基于拉法尔喷嘴的超临界二氧化碳射流流场结构及破煤机理研究

The borehole collapsed easily when drilled with water jet in coal bed, which could be prevented by using super critical carbon dioxide (SC-CO2) jet instead of water jet. Besides, it could increase drilling velocity and keep drilling stability. To enhance coal breakage effect, improving impact energy of SC-CO2 jet with Laval nozzle was necessary. The primary content of the project was as follows. Thermodynamics state equation of SC-CO2 jet would be developed to figure out the phase change of SC-CO2 in Laval nozzle and free jet. Then formation and develop law of SC-CO2 jet and its effective factor would be clear. The optimal Laval nozzle structure was also confirmed. How SC-CO2 affected the porosity structure and saturability of coal would be analyzed to develop stress wave equation and its propagation law in coal seam. And the energy dissipation mechanism would be clear when SC-CO2 jet impacted coal. To analyze the mechanism of coal breakage, the energy dissipation and energy release mechanism when SC-CO2 jet impacted coal with various impact frequency and impact energy would be studied.

采用超临界CO2射流钻井可避免水射流在煤层中钻井时容易造成的塌井等问题，且能提高钻井速度，维持井壁稳定性。为进一步增强超临界CO2射流冲击破煤效果，本项目提出采用拉法尔喷嘴提高射流冲击能量。拟开展以下研究：建立超临界CO2相平衡热力学状态方程和拉法尔喷嘴内、自由射流段的相态变化模型；揭示超临界CO2射流形成发展规律以及关键因素的影响规律，优化拉法尔喷嘴结构。分析超临界CO2对煤体孔隙结构和饱和度的影响，建立超临界CO2射流冲击煤体应力波波动方程，分析应力波在煤体传播规律，确定冲击过程中煤体能量耗散机制，分析不同冲击能量及频率条件下煤体单元耗散能变化及能量释放机制，揭示超临界CO2射流破煤机理。

采用水射流等传统钻井工艺在松软煤层中钻井过程中，水侵入煤体导致煤体强度和井壁稳定性降低，容易出现塌井导致煤层气开采效率降低。为此，本项目提出采用超临界CO2射流辅助钻，提高钻井速度，维持井壁稳定性。开展了以下研究：研究了超临界CO2射流流场结构，分析了射流参数、环境参数和喷嘴结构对流场结构的影响；建立了超临界CO2射流冲击煤体应力波传播方程，研究了煤体内应力波传播规律，建立了统一能量屈服准则，明确了超临界CO2射流冲击应力波有效作用范围；分析了射流压力、环境压力等关键参数对破煤状态的影响，揭示了超临界CO2射流破煤机理。并得出了以下主要结论：（1）基于超临界CO2等压比热和比热比，建立了超临界CO2状态参数计算模型，编译了UDF程序，采用ANSYS Fluent对超临界CO2射流流场结构进行了结算，该模型能够精确捕捉CO2相变点处的参数阶跃，准确表征超临界CO2射流流场结构。（2）超临界CO2射流以膨胀波和压缩波交替发展的形式形成流场结构，具有明显的波动结构；喷嘴结构是控制流场结构的重要因素，相比圆锥收敛型喷嘴，拉法尔喷嘴能够更好的控制流场结构，形成更高冲击性能的射流；（3）拉法尔喷嘴膨胀比n是评判射流流场结构的关键参数，当n = 1.31时，射流结构最好。（4）超临界CO2射流冲击压力场具有多压力峰分布特征，位于滞止区的压力峰值最高，沿径向距离增大压力次峰群的峰值减小、峰间距离增大。（5）基于修正的biot多孔介质的理论，建立了超临界CO2射流冲击破煤过程中的球面波传播控制方程，结合统一能量屈服准则，得出煤体内部产生新表面需要的最小能量为6.8×10-7J。（6）超临界CO2射流破煤过程中具有明显的CO2相变致裂作用，CO2相变产生的拉应力能够促进原生裂隙贯通、体积增大，并促生新裂隙，使煤体破坏时产生粉末状煤颗粒。