天然气水合物旋转空化射流冲蚀性能研究

作     者：张逸群 武晓亚 李根生 胡萧 惠程玉 谭雅文 黄浩宸 ZHANG Yiqun;WU Xiaoya;LI Gensheng;HU Xiao;HUI Chengyu;TAN Yawen;HUANG Haochen

作者机构：中国石油大学(北京)安全与海洋工程学院北京102249 中国石油大学(北京)石油工程学院北京102249 

出 版 物：《中南大学学报（自然科学版）》 (Journal of Central South University:Science and Technology)

年 卷 期：2022年第53卷第3期

页      面：909-923页

核心收录：

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 0710[理学-生物学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0818[工学-地质资源与地质工程] 082002[工学-油气田开发工程] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

基　　金：国家自然科学基金资助项目(51804320 51827804 52174009)。 

主　　题：旋转空化射流 天然气水合物 数值模拟 射流冲蚀 原位环境 

摘      要：为提升水射流破碎开采天然气水合物效率,设计一种旋转空化射流喷嘴。首先,基于ANSYS FLUENT 19.0计算流体力学软件建立收缩-扩张型空化射流及旋转空化射流三维数值模型,对比分析射流速度场、压力场及气相分布的发展规律。然后,通过水合物二次合成的方式,提出一种天然气水合物沉积物试样冲蚀孔深及孔径定量表征方法。最后,基于自主设计研制的天然气水合物生成及空化射流冲蚀可视化实验装置,进行收缩-扩张型空化射流及旋转空化射流冲蚀天然气水合物沉积物室内实验,测试旋转空化喷嘴性能。研究结果表明:旋转空化射流扩散性强,轴心线速度衰减快,径向与切向速度大,卷吸掺混能力强,破碎面积大;旋转空化射流的“负压分布范围及极值较收缩-扩张型空化射流大幅度增加,具有更强的空化初生能力及空蚀效应;2种射流中气相分布具有相同的周期性,旋转空化射流本身具有旋转速度,在剪切层内形成了大量包含空化泡的旋涡和空泡群,空泡群产生联动效应提升了射流的空蚀能力;旋转空化射流冲蚀水合物沉积物形成的孔深及孔径分别是收缩-扩张型空化射流的2.5倍和2.0倍,在扩孔效应的基础上,空蚀效应伴生的高温、高压及微射流特性破坏水合物沉积物的骨架,降低了破坏门限压力,获得了更佳的冲蚀效果。该研究可为空化射流钻径向水平井+筛管完井一体化方法开采天然气水合物提供理论依据。