本文關(guān)鍵詞：煤層氣井旋轉(zhuǎn)噴頭優(yōu)化設(shè)計與分析

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【摘要】：目前,水平井以及分支井技術(shù)被認為是解決我國煤層氣開采中單井產(chǎn)量低、經(jīng)濟效益差以及儲層污染嚴重等難題的有效解決方案。傳統(tǒng)鉆井技術(shù)在實施水平井破煤鉆進過程中存在易卡鉆夾鉆、所成孔眼不規(guī)則以及能耗高、速度慢等問題,高壓旋轉(zhuǎn)水射流技術(shù)因其能量傳輸方便和破巖效率高,越來越受到關(guān)注。但是,關(guān)于高壓水射流破煤機理研究以及與高壓旋轉(zhuǎn)水射流技術(shù)配套的裝備——旋轉(zhuǎn)射流噴頭的研究仍不夠深入。針對上述問題,本文以高壓水射流破煤機理和旋轉(zhuǎn)射流噴頭為研究對象,綜合利用石油與天然氣工程、機械工程、工程流體力學(xué)、巖石沖擊動力學(xué)等領(lǐng)域相關(guān)知識,采用實驗研究、理論研究與數(shù)值模擬研究相結(jié)合的分析方法,主要完成了以下幾方面的研究工作：(1)通過電鏡掃描實驗和三軸巖石實驗分別對煤巖的組成結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)進行實驗研究,得到：煤巖總體相對致密,伴隨有少量裂縫、孔隙分布。煤巖具有高彈性模量、低泊松比、高抗壓強度和低抗拉強度的力學(xué)特征。(2)基于光滑粒子流(SPH)耦合有限元(FEM)的算法對高壓水射流破煤動態(tài)過程以及損傷演化進行數(shù)值仿真,得到：煤巖損傷較大的區(qū)域集中在破碎坑附近,坑底周圍煤巖損傷和裂紋發(fā)展最為活躍,且形成了由放射狀裂紋和層狀裂紋構(gòu)成的復(fù)合裂紋系統(tǒng)；射流速度對煤巖損傷失效區(qū)域的形成以及裂紋的產(chǎn)生與擴展的影響較大,提高射流速度可明顯提高射流破煤效率,且破煤過程存在一個門檻射流速度,本論文研究的煤巖的門檻射流速度為150m/s；含水缺陷的煤巖的破壞范圍要大于空缺陷的煤巖。(3)結(jié)合直射流與旋轉(zhuǎn)射流的各自優(yōu)點,設(shè)計出了一種適合于煤層氣水平井破巖鉆進的新型旋轉(zhuǎn)射流噴頭,并對其強度、剛度進行了校核。(4)基于計算流體動力學(xué)方法對旋轉(zhuǎn)射流噴頭的射流流場進行數(shù)值模擬,得到了射流流場的分布規(guī)律,并對不同工藝參數(shù)(射流壓力、噴距)對射流流場和射流結(jié)構(gòu)的影響進行研究,得到：當(dāng)噴頭結(jié)構(gòu)一定時,不同射流壓力條件下的流場射流結(jié)構(gòu)具有相似性；射流速度的衰減規(guī)律和無因次噴距L/d有關(guān)。(5)基于正交試驗設(shè)計和方差分析方法對旋轉(zhuǎn)射流噴頭的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,建立了旋轉(zhuǎn)射流噴頭不同結(jié)構(gòu)參數(shù)(葉片導(dǎo)程、收縮角、直柱段無因次長度)與工作性能之間的關(guān)系,得到了葉片導(dǎo)程、直柱段無因次長度以及收縮角的最優(yōu)范圍分別為：16mm～24mm、0.6-1、55°,～60°。
【關(guān)鍵詞】：破煤機理 旋轉(zhuǎn)射流噴頭 SPH 正交試驗 方差分析
【學(xué)位授予單位】：西南石油大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TE93
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 緒論9-14
• 1.1 研究背景及意義9-10
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀10-12
• 1.2.1 高壓水射流技術(shù)研究現(xiàn)狀10-11
• 1.2.2 旋轉(zhuǎn)水射流技術(shù)研究現(xiàn)狀11-12
• 1.3 研究內(nèi)容12-13
• 1.4 技術(shù)路線13-14
• 第2章 煤巖物理力學(xué)實驗與破巖數(shù)值模擬研究14-35
• 2.1 引言14
• 2.2 煤儲層的工程地質(zhì)特征14-15
• 2.3 煤巖的組成結(jié)構(gòu)15-17
• 2.4 煤巖的力學(xué)性質(zhì)17-20
• 2.5 高壓水射流作用下破碎煤巖數(shù)值研究20-33
• 2.5.1 SPH/FEA耦合算法20-22
• 2.5.2 材料模型22-25
• 2.5.3 計算模型25
• 2.5.4 計算結(jié)果分析25-33
• 2.6 本章小結(jié)33-35
• 第3章 旋轉(zhuǎn)射流噴頭的設(shè)計35-47
• 3.1 引言35
• 3.2 旋轉(zhuǎn)射流的理論基礎(chǔ)35-37
• 3.2.1 旋轉(zhuǎn)射流的特點35
• 3.2.2 旋轉(zhuǎn)射流的形成方式35-36
• 3.2.3 旋轉(zhuǎn)射流的破巖過程36-37
• 3.3 旋轉(zhuǎn)射流噴頭的設(shè)計37-43
• 3.3.1 旋轉(zhuǎn)射流噴頭的工作原理37-38
• 3.3.2 導(dǎo)向葉輪的設(shè)計38-41
• 3.3.3 正向噴嘴的設(shè)計41-43
• 3.4 旋轉(zhuǎn)射流噴頭的設(shè)計校核43-46
• 3.4.1 噴頭材料參數(shù)43-44
• 3.4.2 幾何建模及網(wǎng)格劃分44
• 3.4.3 邊界條件44
• 3.4.4 仿真結(jié)果分析44-46
• 3.5 本章小結(jié)46-47
• 第4章 旋轉(zhuǎn)射流噴頭流場特性分析47-65
• 4.1 引言47
• 4.2 流體流動問題的研究方法47-48
• 4.3 計算流體動力學(xué)概述48-53
• 4.3.1 控制方程49-50
• 4.3.2 湍流模型50-53
• 4.4 旋轉(zhuǎn)射流噴頭射流流場的計算模型53-55
• 4.4.1 幾何模型53-54
• 4.4.2 網(wǎng)格劃分54
• 4.4.3 邊界條件及計算方法54-55
• 4.5 計算結(jié)果分析55-64
• 4.5.1 全計算域流場分布55-60
• 4.5.2 射流壓力對射流流場的影響60-63
• 4.5.3 無因次噴距對射流流場的影響63-64
• 4.6 本章小結(jié)64-65
• 第5章 基于正交設(shè)計的旋轉(zhuǎn)射流噴頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化65-79
• 5.1 引言65
• 5.2 正交試驗設(shè)計65-72
• 5.2.1 確定試驗指標(biāo)66-67
• 5.2.2 確定影響因素與水平67
• 5.2.3 確立正交試驗表67-68
• 5.2.4 數(shù)值模擬試驗及結(jié)果68-72
• 5.3 噴頭結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響分析72-77
• 5.3.1 葉片導(dǎo)程的影響分析72-74
• 5.3.2 直柱段無因次長度的影響分析74-76
• 5.3.3 收縮角的影響分析76-77
• 5.4 本章小結(jié)77-79
• 第6章 結(jié)論與展望79-81
• 6.1 結(jié)論79-80
• 6.2 展望80-81
• 致謝81-82
• 參考文獻82-86
• 攻讀碩士期間發(fā)表的論文及科研成果86

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本文編號：1030639