的水射流。此外,最优添加剂射流的喷射距离大于纯水的喷气机。这是因为喷射介质的粘度增加而增加聚合物添加剂,改变飞机的结构特点。喷气机的轴向速度衰减变慢,和飞机的有效喷射距离增加。这表明聚合物添加剂射流有更多的冲击力和岩石破碎效果更好。实验结果与数值模拟结果吻合较好,表明数值模拟方法是可靠的分析和设计射流的流场特征。

6。结论

基于上述研究,我们可以得出以下结论:(1)本文与支撑板的自航多孔射流钻头设计,可防止钻头干扰由于喷嘴对钻井过程中井底(2)喷射液体使用聚合物添加剂的解决方案时,聚合物添加剂射流的岩石破碎体积两倍或更多比纯粹的水射流,及其最优喷射距离会增加因此,这表明聚合物添加剂射流有更高效的低效率(3)它可以了解从井底速度分布云图和井底压力分布云图设置由聚合物添加剂,提出中央喷嘴由锥角设计更高效的低效率和时间比其他普通喷嘴等速核心圆周均匀分布

数据可用性

可以按照客户要求所有的数据都包含在本研究通过与相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是由国家重点实验室的石油资源勘探,中国石油大学,北京,格兰特PRP /开放- 1610和中国的国家自然科学基金,资助数量51804267。

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