贺振国, 李根生, 石李保, 王海柱, 沈忠厚, 王友文
(1.中国石油大学(北京) 油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249; 2. 中国石油勘探开发研究院,北京 100083)
围压对超临界二氧化碳射流冲击力与冲蚀射孔的影响
贺振国1,2, 李根生1, 石李保2, 王海柱1, 沈忠厚1, 王友文1
(1.中国石油大学(北京) 油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249; 2. 中国石油勘探开发研究院,北京 100083)
与水射流相比,超临界二氧化碳射流破岩具有所需能量少、效率高,以及不产生储层渗透性伤害等优点。将其应用于非常规油气资源的径向井钻井与喷射压裂作业中已引起广泛关注。井底压力环境对水力能量具有严重影响,而超临界二氧化碳流体性质易随环境压力改变而显著变化,是否具有良好射流作业效率仍亟待研究。通过数值模拟与室内测试实验方法,研究了模拟围压对流场速度分布、射流冲击力以及冲蚀破岩效率的影响。结果表明:喷射压力恒定时,射流冲击力和射孔深度均随围压增大而显著减小,二氧化碳临界压力处变化明显;喷射压差恒定时,随着围压的增大,射流冲击力几乎不发生变化,而射孔深度先较稳定或轻微增长然后明显减小,在临界压力时达到最大。分析认为,围压升高引起喷嘴外流场二氧化碳由气态相变为超临界态,射流形式由非淹没射流转变为淹没射流,是超临界二氧化碳射流与水射流冲蚀射孔规律显著不同的主要原因。
超临界二氧化碳;围压;射流冲击力;冲蚀射孔;非淹没射流
随着对能源利用率、降低PM2.5等诉求的日益增长,全球石油天然气工业的不断发展以及中、浅层油气资源日渐枯竭,深层、非常规油气资源等清洁能源的开发与发展已成为必然。深层与非常规资源一般具有高温、致密、极低渗等特点,使用水基钻完井液进行作业时,常带来井底压持、重复破碎、储层内部水锁等有害作用,造成钻井速度慢、开采产量低以及资源浪费、成本高昂等瓶颈,难以获得经济有效开发[1-2]。在提高地面与井下水力能量的研究与应用难以取得有效进展与推广的背景下,研究转向了使用无水作业流体提高钻完井作业效率方向[3]。其中,超临界二氧化碳流体具有诸多独特的物理性质,有望替代现有流体进行钻完井作业,提高钻井速度与单井产能,发掘深层、非常规资源的开发潜力。
超临界二氧化碳应用于石油工程的研究最早始于20世纪90年代。KOLLÉ[4]发现超临界二氧化碳射流破岩门限压力比水射流低,破岩效率是水射流的3.3倍。GUPTA等[5]指出,超临界二氧化碳流体用作钻井液可为井下马达提供足够扭矩,同时还能在环空中维持良好的欠平衡钻井条件。
在对页岩气资源实施新的开发战略之后,超临界二氧化碳开发技术成为国内新的研究热点。其中,中国石油大学、武汉大学等科研院所已开针对性地开展了基础研究。李根生等[6]系统阐述了超临界二氧化碳应用于石油工程的独特优势,沈忠厚等[7]发现超临界二氧化碳具有良好的携岩能力,杜玉昆等[8]研究了超临界二氧化碳射流的破岩规律,王景环[9]描述了超临界二氧化碳射流冲蚀页岩的损伤机制等。此外,它还具有易获取(Pc=7.38 MPa,Tc=304.1 K)、强扩散、强吸附等性质[10]。因此,使用超临界二氧化碳进行钻完井作业,可有效驱替烃类化合物从而提高产量。
然而,流体动力受压力影响较大,深层、非常规储层井底压力环境复杂,对于流体性质不稳定的超临界二氧化碳,更可能对其射流冲击与冲蚀作业效率造成严重影响。目前尚未有关于围压影响超临界二氧化碳射流冲击与冲蚀规律的解释。因此,本文采用数值模拟与室内测试实验相结合的方法,就围压对超临界二氧化碳射流流场分布、冲击力与射孔效果的影响进行了分析研究。研究成果将有助于推动未来超临界二氧化碳射流技术的现场应用。
1.1 网格模型
本文数值模拟部分所使用的三维射流流场网格模型包括喷嘴内流道部分与喷嘴外流场部分(图1)。喷嘴内流道部分与室内实验所使用喷嘴结构相似,包括混合腔、锥形收缩段和直管加速段三部分,并根据实验喷嘴尺寸,设计了如下喷嘴几何模型结构参数:喷嘴总长50 mm,直管段长与喷嘴直径之比为2∶1,收缩段夹角为30.5°。
网格模型中,蓝色圆面是喷嘴入口,也是计算域的入口,被赋予压力入口(pressure inlet)边界条件。环面是计算域的出口,被赋予压力出口(pressure outlet)边界条件。锥形面是所涵盖的网格加密区域的边界,被赋予交界面(interface)边界条件,该区域内以及喷嘴内速度与压力梯度较大,采用局部网格加密的方法提高该区域内的计算精度。其余白色各面为计算域的固壁边界,被赋予无滑移壁面(wall)条件。
图1 几何模型即网格划分效果图(部分区域网格加密)Fig.1 Physical model of the flow field and meshing (local refinement included)
1.2 控制方程
超临界二氧化碳流体的密度与黏度易随着环境改变。因此,求解方程中包含了三维稳态可压缩流体的质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程以及对于计算圆直射流具有较高精度的standardk-ε两方程湍流模型方程[11-12]。
此外,还需要计算二氧化碳温度、压力、密度等值所需要的状态方程。本文选择Span-Wagner模型用于超临界二氧化碳流体密度的计算[13]。S-W模型是目前适用温度、压力范围较大(216~1 100 K,0.52~800 MPa)、计算精度最高的二氧化碳流体状态方程,被美国国家标准与技术研究院采用。
在模型方程中,亥姆霍兹自由能用于计算二氧化碳状态参数,包含理想部分与残余部分,其无因次表示式为:
Φ(δ,τ)=Φo(δ,τ)+Φr(δ,τ)
(1)
式中,δ为研究点与临界点的密度比值;τ为研究点与临界点的温度比值。
对于超临界二氧化碳流体,还需要计算压缩因子、定压比热容以及焦汤系数:
(2)
式中,R为比气体常数。
(3)
CJ(δ,τ)=
Fenghour与Vesovic模型用于计算二氧化碳流体的黏度与热传导系数,它们具有相同的表达形式,均是由零密度极限值、密度增量导致的附加值、临界点附近导致的附加值三者之和计算得到[14]:
μ(ρ,T)=μo(T)+Δμ(ρ,T)+Δcμ(ρ,T)
(5)
λ(ρ,T)=λo(T)+Δλ(ρ,T)+Δcλ(ρ,T)
(6)
式中,μo、λo为零密度条件下流体黏度与导热系数;Δμ、Δλ为密度增大引起的黏度增量与导热系数增量;Δcμ、Δcλ为临界点附近引起的黏度增量与导热系数增量。
1.3 模拟结果与分析
1.3.1 流体性质
超临界二氧化碳射流流场数值模拟基本参数如表1所示。由图2所示超临界二氧化碳流体物理性质轴向变化规律可以看出,流体密度、黏度以及温度均随着喷嘴前后的压力压降而迅速下降,射流流体冲击到壁面之后再次增大,表明压力对流体性质的显著影响。超临界二氧化碳流体黏度减小、扩散性增大可提高超临界二氧化碳射流速度,有助于进入岩石深层孔隙传递流体静压力,辅助提高岩石拉伸破坏效果。
表1 喷嘴模型几何结构参数与射流环境参数
Pam为出口压力,即环境围压,MPa;ΔP为射流压差,MPa;Φn为喷嘴直径,mm;T为超临界二氧化碳流体与环境温度,K; dst为喷嘴到冲击壁面的距离,即喷射距离,mm。图2 超临界二氧化碳密度、黏度与温度沿流场轴线变化Fig.2 Variations of fluid density, viscosity and temperature along the center line of the computational domain
1.3.2 恒定喷射压力
本组模拟中,设定围压由10 MPa增大到30 MPa,射流喷射压力恒定为40 MPa,得到超临界二氧化碳射流喷射速度与射流冲击效果随围压的变化曲线(图3)。可以看出,围压增大20 MPa,最大喷射速度明显减小,由297.41 m/s下降至168.22 m/s,降幅为43.4%,说明喷射压差减小使射流获得总能连续减小,射流速度减小;但射流冲击靶面测得压力几乎不变,由37.3 MPa增大到38.5 MPa,增幅仅为3.2%。所测得压力为射流能量与环境围压的累加作用,从围压的增长可知,射流动能转化线性减小,降幅约为69.7%,变化幅度与围压变化大致相等。
图3 喷射压力条件下超临界二氧化碳射流冲击效果随围压变Fig.3 Total pressure, impinging pressure and jet velocity versus ambient pressure under constant jet pressure condition
1.3.3 恒定喷射压差
喷射压差恒定为20 MPa,围压由10 MPa增大到30 MPa。计算得到恒定喷射压差条件下,不同围压下,喷嘴出口处及周围流体速度的径向分布(图4)。可以看出,围压增大对喷嘴外射流速度的径向分布影响很小。数据显示,随着围压增大,射流最大速度由228.7 m/s减小至204.3 m/s,约10.6%。这与相同条件下水射流的表现具有差异。模拟结果显示,围压增加20 MPa,水射流速度场不发生变化,这与水射流不可压缩、流体密度与黏度不随环境围压发生变化有关。
计算得到超临界二氧化碳射流喷射速度与射流冲击效果随围压的变化曲线(图5)。可以看出,恒定压差条件下,测压随围压增大而线性增大,最大射流速度轻微减小。数据显示,围压增大20 MPa,测压由29.9 MPa增大到49.7 MPa,增大约66.2%,增幅与围压大致相等,即动能转化基本无变化。这表明,虽然超临界二氧化碳流体具有较强压缩性,但由于超临界二氧化碳射流喷射出喷嘴后的焦汤效应,使流体密度、黏度都降低,因此系统压力的增大并未对喷射速度与射流冲击造成的影响都比较有限。
图4 恒定喷射压差条件下喷嘴出口处超临界二氧化碳射流流场速度的径向分布Fig.4 Axial velocity along radial direction versus ambient pressure under constant pressure difference condition
图5 喷射压差恒定时超临界二氧化碳射流冲击效果随围压变化Fig.5 Total pressure, impinging pressure and jet velocity versus ambient pressure under constant pressure difference condition
2.1 测试装置
图6所示为超临界二氧化碳射流冲击力测试装置。在圆形冲击靶面上分布了7个测压点,各测点到靶面中心的距离依次增大,其中,P1位于靶面圆心。每个测压点都通过传压管将测压孔与压力传感器连接起来。射流喷嘴出口直径为1 mm,喷距可调,设计测压孔与传压管孔径大致相等,约为1.9 mm。在本研究的喷距变化范围内,能够最大程度地减小测压管路尺寸对压力传感器测量的消极影响。测试装置与管线、阀门均由不锈钢制成,O型圈由特殊材料制成,可有效防止二氧化碳的空蚀、刺穿与泄漏等。使用Honeywell产压力传感器,具有60 MPa量程和0.5%的测量精度。测试数据通过National Instruments公司产的8模拟输入通道数据采集系统采集、传输到电脑上并实时显示,便于调节,其最高采样速率为20 kS/s。
图6 超临界二氧化碳射流冲击力测试装置及测压点分布示意图Fig.6 Test apparatus for the supercritical CO2 jet impinging pressure and distribution of measuring points
2.2 测试结果与分析
本节测试条件同样分为恒定喷射压力与恒定喷射压差。围压通过节流阀来调节与控制,为减小对射流冲击压力测量的干扰,在节流阀与测试釜体间连接一个腔体缓冲压力波动。同时,也因为该腔体的存在以及流体的可压缩性,测试釜内的压力反应滞后于节流阀的调节动作。本文允许方案设定压力值与实际设定压力值存在0.2 MPa的误差,同时,所有测试数据均选取自射流冲击稳定之后的阶段来最大限度减小数据采集误差。
2.2.1 恒定喷射压力
设定喷距距离为4 mm,喷射压力约为30 MPa,模拟围压由5 MPa连续增大至15 MPa,选取得到恒定喷射压力条件下、围压对超临界二氧化碳射流冲击力的影响曲线(图7)。从图中可以看出,P1,P2和P3所测得压力明显大于其余各点,而其余各点压力大致相等。其中,距圆心6 mm的P4点测得压力最低,甚至低于围压。初步分析认为,与水射流相比,超临界二氧化碳流体黏度低、射流径向扩散幅度小,冲击到壁面之后漫流速度大,因此P1、P2、P3测得压力较高,P4测得压力较低。随着围压的增大,P4点至P7点的测得压力增幅均约为10 MPa,始终与围压大致相等。数据显示,P1点测得压力由25.1 MPa增大到27.5 MPa,增幅仅为2.4 MPa,约9.5%,显著小于围压增幅。表明喷射压力恒定时,围压增大对测压影响较小,相应地,射流冲击动能将随着围压增大而显著下降,这将导致超临界二氧化碳射流破岩效果的下降。
图7 恒定喷射压力条件下测压随围压变化曲线Fig.7 Measured pressure versus ambient pressure under constant jet pressure condition
2.2.2 恒定喷射压差
本组测试中,围压由5 MPa连续增大至15 MPa,喷射压力由25 MPa对应增大至35 MPa,喷射压差恒定为20 MPa,选取得到恒定喷射压差条件下、围压对超临界二氧化碳射流冲击的影响曲线(图8)。可以看出,随着围压增大,各点测得压力增幅基本相同。数据显示,P1点测压由20.4 MPa增大到31.5 MPa,增幅为10.1 MPa,约51.4%,与围压增幅大致相等,即射流冲击力基本不变。同样表明,该条件下,系统压力增大并未使超临界二氧化碳射流动能与冲击效果发生显著下降。
图8 恒定喷射压差条件下测压随围压变化曲线Fig.8 Measured pressure versus ambient pressure under constant pressure difference condition
对比可知,超临界二氧化碳射流冲击力测试结果与数值模拟的变化规律大致相同,整体上存在误差,最大误差约为10.8%。造成误差的原因在于模拟计算的理想与简化、可压缩流体在测试中存在的其他作用等[15]。
3.1 实验设备和方法
图9所示为超临界二氧化碳射流综合实验系统。该实验系统主要由液态二氧化碳储存系统、柱塞泵、超临界二氧化碳储存系统、围压破岩釜体以及过滤除杂装置等部分组成。
图9 超临界二氧化碳射流综合实验系统Fig.9 Supercritical CO2 jet comprehensive experimental set-up
图10所示为超临界二氧化碳射流破岩实验流程图。液态二氧化碳在自有压力下流入实验系统中,并在系统冷箱和液态二氧化碳储罐中的低温、高压条件使二氧化碳继续以液态储存。液态二氧化碳经由高压泵泵送至超临界二氧化碳储存系统的压力缓冲罐中,缓冲罐用于缓冲柱塞泵带来的压力波动,随着二氧化碳的不断泵注,压力不断升高,同时通过热水循环的水浴加热,缓冲罐内的液态二氧化碳转变为超临界态并储存。超临界二氧化碳流体分成两股进入两根高压软管,分别用于喷射和调压,压力调至预设压力后通过阀门开关切换,使超临界二氧化碳射流在围压釜体内喷射到岩心表面,而不对实验压力与时间条件造成干扰。完成冲蚀射孔实验后,携带细小岩屑的二氧化碳流体经过两级除杂装置将岩屑与多余水分去除、提纯,通过调压阀后的二氧化碳转变为气态并返回冷箱,在高压、低温条件下再次变为液态,从而循环利用。超临界二氧化碳盘管最高承压70 MPa,破岩釜体最高安全承压为40 MPa,最高模拟温度100 ℃(373 K),因此可较真实地模拟深至4 000 m的地层环境。
图10 超临界二氧化碳射流破岩实验流程图Fig.10 Flow diagram of the rock-breaking experiment with supercritical CO2 jet
实验中使用的锥形喷嘴由钨钢制成,能够耐二氧化碳腐蚀、耐高压、耐高温、耐冲蚀,结构与数值模拟中的喷嘴结构相似,具有相同的收缩角与直管加速段的长径比。管线、阀门、接头、三通、四通等过流材料均用1Cr18Ni9Ti制成作,可有效防腐防锈蚀。
主要实验材料包括液态二氧化碳与大理岩岩心(图11)。随机选取3块岩样进行了岩石力学参数测试(表2)。为减少岩石非均质性对实验的负面影响、提高实验结果有效性,每个实验都会在一对切开的岩心断面上进行对比重复实验。
图11 工业用液态二氧化碳与大理石岩心Fig.11 Industrial liquid CO2 and marble samples
序号密度/(g·cm-3)抗压强度/MPa弹性模量/GPa泊松比#12.7124.139.10.27#22.8125.639.20.27#32.7119.337.50.26
3.2 实验结果与讨论
3.2.1 恒定喷射压力
所处环境围压对水射流的流体动力学特性具有显著影响,进而影响其破岩效果[16]。超临界二氧化碳流体性质较为特殊,研究围压对超临界二氧化碳射流射孔效果的影响规律对其未来的钻井现场应用更具实际意义。因此,本文开展了相关室内实验。
在两组恒定喷射压力实验中,喷射压力分别设定在30 MPa和40 MPa,模拟围压均由5 MPa增大至15 MPa。喷嘴直径为1 mm,喷射距离为4 mm。由恒定喷射压力条件下射孔深度随围压的变化曲线(图12)可以看出,射孔深度均随着围压增大而连续单调减小,而且围压由二氧化碳临界压力前后变化时射孔深度变化显著。数据显示,围压由5 MPa增大到15 MPa,射孔深度分别减小6.32 mm和10.74 mm,或96.0%和94.9%;其中,围压从5 MPa增到10 MPa,射孔深度即减小了74.2%和71.4%。
图12 恒定喷射压力下射孔深度随围压的变化曲线Fig.12 Eroded depth of perforation hole versus ambient pressure under constant jet pressure condition
这是由超临界二氧化碳独特的流体性质导致的。围压低于二氧化碳临界压力时,围压釜体内充满气态二氧化碳,而喷嘴喷射出的超临界二氧化碳流体在较短距离内不会转变为气态,仍然以超临界态冲蚀岩心。超临界二氧化碳流体的密度远大于周围气态二氧化碳,因此可将该条件下超临界二氧化碳射流视为非淹没射流,此时射流所受阻力小,冲击力更强、冲蚀效果更好。围压高于二氧化碳临界压力时,围压釜体内被超临界态二氧化碳流体所充满,其密度与射流流体相当,因此可将该条件下的超临界二氧化碳射流视为淹没射流,彼时,射流所受阻力增大,以热耗散掉的射流动能增加,冲击壁面后转化的滞止压能减少,冲蚀破碎效果变差。数值模拟与射流冲击力测试所得射流冲击力变化规律与之大致相同。此外,围压增大使岩石基质排列更紧密、孔隙度更小、胶接强度更高,对射流冲蚀射孔起到不利影响。
3.2.2 恒定喷射压差
在三组恒定喷射压差实验中,喷射压差分别设定为20 MPa、25 MPa和30 MPa,喷射压力与模拟围压均同步增加10 MPa,得到恒定射流压差条件下超临界二氧化碳射流射孔深度随围压的变化曲线(图13)。可以看出,喷射压差恒定时,射孔深度随围压增大先较稳定或轻微增长,然后开始出现一定幅度的衰减,喷射压差为25 MPa和30 MPa时较为明显。数据显示,喷射压差为25 MPa、围压增大10 MPa时,射孔深度分别先增大8.9%后减小60.0%。与相同条件下水射流冲蚀破岩效果连续变差相比,超临界二氧化碳射流破岩表现出较为独特的变化特征。
图13 恒定喷射压差下射孔深度随围压的变化曲线Fig.13 Eroded depth of perforation hole versus ambient pressure under constant pressure difference condition
图14 射流冲蚀岩心实验照片Fig.14 Photos of rock samples after experiments
造成上述现象仍然归因于超临界二氧化碳独特的流体性质。数值模拟结果表明,喷射压差恒定不变时,射流动能基本保持不变。如前所述,釜体内压力即模拟围压小于二氧化碳临界压力时,被视为非淹没超临界二氧化碳射流,此时冲蚀破碎效果较好。而且随着围压增大,喷射压力同步增大,加之超临界二氧化碳流体较强的扩散穿透能力,冲蚀破碎效果不断加强。当围压继续增大到二氧化碳临界压力以上时,超临界态二氧化碳淹没射流速度衰减严重、能量转化效率较低,射孔效果逐渐变差。恒定射流压差条件下与水射流相比,喷嘴外流场超临界二氧化碳射流动能随围压下降较少,加之其低黏度、高密度的独特流体特征,一定程度上抵消了岩石强度随围压增大这一负面效应,因此其射孔效率随围压下降趋势较平缓。
压力是影响超临界流体性质的重要因素。因此研究井底围压对超临界二氧化碳射流冲击与射孔的影响对其未来应用具有重要的意义。本文细化研究了恒定喷射压力与恒定喷射压差两组条件下,围压变化对超临界二氧化碳射流冲击力与射孔效果的影响,得到以下结论:
(1)数值模拟结果显示,恒定喷射压力时,围压增大使射流能量严重衰减,喷射速度与冲击力分别减小43.4%和69.7%,恒定喷射压差时,射流喷射速度仅减小10.6%,冲击力几乎不变,表明系统压力增大不会因流体性质变化而影响射流冲击效果。
(2)冲击力室内测试结果显示,两组条件下,围压增大10 MPa,中心点测压分别增加2.4 MPa和10.6 MPa,或9.5%和51.4%,相应地,射流动能分别发生明显衰减与基本不变。表明室内测试获得了与数值模拟相似的变化规律。
(3)冲蚀射孔室内实验结果显示,两组条件下,射孔深度分别呈现出连续减小和先增大后减小的变化趋势,而二氧化碳临界压力是孔深变化临界点,在临界压力处,两组条件下孔深分别表现出显著下降约74.2%和先增大8.9%后减小60.0%的趋势,显示出与水射流破岩连续变差而显著不同的影响规律。
超临界二氧化碳流体性质易随压力变化,围压跨越二氧化碳临界压力变化引起釜体内相态转变,进而改变射流淹没条件,从而影响射流速度与能量转化,是导致超临界二氧化碳射流具有独特冲蚀破岩特征的重要机制。
[1] BRINO A, NEARING B. New waterless fracking method avoids pollution problems, but drillers slow to embrace it[N]. Inside Climate News, 2011-10-14(6).
[2] HOWARTH R W, INGRAFFEA A, ENGELDER T. Natural gas: should fracking stop?[J]. Nature, 2011,477(7364): 271-275.
[3] WANG H Z, SHEN Z H, LI G S. The development and prospect of supercritical carbon dioxide drilling [J]. Petroleum Science and Technology, 2012, 30(16): 1670-1676.
[4] KOLLÉ J J. Coiled-tubing drilling with supercritical carbon dioxide[R]. SPE/CIM International Conference on Horizontal Well Technology SPE-65534, 2000.
[5] GUPTA A P, GUPTA A, LANGLINAIS J. Feasibility of supercritical carbon dioxide as a drilling fluid for deep underbalanced drilling operations [R].SPE Annual Technical Conference and Exhibition SPE-96992, 2005.
[6] 李根生,王海柱,沈忠厚,等. 超临界CO2射流在石油工程中应用研究与前景展望 [J]. 中国石油大学学报(自然科学版),2013,37(5): 76-80. LI Gensheng, WANG Haizhu, SHEN Zhonghou, et al. Application investigations and prospects of supercritical carbon dioxide jet in petroleum engineering [J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science), 2013, 37(5): 76-80.
[7] 沈忠厚,王海柱,李根生. 超临界CO2钻井水平井段携岩能力数值模拟[J]. 石油勘探与开发,2011,38(2): 233-236. SHEN Zhonghou, WANG Haizhu, LI Gensheng. Numerical simulation of the cutting-carrying ability of supercritical carbon dioxide drilling at horizontal section [J]. Petroleum Exploration and Development, 2011, 38(2): 233-236.
[8] 杜玉昆,王瑞和,倪红坚,等. 超临界二氧化碳射流破岩试验[J]. 中国石油大学学报(自然科学版),2012,36(4): 93-96. DU Yukun, WANG Ruihe, NI Hongjian, et al. Rock-breaking experiment with supercritical carbon dioxide jet [J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science), 2012, 36(4): 93-96.
[9] 王景环. 超临界二氧化碳射流破碎页岩损伤机理研究[D]. 重庆:重庆大学,2013.
[10] DONG Z X, LI Y, LIN M Q, et al. A study of the mechanism of enhancing oil recovery using supercritical carbon dioxide microemulsions [J]. Petroleum Science, 2013, 10: 91-96.
[11] 王福军. 计算流体动力学分析[M]. 北京:清华大学出版社,2004.
[12] STERN F, WILSON R V, COLEMAN H W, et al. Comprehensive approach to verification and validation of CFD simulations—part 1: methodology and procedures [J]. Journal of Fluids Engineering, 2001, 123(4): 793-802.
[13] SPAN R, WAGNER W. A new equation of state for carbon dioxide covering the fluid region from the triple-point temperature to 1 100 K at pressures up to 800 MPa [J]. Journal of Physical and Chemical Reference Data, 1996, 25(6): 1509-1596.
[14] FENGHOUR A, WAKEHAM W A, VESOVIC V. The viscosity of carbon dioxide [J]. Journal of Physical and Chemical Reference Data, 1998, 27(1): 31-44.
[15] 孙龙泉,张忠宇,丁建军,等. 可压缩流体射流冲击平板的压力特性研究[J]. 振动与冲击,2013,32(3): 178-181. SUN Longquan, ZHANG Zhongyu, DING Jianjun, et al. Pressure characteristics of panels subjected to collision of compressible jet [J]. Journal of Vibration and Shock, 2013, 32(3): 178-181.
[16] 廖华林,李根生,牛继磊. 淹没条件下超高压水射流破岩影响因素与机制分析[J]. 岩石力学与工程学报,2008, 27(6): 1243-1250. LIAO Hualin, LI Gensheng, NIU Jilei. Influential factors and mechanical analysis of rock breakage by ultra-high pressure water jet under submerged condition [J]. China Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008,27(6): 1243-1250.
Effects of ambient pressure on the impinging pressure and rock erosion performance of supercritical CO2jet
HE Zhenguo1,2, LI Gensheng1, SHI Libao2, WANG Haizhu1, SHEN Zhonghou1, WANG Youwen1
(1. State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting, China University of Petroleum(Beijing), Beijing 102249, China;2. Petro China Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Beijing 100083, China)
Compared to water jet, supercritical carbon dioxide (CO2) jet can break rocks more efficiently at lower pressure, without causing permeability damage on reservoir. Its potential applications in radial drilling and well stimulation for unconventional resources have been attracted much attention. The unique properties of supercritical CO2fluid as well as the jet impingement and rock-breaking performance can be affected by ambient pressure, especially under complex bottom-hole conditions. Corresponding numerical simulations and lab experiments were carried out. The results show that, at constant inlet jet pressure, the jet impinging pressure and depth of eroded hole both decrease notably with the increase of ambient pressure. Under constant pressure difference, as the ambient pressure increases, the jet impinging pressure almost keeps no change, while the eroded depth increases slightly, then tends to decrease at a moderate rate and is bounded by the critical pressure of CO2. The different rock-breaking performance against water jet is attributed to the unique fluid properties of supercritical CO2. Increased ambient pressure makes CO2change from gaseous to supercritical phase, and causes a non-submerged supercritical CO2jet to a submerged one.
supercritical carbon dioxide; ambient pressure; jet impinging pressure; rock erosion; non-submerged jet flow
国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2014CB239203);国家自然科学基金国际合作项目(51210006);国家自然科学基金青年基金项目(51304226);国家自然科学基金石油化工联合基金重点基金项目(U1562212)
2015-10-14 修改稿收到日期:2015-12-19
贺振国 男,博士,工程师,1986年生
李根生 男,教授,博士生导师,1961年生 E-mail:ligs@cup.edu.cn
TE248
A
10.13465/j.cnki.jvs.2017.02.010