自激振荡脉冲SC-CO射流冲击频率调制研究

作     者：魏建平 李翔 刘勇 沈荷莲 李海超 高梦雅 

作者机构：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 煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心 

出 版 物：《煤炭学报》 (Journal of China Coal Society)

年 卷 期：2024年

核心收录：

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 08[工学] 082002[工学-油气田开发工程] 

基　　金：国家自然科学基金(52174170) 河南省高校科技创新人才(21HASTIT009) 河南理工大学基本科研业务费专项资助项目(NSFRF220205) 

主　　题：自激振荡脉冲SC-CO 射流 自激振荡喷嘴 冲击频率调制 谐振破煤 煤层气开采 

摘      要：SC-CO2射流钻完井技术能保证煤层气井稳定性、提高钻井速度和破岩效率，具有广泛的应用前景。但较高的破煤能耗和复杂的系统限制了其工程推广，自激振荡脉冲SC-CO2射流冲击频率和煤岩体的固有频率相同或满足相位关系，能充分发挥谐振效应，达到更好的破煤效果。喷嘴结构是影响射流冲击频率的关键，现有的自振脉冲水射流频率调制方法并不适用于SC-CO2射流。为实现对SC-CO2射流冲击频率的调制，采用大涡模拟研究不同喷嘴结构对自激振荡脉冲SC-CO2射流冲击频率的影响规律，通过权重分析得到不同喷嘴结构参数对射流冲击频率的影响程度。采用射流冲击频率测定实验及破煤实验验证喷嘴结构对射流冲击频率的影响规律以及射流冲击频率调制方法的可靠性。结果表明：振荡腔直径、振荡腔长度、碰撞壁角度是影响射流冲击频率的关键因素，可通过调节振荡腔结构实现对射流冲击频率的大幅调制，从而达到谐振效应。调节振荡腔结构使射流冲击频率与煤的固有频率形成谐振时破煤效果显著提升，且谐振倍数越小，射流破煤效果越好，能够有效提高破煤效率。当煤的固有频率是25Hz时，设置上游和下游喷嘴出口直径为2.5mm、3mm，调节振荡腔直径、长度、角度分别为10mm、3mm、120°，射流冲击频率达到25051.83Hz，是煤体固有频率的1002.0倍，与煤的固有频率形成谐振效应，有效提高了破煤效率。