自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流发生机制
刘勇
崔家玮
魏建平
张宏图
徐向宇
河南理工大学瓦斯地质与瓦斯治理国家重点实验室培育基地,河南焦作 454000;煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心,河南焦作 454000
摘要：煤层气开采过程中,经常出现井壁坍塌、渗透率降低等问题.超临界二氧化碳(SC-CO2)钻井技术的提出为煤层气钻井提供了新的技术支撑,但较高的破煤门限压力和高能耗,仍是限制SC-CO2推广应用的关键.射流形式是影响射流能量转化效率的重要因素之一,目前SC-CO2射流的相关研究均基于连续射流.相较于连续射流,脉冲射流冲击压力大、具有更高的破煤岩效率,其中自激振荡脉冲射流是与工程相结合的最现实的一种脉冲射流形式.目前关于自激振荡脉冲射流的研究多是基于水射流开展的,但由于SC-CO2与水的流体性质存在较大差异,自激振荡脉冲水射流喷嘴的相关结构参数是否适用于SC-CO2尚未可知,仍需进一步开展相关研究.因此,为进一步提升SC-CO2的破煤效率,提出自激振荡脉冲SC-CO2射流.在传统Helmholtz共振腔的基础上,结合可压缩流体理论,明确了 SC-CO2的自激振荡脉冲发生机制,确定了适用于SC-CO2的自激振荡喷嘴结构;通过大涡模拟分析了 SC-CO2的自激振荡发生过程,并开展了 SC-CO2连续射流与脉冲射流破煤对比实验,验证了自激振荡脉冲SC-CO2射流的破煤效率.结果表明:SC-CO2射流的自激振荡脉冲机理与水射流的自激振荡脉冲机理存在本质上的差异;SC-CO2湍流的脉动主要由涡模态、声模态和熵模态组成,其运动中的剪切过程决定了涡结构的形成与放大,是形成自激振荡扰动的根本,膨胀压缩过程和热力学过程决定了扰动的反馈以及扰动频率,是完成自激振荡的关键.并且涡模态、声模态和熵模态之间相互耦合,共同作用;发现自激振荡脉冲SC-CO2射流喷嘴的设计关键是找到合适的振荡腔结构;自激振荡脉冲SC-CO2射流相较于连续射流而言,射流能量转化率更高,冲蚀破坏效果更好.综上所述,该研究创新性提出了自激振荡脉冲SC-CO2射流,明确了自激振荡脉冲SC-CO2射流发生机制,为自激振荡脉冲SC-CO2射流喷嘴设计奠定了基础,确定了较好的自激振荡喷嘴结构参数,并验证了所设计喷嘴的适用性,进一步提升了 SC-CO2射流的能量利用率,降低了系统能耗.
关键词：煤层气钻井破煤效率超临界二氧化碳自激振荡脉冲射流大涡模拟
分类号：TD712(矿山安全与劳动保护)
资助基金：国家自然科学基金(52174170)中原千人-中原领军人才资助项目(ZYQR201912036)河南省高校科技创新人才资助项目(21HASTTT009)
论文发表日期：2022-07-28
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：13( 2643-2655 )
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