煤炭学报

作者：刘勇, 崔家玮, 魏建平, 张宏图, 徐向宇,

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,

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。

来源：2022年第7期

《煤炭学报》期刊编辑部

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