CN112160715B - 瞬时大流量脉冲射流实验系统及其实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种瞬时大流量脉冲射流实验系统及其实验方法，实验系统包括高压容器、一级缸、二级缸、脉冲射流单元、控制单元；实验方法包括灌泥浆、灌清水、灌高压气体、参数设置、脉冲射流、回灌等步骤；本发明以高压气体作为液体流动的动力源，数秒时间就可将缸内的清水、泥浆排出，通过脉冲射流单元实现泥浆脉冲喷射，脉冲射流时间短，泥浆排量大，不需要大型泥浆增压泵就能完成大排量、短时间的泥浆脉冲喷射，也无需要传统增压泵逐渐增压的调试过程，大大节约了实验时间和泥浆使用量；用泥浆进行脉冲喷射，能较好模拟体现现场钻井工况；整个实验系统组成和操作简单，占地少，用人少，用时少，实验效率高。
Description
技术领域
本发明涉及脉冲射流技术领域，具体涉及一种瞬时大流量脉冲射流实验系统及其实验方法。
背景技术
脉冲射流技术广泛应用于破岩、清洗、污水处理和振动减阻等领域，脉冲射流的形成与漩涡的产生和消失息息相关，漩涡的频率和它对流体的阻尼作用，一是与流体的速度和性质有关，二是与漩涡的大小有关。脉冲射流通常是采用一定结构的喷嘴来实现，如角型喷嘴、中心体喷嘴、旋转叶片喷嘴、风琴管喷嘴和亥母霍兹喷嘴；其中喷嘴尺寸的大小，决定了漩涡的尺寸上限。此外，漩涡的产生本质上是因为流体有粘度，不同速度区域的流体发生了粘性剪切以及能量的传递、储存和释放。
脉冲射流的室内实验系统研究，一般采用清水、通过高压小流量的增压泵进行长时间增压，但是这会带来以下不足：一是低流量下喷嘴尺寸小，进而限制了漩涡的大小，而现场钻井中流量约是室内增压泵的50倍以上，因此室内研究难以反映钻井中大流量下大尺寸漩涡对脉冲射流发展的作用；二是粘度是漩涡产生的根本原因，但钻井液(即钻井泥浆)的高密度和高粘度对漩涡以及脉冲射流发展的影响，用清水却无法体现。以现有钻井提速中应用较广的自激震荡脉冲提速和减阻工具为例，在脉冲的能量一定的情况下，更低的频率和更高的脉冲幅值有利于破岩和振动减阻；然而，由于脉冲的能量与频率以及脉动幅值都是正相关，而喷嘴尺寸越小，其产生的漩涡越小、频率越高，不利于低频率和高幅值脉冲射流的产生。上述问题，虽然也可以通过购买大流量的增压泵和配制大量钻井液来实现，但会带来高的设备和实验室投资以及维护成本，比如大流量增压泵的体积大、成本高和安全维护成本高，循环钻井液的配制需要更大的水池和搅拌设备，管道中的残留钻井液需要及时清洗等。
发明内容
有鉴于此，本发明所要解决的第一个技术问题是：提供一种结构简单的瞬时大流量脉冲射流实验系统，能有效提高瞬时流量，减少钻井液使用量，较好模拟体现现场钻井工况。
基于一个总的发明构思，本发明所要解决的第二个技术问题是：提供一种操作简单、易于实现的瞬时大流量脉冲射流实验系统的实验方法。
为解决上述第一个技术问题，本发明的技术方案是：瞬时大流量脉冲射流实验系统包括：
高压容器，所述高压容器用于盛放高压气体；
一级缸，所述一级缸包括由一级缸活塞分隔的一级缸气腔和一级缸水腔，所述高压容器通过高压气路连接所述一级缸气腔；
二级缸，所述二级缸包括由二级缸活塞分隔的二级缸浆腔和二级缸水腔，所述二级缸水腔与所述一级缸水腔之间通过水路连接，所述水路包括并联设置的一级缸出水管路和一级缸回水管路，所述一级缸出水管路设置有电磁阀，所述一级缸回水管路设置有增压泵；所述二级缸浆腔连接有并联设置的二级缸出浆管路和二级缸回浆管路，所述二级缸回浆管路上设置有循环泵，所述循环泵与泥浆池相连，用于将所述泥浆池内的泥浆泵入所述二级缸浆腔；
脉冲射流单元，所述脉冲射流单元包括设置于脉冲射流管路上的脉冲振荡器和节流喷嘴，所述脉冲振荡器与所述二级缸出浆管路相连，所述节流喷嘴用于将流经所述脉冲振荡器的泥浆喷入所述泥浆池；
控制单元，所述电磁阀与所述控制单元电连接。
以下是对本发明瞬时大流量脉冲射流实验系统的多项进一步优化设计：
其中，所述控制单元还电连接有用于将所采集的信号传给所述控制单元的信号采集元件，所述信号采集元件包括压力传感器和流量计，所述一级缸出水管路设置有所述流量计，所述高压容器、所述一级缸、所述二级缸、所述脉冲射流单元分别连接有所述压力传感器。
其中，所述高压气路、所述一级缸、所述二级缸分别设置有安全阀。
其中，所述一级缸出水管路设置有流量调节阀。
其中，所述一级缸水腔还连接有抽真空管路。
其中，所述高压气体是高压氮气或者高压空气，所述高压容器内的所述高压气体的压力在40～50Mpa，所述高压气路设置有减压阀，经所述减压阀减压后的压力在15±1MPa。
其中，所述增压泵是小流量液体增压泵，所述小流量液体增压泵的流量在5±1L/min，压力在60Mpa以上。
其中，所述电磁阀是常闭式高压电磁阀。
为解决上述第二个技术问题，本发明的技术方案是：瞬时大流量脉冲射流实验系统的实验方法包括以下步骤：
灌泥浆：所述循环泵将所述泥浆池中的泥浆灌入所述二级缸浆腔，灌满；
灌清水：所述增压泵连接有清水接入管路，通过所述增压泵和所述清水接入管路，将清水灌入所述一级缸水腔，灌满；
灌高压气体：所述高压容器连接有充气管路，通过所述充气管路向所述高压容器灌高压气体，所述高压气体的压力在40～50Mpa，所述高压气体是高压氮气或者高压空气；
参数设置：调节所述高压气路的压力，使所述一级缸气腔的进气压力在15±1MPa，设定所述一级缸出水管路的流量为实验所需流量；
脉冲射流：所述高压气路向所述一级缸气腔供气，所述控制单元控制所述电磁阀开启，所述一级缸出水管路接通，所述一级缸气腔内的气体压力通过所述一级缸活塞、所述一级缸水腔、所述一级缸出水管路、所述二级缸水腔、所述二级缸活塞传递给所述二级缸浆腔，通过所述脉冲振荡器、所述节流喷嘴进行泥浆的脉冲射流喷射。
其中，所述实验方法还包括回灌步骤：开通所述一级缸回水管路，通过所述增压泵，将所述二级缸水腔内的水灌入所述一级缸水腔；开通所述二级±缸回浆管路，通过所述循环泵，将所述泥浆池中的泥浆灌入所述二级缸浆腔，以备下次实验。
采用了上述技术方案后，本发明的有益效果如下：
由于本发明的瞬时大流量脉冲射流实验系统包括高压容器、一级缸、二级缸、脉冲射流单元和控制单元，高压容器与一级缸通过高压气路相连，一级缸与二级缸通过水路相连，二级缸与脉冲射流单元通过泥浆管路相连，脉冲射流单元包括脉冲振荡器和节流喷嘴；实验时，以高压气体作为液体流动的动力源，由高压气路向一级缸气腔提供高压气体，在控制单元作用下一级缸出水管路的电磁阀迅速开启，一级缸出水管路接通，可在毫秒级时间内实现流体静态蓄能与动态高速流动的迅速转换，一级缸气腔内的气体压力通过一级缸活塞、一级缸水腔、一级缸出水管路、二级缸水腔、二级缸活塞传递给二级缸浆腔，通过脉冲振荡器、节流喷嘴进行泥浆的脉冲射流喷射；由于是以高压气体作为液体流动的动力源，在数秒的时间内就可将一级缸内的清水、二级缸内的泥浆排出，通过脉冲射流单元实现泥浆脉冲喷射，脉冲射流时间短，泥浆排量大，不需要大型的泥浆增压泵就能完成大排量、短时间的泥浆脉冲喷射，也无需传统增压泵逐渐增压的调试过程，从而大大节约了实验时间和泥浆使用量，整个实验系统结构组成简单，易操作，占地少，用人少，实验效率高。由于是利用泥浆替代现有实验用的清水进行脉冲喷射，因而能较好模拟体现现场钻井工况。
附图说明
图1是本发明实施例的瞬时大流量脉冲射流实验系统的组成示意图；
图中：1-高压容器；21-安全阀；22-安全阀；23-安全阀；3-减压阀；41-截止阀；42-截止阀；43-截止阀；44-截止阀；45-截止阀；46-截止阀；47-截止阀；48-截止阀；49-截止阀；51-压力传感器；52-压力传感器；53-压力传感器；54-压力传感器；6-单向阀；71-一级缸；72-一级缸活塞；73-一级缸活塞密封圈；81-二级缸；82-二级缸活塞；83-二级缸活塞密封圈；9-流量调节阀；10-流量计；11-电磁阀；12-增压泵；13-脉冲振荡器；14-节流喷嘴；15-泥浆池；16-循环泵；17-控制单元；
L1-充气管路；L2-高压气路；L3-一级缸出水管路；L4-一级缸回水管路；L5-清水接入管路；L6-抽真空管路；L7-二级缸出浆管路；L8-脉冲射流管路；L9-二级缸回浆管路；L10-信号线路(图中用虚线表示)；
A-高压气体；B-清水；C-泥浆。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例做详细的非限制性说明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“连接”、“相连”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接或液压连接，可以是元件之间的直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1所示，本发明实施例的瞬时大流量脉冲射流实验系统包括：高压容器1、一级缸71、二级缸81、脉冲射流单元、控制单元17。
其中，高压容器1优选采用高压气瓶，用于盛放高压气体，高压气体优选采用高压氮气，也可以是高压空气，高压容器1内的高压气体的压力在40～50Mpa，用作液体流动的动力源。高压容器1与一级缸71相连的管路上设置有压力传感器51、安全阀21、减压阀3、截止阀42。压力传感器51用来监测高压容器1中的压力。安全阀21用来防止人为操作失误或意外工况下压力过高带来的风险。减压阀3用来把高压容器1中40～50Mpa的高压气源转化为15MPa左右(例如15±1MPa)的相对低压气源；高压容器1中的高压气体经减压阀3减压后通过高压气路L2供给一级缸71。高压容器1还连接有充气管路L1，充气管路L1上设置有截止阀41、单向阀6。
其中，一级缸71包括由一级缸活塞72分隔的一级缸气腔和一级缸水腔，一级缸活塞72与一级缸缸体之间设置有一级缸活塞密封圈73，高压气路L2的出气端与一级缸气腔连接；一级缸气腔还连接有安全阀22、压力传感器52。其中，一级缸水腔还连接有抽真空管路L6，抽真空管路L6上设置有截止阀43。
其中，二级缸81包括由二级缸活塞82分隔的二级缸浆腔和二级缸水腔，二级缸活塞82与二级缸缸体之间设置有二级缸活塞密封圈83。二级缸水腔设置有安全阀23，二级缸水腔与一级缸水腔之间通过水路连接，所述水路包括并联设置的一级缸出水管路L3和一级缸回水管路L4。一级缸出水管路L3设置有电磁阀11、流量计10、流量调节阀9、截止阀44；流量调节阀9用来调节流量，流量计10用来监测流量，电磁阀11用来实现管路中的流体在毫秒级时间内的迅速流动，电磁阀11优选采用常闭式高压电磁阀。一级缸回水管路L4设置有增压泵12、截止阀45、截止阀47，增压泵12还连接有清水接入管路L5，清水接入管路L5设置有截止阀46。其中，二级缸浆腔连接有并联设置的二级缸出浆管路L7和二级缸回浆管路L9，二级缸出浆管路L7上设置有截止阀48以及压力传感器53，二级缸回浆管路L9上设置有循环泵16、截止阀49，循环泵16与泥浆池15相连，用于将泥浆池15内的泥浆C泵入二级缸浆腔。
其中，脉冲射流单元包括设置于脉冲射流管路L8上的脉冲振荡器13和节流喷嘴14，脉冲振荡器13与二级缸出浆管路L7相连，节流喷嘴14用于将流经脉冲振荡器13的泥浆喷入泥浆池15；脉冲射流管路L8连接有压力传感器54。
其中，上述压力传感器51、压力传感器52、压力传感器53、压力传感器54、流量计10等信号采集元件分别通过信号线路L10与控制单元17电连接，用于将所采集的压力/流量信号传给控制单元17。电磁阀11与控制单元17电连接，在控制单元17作用下，实现瞬时开启或关闭。
其中，一级缸回水管路L4上的增压泵12是小流量液体增压泵，该小流量液体增压泵的流量在5±1L/min，压力在60Mpa以上。作用是在实验后把二级缸81中的水回注入一级缸71中，同时，便于实现二级缸81中泥浆的抽吸和对高压容器1中的气体进行增压，以便下次实验。
其中，高压容器1(即高压气瓶)与缸(即一级缸71，或者二级缸81)的体积比在2.25～2.5间，缸的体积在50L以上。
利用本发明实施例的瞬时大流量脉冲射流实验系统进行脉冲射流实验的方法，包括以下步骤：
灌泥浆：在泥浆池15中配制好泥浆，关闭二级缸出浆管路L7上的截止阀48，打开二级缸回浆管路L9上的截止阀49，启动循环泵16，将泥浆池15中的泥浆C灌满二级缸浆腔后，关闭循环泵16；
抽真空：抽真空管路L6外接真空泵，打开截止阀43，对一级缸水腔抽真空，避免一级缸水腔内有空气混入清水中，确保测量和控制的精确性，之后关闭截止阀43；
灌清水：打开清水接入管路L5的截止阀46，打开截止阀47，启动增压泵12，将清水B灌满一级缸水腔，之后关闭增压泵12、截止阀46、截止阀47；
灌高压气体：高压容器1的充气管路L1外接气体增压泵以及高压气源(例如高压氮气瓶)，打开充气管路L1上的截止阀41，通过充气管路L1向高压容器1灌高压气体，高压气体的压力在40～50Mpa，之后关闭截止阀41；
参数设置：调节减压阀3，进而调节高压气路L2的压力，使一级缸气腔的进气压力在15MPa左右(例如15±1MPa)；设定一级缸出水管路的流量为实验所需流量，实验所需流量范围在25～60L/s；
脉冲射流：打开截止阀42、截止阀44、截止阀48，控制单元17瞬间打开电磁阀11；高压气路L2、一级缸出水管路L3、二级缸出浆管路L7、脉冲射流管路L8分别接通，高压气路L2向一级缸气腔供气，一级缸气腔内的高压气体A的压力通过一级缸活塞72、一级缸水腔、一级缸出水管路L3、二级缸水腔、二级缸活塞82传递给二级缸浆腔，通过脉冲振荡器13、节流喷嘴14进行泥浆C的脉冲射流喷射，节流喷嘴14将泥浆喷入泥浆池15。
回灌：脉冲射流结束后，关闭一级缸出水管路L3上的电磁阀11和截止阀44；开启一级缸回水管路L4上的截止阀45和截止阀47，开启二级缸回浆管路L9上的截止阀49；启动一级缸回水管路L4上的增压泵12，将二级缸水腔内的水灌入一级缸水腔；开通二级缸回浆管路L9上循环泵16，将泥浆池15中的泥浆灌入二级缸浆腔，之后关闭截止阀45、截止阀47、截止阀49，以备下次实验。增压泵12将二级缸81中的水回注入一级缸71的同时，还起到对二级缸81中泥浆的抽吸和对高压容器1中的气体进行增压的作用，便于下次实验。
下表是利用本发明的瞬时大流量脉冲射流实验系统及其实验方法获得的实验性能参数数据。
本发明的瞬时大流量脉冲射流实验系统及其实验方法，利用氮气高压下的蓄能特性，将传统的小流量、长时间增压过程转化为本发明的大流量、短时间内的瞬时射流过程。40MPa、27℃的氮气密度约为360kg/m3，由于射流时间只有几秒，流体与管道和容器间的换热量很小，可视为无传热的等焓变化，经过等焓变化后15MPa下氮气密度约为200kg/m3，因此，当一级缸71、二级缸81的容积为100L、高压容器1的容积为230L时，高压容器1中的氮气就可维持15MPa以上的压力，把一级缸71和二级缸81中的各100L的清水和泥浆排出。为了保持恒定的流量，首先通过高压容器1出口的减压阀3形成相对稳定的泥浆驱动压力；其次，由于清水的性质比氮气和泥浆更加稳定，因此可通过流量调节阀9进一步对流量进行精确控制。电磁阀11可在1ms内迅速开启，从而实现流体由静态蓄能到动态流动的瞬间转换。震动减阻、冲击破岩提速的脉冲频率一般在20Hz以上，形成稳定脉冲流动的时间在0.2s以内，因此2s以上的流动时间，足以使泥浆在脉冲振荡器13中形成有规律的脉冲流动，测得脉冲震荡腔的性能参数。此外，由于流体流动时间控制在秒级，大大减少了泥浆的使用量，100L的泥浆量足以模拟大多数的钻井工况。
本发明的瞬时大流量脉冲射流实验系统及其实验方法，不需要传统的大型泥浆增压泵，利用氮气高压下的强压缩性，可在室内实现压力15MPa以上、流量50L/s和时间仅为数秒的泥浆脉冲射流；可在毫秒级时间内实现流体静态蓄能与动态高速流动的迅速转换，无需传统增压泵逐渐增压的调试过程，从而大大节约了实验时间和泥浆使用量；气体减压阀与液体流量调节阀的组合，可实现泥浆流量的稳定控制；最高压力为高压气瓶中的氮气压力，避免了传统方式的管道中泥浆堵塞而出现的憋压问题，提高了实验设备的安全系数；与现有实验系统相比，本发明的系统组成结构简单，方法操作易于实现，占地少、用人少，用时少，实验效率高。
以上所述为本发明较佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分皆为本领域的已知技术，本发明的保护范围以权利要求的内容为准，任何基于本发明的技术启示而进行的等效变换皆在本发明保护范围内。
Claims (10)
1.瞬时大流量脉冲射流实验系统，其特征在于，所述瞬时大流量脉冲射流实验系统包括：
高压容器，所述高压容器用于盛放高压气体；
一级缸，所述一级缸包括由一级缸活塞分隔的一级缸气腔和一级缸水腔，所述高压容器通过高压气路连接所述一级缸气腔；
二级缸，所述二级缸包括由二级缸活塞分隔的二级缸浆腔和二级缸水腔，所述二级缸水腔与所述一级缸水腔之间通过水路连接，所述水路包括并联设置的一级缸出水管路和一级缸回水管路，所述一级缸出水管路设置有电磁阀，所述一级缸回水管路设置有增压泵；所述二级缸浆腔连接有并联设置的二级缸出浆管路和二级缸回浆管路，所述二级缸回浆管路上设置有循环泵，所述循环泵与泥浆池相连，用于将所述泥浆池内的泥浆泵入所述二级缸浆腔；
脉冲射流单元，所述脉冲射流单元包括设置于脉冲射流管路上的脉冲振荡器和节流喷嘴，所述脉冲振荡器与所述二级缸出浆管路相连，所述节流喷嘴用于将流经所述脉冲振荡器的泥浆喷入所述泥浆池；
控制单元，所述电磁阀与所述控制单元电连接。
2.如权利要求1所述的瞬时大流量脉冲射流实验系统，其特征在于，所述控制单元还电连接有用于将所采集的信号传给所述控制单元的信号采集元件，所述信号采集元件包括压力传感器和流量计，所述一级缸出水管路设置有所述流量计，所述高压容器、所述一级缸、所述二级缸、所述脉冲射流单元分别连接有所述压力传感器。
3.如权利要求1所述的瞬时大流量脉冲射流实验系统，其特征在于，所述高压气路、所述一级缸、所述二级缸分别设置有安全阀。
4.如权利要求1所述的瞬时大流量脉冲射流实验系统，其特征在于，所述一级缸出水管路设置有流量调节阀。
5.如权利要求1所述的瞬时大流量脉冲射流实验系统，其特征在于，所述一级缸水腔还连接有抽真空管路。
6.如权利要求1所述的瞬时大流量脉冲射流实验系统，其特征在于，所述高压气体是高压氮气或者高压空气，所述高压容器内的所述高压气体的压力在40～50Mpa，所述高压气路设置有减压阀，经所述减压阀减压后的压力在15±1MPa。
7.如权利要求1所述的瞬时大流量脉冲射流实验系统，其特征在于，所述增压泵是小流量液体增压泵，所述小流量液体增压泵的流量在5±1L/min，压力在60Mpa以上。
8.如权利要求1所述的瞬时大流量脉冲射流实验系统，其特征在于，所述电磁阀是常闭式高压电磁阀。
9.如权利要求1所述的瞬时大流量脉冲射流实验系统的实验方法，其特征在于，所述实验方法包括以下步骤：
灌泥浆：所述循环泵将所述泥浆池中的泥浆灌入所述二级缸浆腔，灌满；
灌清水：所述增压泵连接有清水接入管路，通过所述增压泵和所述清水接入管路，将清水灌入所述一级缸水腔，灌满；
灌高压气体：所述高压容器连接有充气管路，通过所述充气管路向所述高压容器灌高压气体，所述高压气体的压力在40～50Mpa，所述高压气体是高压氮气或者高压空气；
参数设置：调节所述高压气路的压力，使所述一级缸气腔的进气压力在15±1MPa，设定所述一级缸出水管路的流量为实验所需流量；
脉冲射流：所述高压气路向所述一级缸气腔供气，所述控制单元控制所述电磁阀开启，所述一级缸出水管路接通，所述一级缸气腔内的气体压力通过所述一级缸活塞、所述一级缸水腔、所述一级缸出水管路、所述二级缸水腔、所述二级缸活塞传递给所述二级缸浆腔，通过所述脉冲振荡器、所述节流喷嘴进行泥浆的脉冲射流喷射。
10.如权利要求9所述的瞬时大流量脉冲射流实验系统的实验方法，其特征在于，所述实验方法还包括以下步骤：
回灌：开通所述一级缸回水管路，通过所述增压泵，将所述二级缸水腔内的水灌入所述一级缸水腔；开通所述二级缸回浆管路，通过所述循环泵，将所述泥浆池中的泥浆灌入所述二级缸浆腔。
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