（油气田开发工程专业论文）脉动注水技术研究与应用.pdf

r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no fp u l s a t i n gw a t e ri n j e c t i o nt e c h n o l o g y p o s t g r a d u a t e ：l u oc h a o d o n gs u p e r v i s o r ：l im i n g z h o n g s p e c i a l i t y ：o i la n dg a sf i e i dd e v e l o p m e n te n g i n e e r i n g s c h o o l ：u n i v e r s i t yo f p e t r o l e u m a b s t r a c t t h e e x p l o i t a t i o n 、v i t l lw a t e ri n j e c t i o ni so n es t y l eo fe x p l o i t a t i o nw h i c hi s u s e dw i d e l yi nt h eo i lf i e l d d u r i n gal o n gp e r i o do fp r o d u c t i o n , t h ep o o r q u a l i t yo fi n j e c t i o nw a t e rw i l lc a u s et h ef o r m a t i o np o r eb l o c k e da n dt h e p e r m e a b i l i t yr e d u c e dn e a rt h ew e l l s ot h a tw i l li n f l u e n c et h ee f f e c to ft h e e x p l o i t a t i o na n dt h ee c o n o m i cb e n e f i to f t h eo i lf i e l d t h i sp a p e rd os o m er e s e a r c hi ns o l v i n gt h ep r o b l e m so ft h ef o r m a t i o n h u r tc a u s e db yt h e d e p o s i to fm e c h a n i c a li m p u r i t y u s i n gt h ef l u c t u a t e d p r e s s u r ea n dc a v i t a t e n o i s ec a u s e db yt h en e ws e l f - v i b r a t i o nc a v i t a t i o n j e t s t r e a m ，w ec a r li m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fm j e c t i o nt or e d u c et h e m e c h a n i c a ld e p o s i ta n dp a r t l yt oe l i m i n a t et h em e c h a n i c a lb l o c k i nt h i sw a y , t h ep r o l o n g e di n j e c t i o np e r i o da n dt h ei m p r o v e di n j e c t i o ne f f e c tc a nb e a c h i e v e d t h e t h e o r ya n de x p e r i m e n t ss h o wt h ei m p u l s i o np r o p e r t ya n dt h ee r o s i o n a b i l i t yo fs e l f - v i b r a t i o nc a v i t a t i o nj e t s t r e a ma r es u p e r i o rt ot h en o r m a lc o n i c j e t t h et r a n s m i t t e dd i s t a n c eo ft h es o n i cw a v ep r o d u c e dc a nr e a c h1o o c m m o r ei nr a d i a la n d6 0 0 c mm o r ei na x e s s oi tc a nm e e tt h en e e do fi n j e c t i o n t e c h n o l o g ya n di n c r e a s et h eo i lr e c o v e r y i nt h es a n l ew a y , t h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o np r o v e st h a tt h ep r o c e s so fs e l f - v i b r a t i o ni n j e c t i o nh a v eo b v i o u s i m p r o v e de f f e c to nt h e f o r m a t i o no ft h ep o o ra b i l i t yo fa b s o r b i n gt h ew a t e r d u r i n gt h eu p p e rp e r i o d k e y w o r d i n j e e t i o n ，f o r m a t i o nh u r tj e t s t r e a m ，e x p e r i m e n t ，a p p l i c a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得石油大学 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志刘术 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 舀知“罗年i f 月牙同 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校订 权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅：学校j 以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名 导师签 盟 纱4 罗年，r 月9r 沪，年，月萝r | 石油大学( 华东) 硕士生论文 前高 第1 章前言 1 1 问题的由来及目的意义 目前油田的开采主要是以注水开采为主，但是在长期生产过程中 由于水质不合格，从而引起颗粒运移、杂质沉淀、结垢、结蜡等原因 造成地层近井地带孔隙堵塞、渗透率降低、注水量下降甚至停产，从 而影响油井产油量。因此，提高和稳定水井注水量是实现油f f i 稳产增 产、提高采收率的重要途径。 一直使用的注水开采技术已经沿用几十年，没有大的发展和突破 考虑到油田注入水大多是经过分离处理的地层污水，这种污水含有大谴 的机械杂质，在长期的注入过程中，机械杂质会在井内炮眼和地层中沉淀， 使得注入通道变小甚至堵塞，从而造成注水量下降，目前解决水井注水 量下降的方法有两大类：一是定期对有问题的水井进行清洗或实施物 理和化学解堵措施：二是进行大面积水质改造预防堵塞。这两种方法同f 需要较大的投资，而且有时会引起新的污染。因此有必要对注水方， 重新认识，研究一种经济有效的新型注水方式势在必行。 自振空化射流呲3 卅是近年来发展起来的一种新型高效射流，利 h 这种射流独特的脉动特性和空化噪声，将其应用到注水上，不仅i j + 以 将自振空化水射流的振动和冲击能量直接作用到炮眼和近井地层，解 除已形成的地层堵塞，提高注水量；而且可以利用自振控化射流的脉 动特性，将目前的持续压力注水改变成波动压力注水，避免和减少机 械杂质沉淀，稳定注水量，延长注水周期。这将开辟自振空化射流新 的应用领域，实现注水技术的革命性发展，具有显著的实用价值= 8 0 年代末9 0 年代初，石油大学高压水射流研究中心在开展国家 然科学基金项目“自振空化射流用于深井钻井可行性研究”的同时， 提出了将高压水射流特别是自振空化射流用于采油提高油井产量的想 法，并开始了可行性研究。1 9 9 4 年结合山东省自然科学基金青年基套 项目“空化噪声法提高油井产能的可行性研究”，开展了自振空化射流 石油大学( 华东) 硕士生论文 n u 处理炮孔和近井地层的理论和室内实验研究，首创了高压旋转自振空 化射流处理炮孔和近井地层新技术，该技术在井下产生低频水力冲击、 高频水力振荡、空化噪声( 超声波) 三种物理效应同时作用于炮孔和 近井地层，达到对射孔段所有炮孔的全方位处理。自1 9 9 5 年以来，在 辽河、胜利、中原等近十个油田4 0 0 多口油井和注水井现场实验取得 了极大成功，开辟了水射流技术新的研究和应用领域1 5 , 6 , 7 】。以此为基础， 1 9 9 5 年提出以自振空化射流为核心的自激波动注水技术可行性研究， 1 9 9 9 年确立课题，正式开展研究。 1 2 国内外研究概况 在石油开采过程中，产油量递减是当今石油工业面临的主要问题。 通常靠油藏内部的自然压力所生产的原油不超过储量的1 0 ，剩余油 流动性能差，难以采出。目前，世界上大多数油田都采用向地层注水 补充地层能量，开采原油。为保持稳产或减缓产量递减速度，近年来， 国内外对用强化油井生产的方法来提高采油量特别重视，它可以使采 收率提高到5 0 7 0 ，这无疑相当于找到了新的地质储量。纵观国 内外情况，强化开采方式不外乎于从两方面着手：一方面，从单口油 井着眼，如何采用机械采油手段深抽强排，增大油井产液量以及怎样 有效地采用各种物理、化学与工艺的地层作用方法实施强化措施，提 高单井产量；另一方面，从整个油藏考虑，如何提高油层注水量及其 波及范围，驱油介质的驱油效率和地下残余油的动用程度，最终达到 提高原油采收率的目的。 利用振动和波场处理地层的理论与方法最初是由美国和前苏联的 研究人员于5 0 年代后期提出的，当时由于受到天然地震和火车运行的 振动影响水井水位和油井产量的启示而开始研究的。这些观察结果启 发人们开始研究振动和波对原油流动性、水驱油效果、原油粘度和表 面张力、岩心渗透率的影响规律及其机理，并探索将振动和波的物理 石油大学( 华东) 硕士生论文甫高 作用用于处理地层、增产增注的现场试验应用，并于7 0 年代和8 0 年 代使这方面的研究达到顶峰。 众所周知，空化和空蚀现象对船舶和水力设备的破坏作用是十分强 大的，空泡溃灭还同时产生强烈的噪声和振动，对水力机械的寿命和 效率有很大的危害作用。反过来，在水射流中人为引入空化和空蚀作 用，利用其强大的冲蚀能力和振动噪声冲击波来提高水射流清洗、切 割、破岩效果，变有害作用为有利作用，这就是空化射流的由来”2 引。 在泵压和流速相同条件下，空化射流的冲击压力为连续射流冲击压力 的8 6 到1 2 4 倍。自振空化射流是8 0 年代初发展起来的一种新型高效 射流，特别在石油工业中显示良好应用前景。国内外不少研究人员已 对自振空化射流的原理、结构设计、冲蚀岩石效果及其影响因素进行 了不少研究。 1 9 8 1 年，美国t r a c e r 流体公司v e j o h n s o n 和a f c o n n 等人提 出了两种产生无源自激声谐振荡射流的方法，一种是使水通过各种类 型的谐振腔( 如风琴管或h e l m h o l t z 腔) 后进入射流喷嘴，并使射流 以指定频率共振，使喷嘴射流变成断续涡环流；另一种是喷嘴出口改 成喇叭状或哨嘴状，可改变射流与周围流体的相互作用，诱发涡流环， 使哨嘴出口射流产生强烈压力振荡和空化作用。实验证明，自激振动 空化射流的起始空化数比普通射流高2 6 倍，也即如果这种喷嘴用于 石油井底，可以在比普通喷嘴高2 6 倍的围压条件下有效地产生空化 射流。即使在更高的围压下，空化不能产生时，大结构的涡环流所，c 生的强烈压力波动也有利于改善井底的清洗效果。 1 9 8 4 年开始，石油大学射流研究室开展了新型自振空化射流用于深 井钻井可行性研究 2 1 ，利用瞬态流理论和水声学原理建立了自振空化射 流的调制理论和喷嘴设计模型。初步现场实验表明，相同地层和泵砸 条件下，自振空化射流钻头钻井速度比普通钻头提高2 0 6 0 。 1 9 8 7 年西南石油学院和重庆大学联合进行了振荡脉冲射流喷嘴的 石油大学( 华东) 硕士生论文n 6 研究。实验表明，在相同条件下，振荡脉冲射流的瞬时打击力是连续 射流滞止压力的1 5 2 5 倍，而且将随脉冲性和峰值打击力的增大而 增加。现场实验表明，采用振荡脉冲喷嘴的牙轮钻头在相同条件下可 提高钻速1 5 5 0 ，提高钻头进尺1 0 1 5 。 1 9 9 0 年开始，石油大学高压水射流研究中心将新型自振空化射流和 阻尼式旋转控制技术结合，研制成功了高压旋转自振空化射流处理炮孔和 近井地层新技术 9 , | 0 , 1 1 , 1 2 】，对不同井深、不同泵压和排量条件下井下喷嘴 压力降、射流冲击力、喷嘴水功率、当量喷嘴直径、油管伸长量等参数进 行了计算和分析，为不同井深和地层条件下制定施工水力参数方案和确定 工具在井下工作位置提供了依据。在辽河、胜利、中原、大港等油田进行 的4 0 0 多口不同地质条件和井况的油井和注水井的现场试验结果表明，高 压旋转水射流处理近井地层技术平均单井增油幅度2 0 3 0 ，平均单井 日增注达3 0 1 3 0 ，有效率9 0 以上。 研究将自振空化水射流脉动和空化噪声应用于注水技术上，避免和 减少地层堵塞，增加和稳定注水量，延长注水周期。将开辟自振空化 射流新的应用领域，实现注水方式的革命性发展，具有显著的实用价 值。 1 3 本课题研究工作概况 研究工作基本可以分为以下几个阶段： 第一阶段( 1 9 9 5 1 9 9 8 ) ：先期探索和可行性研究。 在理论分析和实验研究基础上，建立了两种振动腔基本结构的设计 新模型，设计了几种新型自振空化喷嘴，初步实验了利用谐振腔产生 的自振空化射流的冲击压力脉动特性及其冲蚀岩石和清洗除垢的可行 性，实验得出了肯定的结论。在此基础上，我们提出了将自振空化射 流用于油田注水应用的设想。 第二阶段( 1 9 9 8 1 9 9 9 ) ：确立课题，理论和室内实验研究。 在常压和围压条件下，深入系统地研究了自振空化射流冲击压力脉动 石油大学( 华东) 硕士生论文前高 特性和冲蚀岩石效果，得到了一种新型高效自振空化射流喷嘴，取得了 自振空化射流振动源研究的突破性进展。在室内对自振空化射流在井下 产生的振动波的传播和衰减规律进行了深入研究，对振动波对地层的作 用机理进行了探索和分析，结果表明，可将这种新型射流用于油田注水。 第三阶段( 1 9 9 9 2 0 0 0 ) ：设备研制完善和现场实验。 在系统研究自振空化射流和振动波在井下传播规律的基础上，首创了 自激波动注水新技术，研制成功并完善了适用于水井的自激波动注水器。 并进行了现场试验。 石油大学( 华东) 硕士生论文自激波动振动源 f j ( 第2 章自激波动振动源研究 本章首先根据瞬态流和水声学理论建立自激振动空化射流的调制机 理，推导自振空化喷嘴的振荡腔结构设计模式，根据使用条件设计自振 空化喷嘴几何尺寸：在实验室条件下对自振空化射流冲击压力特性和冲 蚀岩石效果进行实验研究。 2 1 自振空化射流调制机理与喷嘴设计 自激声谐振动空化射流的基本原理是当稳定流体流过喷嘴谐振腔的 出口收缩断面时，产生自激压力激动，这种压力激动反馈回谐振腔形成 反馈压力振荡 1 1 。适当控制谐振腔尺寸和流体的马赫数及s t r o u h a l 数， 使反馈压力振荡的频率与谐振腔的固有频率相匹配，从而在谐振腔内形 成声谐共振，使喷嘴出口射流变成断续涡环流，从而加强射流的空化作 用，由于风琴管和亥姆霍兹谐振腔是两种典型的自激振动腔室结构，如 图2 一l 所示。 ( a )风琴管自振空化喷嘴 ( b )亥姆霍兹振动腔空化喷嘴 图2 - 1自激振动空化喷嘴结构示意图 一冒 石油大学( 华东) 硕士生论文 自激波动振动灏 l j l = 究 本节利用瞬态流理论建立谐振腔内流动的基本关系式，根据水声学原理 推导出谐振腔的固有频率和基本结构关系式，为自振空化喷嘴设计和应 用提供理论依据。 2 1 1 基本关系式 1 3 , 1 4 , 1 5 ( 1 ) 流动关系式 假设谐振腔中的流体是不可压缩理想流体，根据瞬态流理论，一尢 不定常管流流动线化方程为： 其中c ，z ，r 分别表示单位管长的流容、流感和线性流阻：p ( x t ) 和q ( x ，t ) 分别表示位置x 和t 时刻的瞬时压力和瞬时流量。 将方程( 2 - 1 ) 进行拉普拉斯变换，并代入零初始条件，得： 8 p ( = x 一, s ) ：一l s q ( 工，j ) t y x 、 ( 2 2 ) 望望嬖盟：一种( ) 。 饿 式中，p ( x ，s ) 和q ( x ，s ) 分别为瞬时压力p ( x ，t ) 和瞬时流量q ( x ，l ) 在频域上的表达式：s 为拉普拉斯变换因子，s = j 国，其中c o 为频率， j ：= t 。 p ( 毛s ) = r p “p 。，) 出4p 。f ) ( 2 _ 3 ) 【q ( x ，s ) = fp 一“g ( x ，t ) d t * q ( x , f ) 考虑边界条件为： 学掣掣掣 石油大学( 华东) 硕士生论文 自激波动振动源埘究 j p = 只，q = q i ( 。2 0 ( 2 4 ) p c 謦卵噎 。， 1 易一罢妇普+ 蜴如詈 f s h j c o z = j s m 国z 由式( 2 5 ) 还可解得管段始端状态用终端状态表示的关系式为： ( 2 ) 阻抗关系式 因为瞬态流是不稳定流，在不稳定流管道中，同一瞬时各断面的流 量相同，即： q l = q 2 = q ( 2 一g ) 定义管段始端和终端的流体阻抗为： 丝口墨口 啪 毒i 嘉 耻 纷 嘻 c 5 i 驮 乙 + 争哮 b 即最一乙 只 翻 石油大学( 华东) 硕士生论文自激波动振动源 l j = 究 为： f z ，= 只g 1 2 2 = 县g ( 2 一1 0 ) 由式( 2 8 ) 式( 2 1 0 ) 可得管段始端阻抗z i 和终端阻抗z2 的关系式 z l + zc j f h 堕 五2 盂乙z 2 j 嘲= f = + z 。 ( 2 1 1 ) 2 1 2 风琴管谐振腔工作原理及结构设计 ( 1 ) 工作原理 风琴管自振空化喷嘴工作原理如图2 - 1 ( a ) 所示。它是用一个长度为 l 、直径为d 的风琴管式谐振腔作为振荡放大器，谐振腔入口与直径为d ； 的来流管相连，( d 。d ) 2 构成谐振腔的入口收缩截面。谐振腔的下部与 直径为d 的出口截面相连，( d d ) 2 构成谐振腔的出口收缩截面。出口收 缩截面既是自激励机构，又是反馈机构。当稳定流体通过时，其收缩面 既能使流体产生初始压力激动，又能将压力激动反馈回谐振腔，形成反 馈压力振荡。根据瞬态流理论，如果压力激动的频率与风琴管谐振腔的 固有频率匹配，反馈的压力振荡就能得到放大，从而在谐振腔内产生流 体共振，形成驻波，射流剪切层内涡流变成大结构分离环状涡流，这种 大结构的涡流环可以增强空化作用。 很显然，流体共振是靠自激产生的，是无源自振。根据水声学原理 共振驻波的频率与射流临界自激结构频率相近，该频率值由喷嘴的临界 斯特罗哈( s t r o u h a l ) 数确定，但是，精确的共振频率值取决于风琴管 谐振腔的入口截面( d ，d ) 2 和出口截面( d i d ) 2 的收缩程度。因此，胍琴 管谐振腔的设计，首先必须计算出谐振腔的固有频率，然后根据自激压 石油大学( 华东) 硕士生论文自激波动振动源研究 力振荡可能发生的激励频率( 射流临界自激结构频率) 设计出合适的谐 振腔尺寸。 ( 2 ) 固有频率关系式 对于确定的风琴管谐振腔，腔长l 、扰动波速度a 、特性阻抗z 。均 为已知，如果始端阻抗z 。和终端阻抗z ：确定，就可由式( 2 1 1 ) 得出只 含一个变量( = 2 矿) 的一元方程，由该方程即可解出风琴管谐振腔的固 有频率。当流体压力激励频率与谐振腔的固有频率一致时，风琴管内就 能产生流体共振。 对于始端阻z ，由于风琴管入口端( 始端) 截面收缩比很大 ( ( 琅d ) 2 1 ) ，因此可以认为其始端完全敞开，阻抗为零，即： z l = o ( 2 1 2 ) 对于终端阻抗z ，将式( 2 1 2 ) 代入式( 2 1 1 ) ，则阻抗关系式可简化 为： z 2 = 一y z d g 丝 ( 2 13 ) 口 z ，的大小可分两种情况考虑： 当出口截面( 终端) 收缩比很大( ( d d ) 2 1 ) ，可以认为其终 端完全封闭，阻抗为无穷大，即z ：= m ，所以： 一( e l ：2 n - - 1 石( n ：1 ，2 ，3 ) ( 2 一1 4 ) d z 式中，n 为谐振腔内振荡模数， 由于c o = 2 x f 则由式( 2 1 4 ) 可得此时风琴管固有频率为： 厂：_ 2 n - 1 了a ( n ；1 ，2 ，3 ，) ( 2 1 5 ) 。 4工 石油大学( 华东) 硕士生论文 自激激动振动源阿e 当出口截面收缩比较小( ( d d ) 2 c ，c 值e h 实验确定) 时，可 认为其终端完全敞开，阻抗为零，即z ，= o ，则由式( 2 1 3 ) 可得风琴管 固有频率f 为： 厂_ n a ( ：l ，2 ，3 ，) ( 2 1 6 ) 。 2l 综合式( 2 - 1 5 ) 和式( 2 - 1 6 ) ，就得到风琴管固有频率f 的一般表达式 为： f = k 导 ( 2 1 7 ) 其中k n 为模数系数，它是振荡模数n 及出口端和入口端截面收缩比的 函数。综合前面讨论可得： 舻f ，( 销铷 2 一1 4 n 2 式中，c 值由实验确定，由式( 2 1 7 ) 和式( 2 一1 8 ) 就可计算风琴管谐振腔 的固有频率。 ( 3 ) 基本结构关系式 通常，射流的i 临界自激结构频率f + 用喷嘴的临界s t r o u h a l 数s j 表 示，即： ：厂兰 ( 2 一t 9 ) h 式中，d 为喷嘴出口直径；u 为喷嘴出口射流速度，通常用马赫数m 表 示，即： m ：兰( 2 2 0 ) 、叫、叫、圳，叫 爿玎帕啪 州 爿钉 呤呤 石油大学( 华东) 硕士生论文 自激波动振动源研究 由式( 2 - 1 9 ) 和式( 2 - 2 0 ) 可得： f ：g 孥 ( 2 2 1 ) 由以上分析可知，当风琴管谐振腔的固有频率f 与射流的临界自激 结构频率f + 相匹配，即f = f 时，风琴管内能产生最强烈共振。由式( 2 1 7 ) 和式( 2 2 1 ) 可得到产生最强烈谐振时风琴管谐振腔结构所应满足的基 本关系式为： 三。鲁 ( 2 2 2 ) d 姗： 。 式( 2 - 2 2 ) 就是风琴管谐振腔结构的设计模式，它与美国水航公司 v e j o h n s o n 等人用半经验半理论方法得出的设计模式是一致的。 ( 4 ) 风琴管谐振腔结构设计 根据不同工作条件( 泵压、排量) ，设计了一系列不同结构尺寸和出口 直径的风琴管谐振腔空化喷嘴，几种典型的喷嘴设计结果列于表2 1 ， 其中出口直径较小的( 3 5 m m ) 适合于较小排量的场合，出口直径较大 的( 1 0 r a m ) 适合于较大排量的场合( 如石油钻井) 。 表2 - 1 风琴管谐振腔结构设计结果 结构尺寸( m m )结构关系 喷嘴号 dd sdl ( d d ) 2( d d ) 2 l a n o 1 风琴管3 0 2 61 23 1 54 71 6 01 0 5 n o 2 风琴管4 02 61 24 24 7 9 01 0 5 n o 3 风琴管 5 02 61 25 2 54 75 7 61 0 5 n o 4 风琴管1 0 02 81 57 53 52 2 55 n o 5 风琴管 1 0 02 81 55 53 52 2 54 5 n o 9 风琴管4 02 6l o4 26 8 6 2 51 0 5 n o 1 0 风琴管 3 32 61 33 44 01 5 21 1 1 2 1 3 亥姆霍兹振动腔基本原理与设计叫 石油大学( 华东) 硕士生论文自激波动振动源f j f 究 ( 1 ) 固有频率关系式 图2 - 1 ( b ) 为串联的h e l m h o l t z 振动腔喷嘴示意图，稳定的高压液体 经过长度为l 1 、直径为d l 的入口段后，通过第一个喷孔d i 进入 h e l m h o l t z 振动腔( 体积为v 2 ，长度l 2 ，直径d 2 ) ，最后由第二个喷孔 d 2 喷出。当s t r o u h a l 数为临界值时，由喷孔也射出的射流变成不连续 涡环流。由前面流动基本关系式和阻抗关系式，可推得出h e l m b o l t z 谐 振腔固有频率关系式( 2 2 3 ) ： 厂= c f a 2 石k ( 2 2 3 ) 式中：a 一振动腔入口截面积，a 2 去耐； r 一振动腔入口段长度，与d 1 具有同数量级，三= d ； v 2 一振动腔体积，v 2 = i 1 刎2 2 三2 。 因此，式( 2 - 2 3 ) 可变换为： ，= 砜c 驴 c z z a ， ( 2 ) 基本结构关系式 引入s t r o u h a l 数sd 和马赫数m ，则式( 2 2 4 ) 可表示为： 堡。l 巨 ( 2 2 5 ) 吐2 z s a m l l 2 式( 2 2 5 ) 即为h e l m h o l t z 振动腔直径d2 应满足的关系式。 当由d l 出来的涡流抵达第二喷孔d 2 后，压力信号经过时间t l = l 2 c 后又返回d l ，如果腔长l 2 的高度使得压力信号到达d 1 的时间恰好等于 产生一个新涡流所需的时间，则谐振腔内振动得到放大，从而产生强烈 谐振，则腔长l 2 应满足下列关系： 三2 = n 五- t i u 。 ( 2 - 2 6 ) 石油大学( 华东) 硕士生论文自激波动振动源w f 究 式中n 为涡流的数目，u c 为涡流的传递速度，u = ，五。引入s t r o u h a l 数s d 和马赫数m c 表达式，并令a = u c u l ，可推导出腔长l 2 应满足的关 系式为： 鲁“骊n a 0 4 - a m ( z 哪) d is d1 式( 2 - 2 7 ) 是h e l m h o l t z 振动腔腔长度l 2 应满足的关系式。 ( 3 ) h e l m h o l t z 振动腔结构设计 根据工作条件( 泵压、排量) 需要，设计了一系列不同结构尺寸的 h e l m h o l t z 振动腔空化喷嘴，典型喷嘴结构设计结果列于表2 - 2 。 表2 - 2亥姆霍兹振动腔结构设计结果 喷嘴号结构尺寸结构关系 d ld 2 l 2d ：d 。 l ：d ， n o 1 振动腔l o 0 l _ 21 01 21 0 n o 2 振动腔1 0 o1 22 01 22 0 n o 3 振动腔 4 04 o6 51 01 6 n o 4 振动腔3 34 o5 51 21 6 2 2 实验装置和实验方法 实验是在石油大学射流研究室的多功能射流实验架上进行的 i o , 12 。 图2 2 是实验装置示意图。实验架主体部分是用1 0 0 吨四柱压力试验机 改装的，可以安装两种模拟井筒，一种是透明有机玻璃模拟井筒( 外径 2 5 0 m m ，长7 5 0 r a m ，壁厚l o n n ) ，用来进行常压下射流实验：另一种是厚 壁钢管模拟井筒。用来进行围压下射流实验。模拟井筒固定在实验架底 座上。升降控制电机驱动横梁升降，带动喷管上下移动，调节喷嘴出口 石油大学( 华东) 硕士生论文 自激波动振动源 卅宄 表面被冲击靶物表面的距离( 此距离通称为喷距) 。喷嘴装在井筒内喷 管的下端。靶物( 测压底盘或岩芯) 固定在井筒底座上正对着喷嘴中心。 实验的流体介质为清水。动力由两台三缸柱塞泵提供，单泵额定压力为 5 0m p a ，额定排量为1 51 s 。 高压水入u 山水u 冉机玻璃井筒 唢嘴 测乐靶黼 压力传感器 底胁 丝杆立柞 图2 - 2 实验装置不意图 实验包括两部分：冲击压力测试和冲蚀岩石实验。 冲击压力测试实验是利用水射流在一定喷距下冲击到测压底盘上， 测压底盘上开有直径很小的测压孔( 0 5 1 0 r a m ) ，测压孔正对射流轴 心，射流轴心的冲击压力通过测压孔传到装于靶盘的压力传感器上。所 用传感器为长沙红旗仪器厂的z q y 型电阻应变式压力传感器( 频率响应 时间0 3 m s ，响应频率为3 3 k h z ) ，它将测得的压力信号转变为电压信 号输送给h p 3 5 6 2 a 动态信号分析仪和计算机进行分析处理，从而得到各 种喷嘴射流冲击压力的变化规律，处理结果由打印机或绘图仪给出。 每种喷嘴分别在不同泵压和不同喷距条件下测试冲击压力，喷距从 石油大学( 华东) 硕士生论文自激波动振动源研冗 o 1 8 0 r a m 每5 1 0 r a m 测一点，并在相同条件下与普通锥形喷嘴对比。典 型的瞬时冲击压力波形如图2 3 所示。射流的冲击压力脉动特性分别用 压力脉动峰值p 一和压力脉动最大值和最小值之差压力脉动幅度 a p 表示，即： a p = p m 。一。 ( 2 - 2 8 ) 其中，p 。和p 和。分别表示冲击压力脉动最大值和最小值。 冲蚀岩石实验是利用射流在一定喷距、压力和冲蚀时间条件下定点 冲蚀人造砂岩和天然红砂岩岩心，通过测量冲蚀坑体积的大小来衡量射 流冲蚀岩石能力。岩心试样是直径为1 2 5 r a m 、高为1 0 0 r a m 的圆柱体。红 砂岩的主要性能如表2 3 所示。 表2 - 3 红砂岩的主要性能 l 抗压强度( m p a )密度( g c m 3 ) 孔隙度( )渗透率( m d ) 6 8 92 4 2 75 92 5 用填充石蜡间接测量射流对人造砂岩冲蚀坑的体积，冲蚀坑深度用 卡尺直接测量。 试验用的喷嘴是风琴管空化喷嘴和h e l m h o l t z 振荡腔空化喷嘴，用 1 2 0 。锥形喷嘴作对比试验。这种锥形喷嘴在淹没条件下能产生较好空化 现象。喷嘴材料采用4 5 # 钢，加工后经淬火和回火处理。试验前后的测 量结果表明，喷嘴尺寸无明显变化。 试验所用的各种测量仪表都具有足够的精度，并经常进行标准和标 定，每个环节的试验和测量条件都一致，以保证重复多次，测量准确。在 高压泵出口至喷嘴之间的高压管路上装有空气蓄能器，稳定喷嘴入口的来 流压力，减小泵出口管路压力波动对射流冲击压力脉动实验结果的影响。 石油大学( 华东) 硕士生论文自激波动振动源宄 为了验证上述理论， 设计了不同直径和长度的 几种哨嘴，进行射流轴心 速度脉动实验，并与不加 哨嘴的普通柱形喷嘴进行 了对比。 试验喷嘴是用有机 玻璃加工而成，喷嘴哨 嘴的长度靠串接环形薄 国2 3 射流冲击压力脉动曲线 片来改变。试验是在空气射流实验架上模拟的，实验马赫数m = o 1 3 j 。 由气体动力学理论，在m 1 2 0 c m ) 的情 况下，随着径向距离的增加衰减甚小。在4 - 7 k h z 频率段流速为5 2 m s 时， 径向距离由o 增至2 0 c m 功率谱值仅衰减4 7 d b ( 3 4 ) ，径向距离由2 0 c m 增至1 l o o m 时，该值衰减了1d b ( o 7 ) ：流速为1 1 2 m s 时，上述两值 分别为4 3 d b ( 2 9 ) 和0 1 d b 。图3 - 1 7 、3 - 1 8 中的功率谱变化曲线也存 在类似规律。 石油大学( 华东) 硕士生论文 振动波在井筒内的传播舭律实验呵死 p - 。 啪 l k 。c 套s c 亡= 习趔 1 j 扣 1 3 5k 一 t ， 径向距离c c n ) 图3 1 61 l # 点4 - 7 k h z 功率谱随径向距离变化曲线 图3 - 1 71 l # 点7 - 1 2 k l l z 功率谱随径向距离变化曲线 4 5 1 4 0 号l 3 5 1 3 0 国心，卜彳奏k - 碡 降目誉牟肇jj 人。j 径向歪离( c m ) - 一5 ： 一n 5 r 一7 t 一h h 一【i ) o - 一l l2 图3 1 8l l # 点1 2 2 0 k h z 功率谱随径向距离变化曲线 4 5 ，石油大学( 华东) 硕士生论文振动波在井筒内的传播规律苌验 l j | 垃 出现这一特征的原因分析如下：在距离喷嘴较远的测点，水中传播的 高频信号( 来自空化噪声、套管壁反射波等) 基本完全衰减，所测得的较 高频波( 4 - 2 0 k h z ) 是由流体直接冲击套管壁形成的冲击波在金属体内传 播又与液体耦合的结果。而此时测得的低频波( 图3 2 0 不同流速下4 - 7 k h z 频率段功率谱随轴向距离变化曲线 图3 1 9 、3 2 0 中存在类似现象，即在1 0 0 和1 1 2 米秒流速下，轴 向距离由2 0 c m 增加到6 0 c m 的过程中，功率谱幅度值先减小后略有增加， 随后按常规衰减。出现这一现象的原因应该与流体的空化现象有关。空化 发生时，空泡在水中会经历初生、发育、溃灭、反弹等复杂过程，到达高 石油大学( 华东) 硕士生论文振动波在井筒内的传播规律实验1r j ，。 压区后( 低流速区) 空化现象消失。因此，在空化发生发展区域，噪声j j 率谱幅值会出现不同程度的波动。 ( 3 ) 7 - 2 0k h z 频率段 如图3 2 1 、3 2 2 所示，在这两个较高频率段，功率谱的变化与低频 时有所不同。首先，对7 - 1 2 k h z 信号，在轴向距离1 6 0 c m 的距离 图3 2 17 - 1 2 k h z 功率谱随轴向距离变化曲线 h 嘈过 _ 卜_ 6 5 笠簋吣一 习黟掣黛奔 一l 】2 u 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 0 轴向距离( c m ) 图3 2 21 2 2 0 k t t z 信号功率谱随轴向距离变化曲线 内，信号能量衰减加剧，流速为5 2 m s 时，功率谱值由2 0 c m 处的14 9 j d i 衰减到1 6 0 c m 处的1 2 0 8 d b ，减小了1 9 2 ：流速为11 2 m s 时则减小了 1 3 8 。在2 0 0 c m 到6 0 0 c m 的范围内，信号衰减减缓，上述两值分别为7 2 石油大学( 华东) 硕士生论文振动波在井筒内的传播埘律宴- g z j l 咒 和1 1 3 。这说明信号在近喷嘴处衰减较快，而且流速越高，较高频段( 相 对于7k h z 以下的信号) 的信号随轴向距离衰减越慢。 对于1 2 2 0 k l i z 的高频段，存在与图1 8 相似的规律，但在近喷嘴的 1 2 0 c m 距离内衰减更快，在2 0 0 c m 到6 0 0 c m 的距离内衰减较图1 8 减缓。流 速为5 2 m s 时，在最初的1 2 0c m 内功率谱即由1 4 7 2 d b 下降到了1 2 1 1d b ， 衰减了1 7 7 ：流速为1 1 2 m s 时衰减了1 8 4 。而随着轴向距离的增加， 信号功率曲线变得较为平缓，特别是在4 5 0 c m 到6 0 0 c m 的距离内，1 1 2 m s 流速下此间信号功率谱幅值仅减小了0 4 d b ( 0 3 ) ，8 8 m s 流速下为3 1 d b ( 2 4 ) 。对所测的6 0 0 c m 的轴向距离下，信号总的衰减情况为：5 2 m s 时其值为2 7 9 d b ( 1 9 0 ) ，1 1 2 m s 时为3 4 8 d b ( 2 0 7 ) 。 综上所述，功率谱信号随着轴向距离的增加而衰减，但在不同的频率 段及轴向距离段衰减速率不同。对低频段，信号随轴向距离衰减速率基本 相同，但对7 - - 2 0 k h z 的信号，在距喷嘴较近的一段距离内下降较快，远 喷嘴处信号随轴向距离的增加变化平缓。由此可以判断，在远离喷嘴的轴 向距离内，高频信号的传播途径以钢质套管为主，所测信号应为液固耦合 的结果。 3 4 本章小结 水流通过自振空化喷嘴后，振动能量是由以下三种振动源引起的：高 速水流低压旋涡区的空化噪声；水流通过喷嘴后由粘滞应力引起的喷嘴出 口处机械啸叫：水流冲击到套管壁上产生的机械噪声。空化噪声的频谱具 有宽频带噪声特性，有人曾观测到在1 8 0 k h z 的范围内均有信号反应。存 随后的实验中可以测出，机械噪声频率集中分布在3 0 k h z 以内。综合考虑， 本文仅对o 一2 0k h z 频段的信号分段加以分析，以便得出不同频率段的信 号在套管内随径向距离及轴向距离衰减规律。该结果为三种振动源综合作 用的效果。 1 各测点信号功率谱值随着径向距离的增加而逐渐减小，在近套管 壁处信号衰减较快，随后减缓。此外，轴向距离上与喷嘴远近不同的测点 二曙i 石油太学( 华东) 硕士生论文振动波在井筒内的传播规律头验 - ”i 不同频段信号随径向距离的增加变化规律不尽相同。对于轴向上距喷嘴较 近的测点( 1 2 0 c m ) 下降速度逐渐加大。而且，4 k h z 以 下的低频信号在各测点随径向距离的增加( 在o - 2 0 e m 范围内) 相对下降 幅度要大于较高频段的信号。 2 功率谱信号随着轴向距离的增加而衰减，但在不同的频率段及轴向 距离段衰减速率不同。对低频段，信号随轴向距离衰减速率基本相同，但 对7 - - 2 0 k h z 的信号，在距喷嘴较近的一段距离内下降较快，远喷嘴处信 号随轴向距离的增加变化平缓。 3 从上述结论中知道，振动波在径向和轴向传播距离较远，分别达刈 l o o c m 和6 0 0 c m 以上，能够满足实际注水工艺需要，可作为自激波动注水 的振动源。 石油大学( 华东) 硕士生论文 振动波对油层物h 蟛啊分析 第4 章振动波对油层物- 眭影响分析 弹性波对油层作用的物理机制比较复杂，从国内外的资料分析，可从 以下几方面阐述波动增产的物理机制： ( 1 ) 在弹性波场的作用下，地层应力发生变化，岩石孔隙体积结构 快速改变，地层压力重新分布，从而提高原油的渗流速度。当油层的振动 幅度达到毛细管直径的百分之一到千分之一时，流体的流动速度就可增加 许多倍。 ( 2 ) 振动可以降低流体表面张力，可使油层