头脉冲试验（精选三篇）
头脉冲试验 篇1
针对以上问题,基于射流附壁和切换原理,设计了一种射流脉冲三通。通过试验 对射流脉 冲三通的 特性进行 了初步验证。
1射流脉冲三通工作原理和结构设计
1.1射流脉冲三通工作原理
康达效应 (Coanda Effect)亦称附壁 作用或柯 恩达效应。 流体(水流或气流)有离开本来的流动方向,改为随着凸出的物体表面流动的倾向。当流体与它流过的物体表面之间存在表面摩擦时,流体的流速会 减慢。只要物体 表面的曲 率不是太 大,依据流体力学中的伯努利原理,流速的减缓会导致流体被吸附在物体表面上流动,亦称附壁作用[9]。
根据附壁作用可知,当射流在两壁面之间流动时,由于壁面的存在限制了射流卷吸的范围,导致壁面与射流之间产生干涉,又由于射流自身几 何结构存 在着微小 不对称性 和流动紊 乱,两侧壁面和射流之间产生的干涉效果将不对称,从而引起射流两侧产生压力差,压力差将推动射流附壁在一侧壁面,高速射流会发生偏转并将最终稳定地贴附一侧壁面[10,11]。设想如果设法改变两侧压力差,使得两侧压力差周期性变化,那么射流方向就会周期性偏转,达到振荡出流的效果。
图1为射流附壁切换示意图,结构2的左右两端用一段软管连接作为控制道,射流的振荡通过控制道传递压力信号,改变射流两侧压力差。如图1(a)所示,假设射流进入振荡元件时首先附壁于振荡元件左侧,此时左侧分离漩涡产生的压力小于右侧分离漩涡产生的压力,由于控制管连通着左右两侧,射流在控制道左侧产生的负压传递到右侧,作用于射流的右侧,使得左端的分压漩涡逐渐增大,压力差也逐渐增加,如图1(b)所示。等到压力差增加到一定程度,将使得射流脱离附壁点而偏转,附壁在振荡元件右侧,如图1(c)所示。如此循环往复,将在射流脉冲元件的两个出口产生振荡水流。
注:1-主射流;2-控制流;3-分离漩涡;4-附壁点。
1.2射流脉冲三通基本结构
本文构建如图2所示的射 流脉冲三 通,主要结构 包括喷嘴、控制道、分流劈和输出道等,喷嘴后设置一定的位差,两侧壁面设置一定的张角。
注:b-输出道直径;D-控制道宽度;H-劈距;R-分流劈半径;S-位;W -喷嘴宽度;θ-侧壁倾角;1-射流入口;2-喷嘴;3-控制管;4-分流;5-输出道;6-射流出口Ⅰ;7-射流出口Ⅱ。
2试验材料与方法
2.1试验材料与装置
为便于观察射流三通内部水流状态,采用透明有机玻璃加工,用塑料软管连通两端控制口,形成控制道。
试验在江苏大学喷灌大厅内进行,试验时大厅环境温度为4~5 ℃,相对湿度为50%~60%。实验装置包括2大系统:一是供水系统;二是测试系统。供水系统包括水箱、单相自吸式泵、管路、管路阀门、出水口阀门、出水口。测试系统包括管路、 滴灌带、压力表、电磁流量计、接水盘和量筒。试验所用射流脉冲三通和普通三通的结构参数见表1。
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试验装置示意图见图3。
注:1-水箱;2-进水管;3-回水管阀门;4-回水管;5-水泵;6-出水口;7-三通进水口压力表;8-左侧滴灌带压力表;9-三通;10-右侧滴;11-滴灌带;12-接水盘;13-滴头。
2.2试验方法
本试验主要考察2方面内容。
(1)在不连接滴灌带的情况下,研究射流脉冲三通的进口压力、脉冲频率及流 量等特性,并与普通 三通进行 对比分析。 试验方法如下:在射流脉 冲三通和 普通三通 的进口分 别施加20、30、40、50、60kPa压力,观察2种三通出口流态,测试出流量,记录射流脉冲三通的脉冲振幅、频率。
(2)在连接滴灌带的情况下,研究与射流脉冲三通相连接的滴灌带,在不同压力下的脉冲频率、脉冲振幅、流量、灌水均匀度和流量偏差率[12,13]等,并与普通三通进行对比分析。试验方法如下:截取2条长度为60m的滴灌带,直径为16mm,滴头额定流量为2.2L/h,滴头间距0.3 m。首先将2条滴灌带的入口与1个普通三通的2个出口分别连通,在三通进口分别施加20、35、50、65、80kPa压力,测试滴灌带入口压力与流量, 在滴灌带上间隔10个滴头测试一个滴头的流量,每条滴灌带测试21个滴头的流量,计算灌水均匀度和流量偏差率。然后拆下普通三通,换上射流脉冲三通,进行同样的测试与计算,同时记录脉冲频率。
3结果与分析
3.1不连接滴灌带情况
不连接滴灌带情况下射流脉冲三通的出流效果见图4。试验中可观察到射流脉冲三通的左右出口水流交替出流,按照一定频率规律性地附壁与切换,呈现振荡出流现象。而普通三通2个出口均为稳定出流状态,未观察到波动现象。
在不接滴灌带的情况下,三通的进口压力和频率的关系见表2。
由表2可知,射流脉冲 三通的脉 冲频率为180~240次/ min,随压力的增加而增加;射流三通的进口压力也有波动。普通三通没有脉冲频率,其进口压力也不变化。
射流脉冲三通和普通三通的进口压力与流量的关系见图5。由图5可知:射流脉冲三通和普通三通的左右侧流量均随进口压力的增大而增大,且变化趋势一致;在相同的进口压力下,射流脉冲三通的左右侧出口流量均小于普通三通的流量。
3.2连接滴灌带情况
经试验得到了在连接滴灌带情况下的压力、振幅、频率及流量的关系,结果见表3。
在连接滴灌带的情况下,因为射流脉冲三通的振荡效果,滴灌带进口压力是变化的,滴灌带进口压力的最大与最小值为脉冲振幅。在相同进口压力下,左右两侧的脉冲振幅和流量相同。
射流三通的滴灌带进口压力是变化的,且随着三通进口压力的增大压力振幅也在增大,普通三通的滴灌带进口压力则没有振幅变化;左右侧出口流量随滴灌带进口压力的脉冲振幅增大而增大;相同进口压力下,射流三通的流量要小于普通三通的流量。
试验得到左右两 侧滴灌带 的滴头流 量沿程分 布情况见 图6。
由图6可知:在不同进口压力条件下,射流脉冲三通和普通三通的滴头流量在滴灌带沿程都是逐渐减小的。
3.3射流三通与普通三通的滴灌带流量均匀性分析
根据图6的数据,分别计算和绘制出灌水均匀度和流量偏差率与滴灌带进口压力的关系曲线,见图7。
由图7可以看出,普通三通和射流脉冲三通的灌水均匀度随着压力的增大而提高。20~80kPa进口压力下的射流脉冲三通的均匀度比普 通三通分 别提高0.75%、1.29%、1.58%、 1.92%、1.99%。射流脉冲三通在35~80kPa工作压力下提高灌水均匀性比较明显,均大于1%,在20kPa工作压力下提高效果不明显。由此可以得出,射流脉冲 三通在35~50kPa低压范围内能够保持较好的灌水均匀度,在大于50kPa工作压力下具有较高的灌水均匀度[14,15]。流量偏差率随着压力的增大而减小,20~80kPa进口压力下的射流脉冲三通的流量偏差率[16]比普通三通分别降低3.73%、6.36%、8.17%、10.17%、 10.76%。射流脉冲三通在35~80kPa工作压力 下降低流 量偏差率比较显著,均大于5%,在20kPa工作压力下降低效果不明显。可以得出,射流脉冲三通在35~80kPa工作压力下, 有利于降低滴灌带的流量偏差率提高灌水均匀度。
注:横坐标为左右两端滴灌带沿程长度位置,0为三通位置;纵坐标为滴头流量。
4分析与总结
本文设计了一种射流脉冲三通滴灌灌水系统,通过射流脉冲三通和普通三通的对比试验,验证了射流脉冲三通能够提高滴灌灌水均匀度、降低流量偏差率。
通过本文的试验研究,得出以下结论。
(1)在不连接滴灌带的情况下,射流脉冲三通的左右侧出口流量均比普通三通小;射流三通有明显的振荡现象,出水口流量有脉冲变化,而普通三通没有这种现象。
(2)在连接滴灌带的情况下,射流脉冲三通2个出口能够产生强烈的振荡水流,并在滴灌带内形成了具有一定脉冲频率与振幅的脉冲水流,而普通三通没有此现象。在相同的三通进口压力下,射流三通的 滴灌带流 量均小于 普通三通 的滴灌带 流量。
(3)在两端连接滴灌带的情况下,射流脉冲三通在35~80 kPa工作压力下 灌水均匀 度比普通 三通分别 提高0.75%、 1.29%、1.58%、1.92%、1.99%。
高压脉冲试验机控制策略仿真的研究 篇2
1 压力脉冲试验机的建模
在液控压力伺服控制系统中, 为了节省工作空间, 及密封简单、输出大等特点, 一般采用非对称增压压缸。在非对称增压缸中, 由于非对称缸存在无杆腔、有杆腔有效工作面积不相等, 等结构上的差异, 使得缸正反运动时造成如压力、流量、液压固有频率等特性的不同, 导致不易控制, 其主要表现在换向压力控制过程中无法柔性的控制过度而造成的压力突跳问题、压力随增压缸压力放大倍数的增加, 越容易出现的超调现象、上升时间和稳态误差难以控制等方面。在实际测试中可以发现, 经过非对称增压缸增压后的压力输出曲线并不对称, 曲线基本是前陡后平。而在非对称减压缸中, 压力输出曲线和正好相反。这就可以证明增压缸在两个方向上系统的动态特性不一致, 从而使得活塞在进行正向以及反向运动过程中所对应的函数存在不一致, 因此, 需要分别建立正负两个方向上的数学模型。
以下是通过阀控非对称增压缸的动态特性以及数学公式推导得出的y>0 时工件强压P4与阀芯位移Xv的系统传递函数:
同理可以推出y<0 时工件压强P4与阀芯位移Xv的系统传递函数为:
其中:ω 为综合固有频率;ζ 为综合阻尼比;Kq为阀口线性化流量系数;A为对应的活塞面积;a、b、c均为管道压力参数;K为弹性负载系数;Kh为有效体积弹性模量的系数;Kce为缸总的漏损系数。
2 控制策略的设计及仿真
根据前面所建立并描述的数学模型可知, 高压脉冲伺服控制系统在其模型组成的结构上属于典型的非线性时变系统。在面对不同的工况时, 系统模型所对应的内部参数会相应的有所调整, 而在承受不同的负载压力下, 内部参数也有所差别。除此之外, 整个模型还会受到元件内部的泄露、滞环、温度等其他因素的干扰和影响, 因此, 在实际中实验过程中, 系统很难保持良好的预期性能。
试验机的工况随实验压力、实验频率、测试容积的变化而变化, 所以需要控制策略具有自适性、鲁棒性。PID控制算法的应用在工业控制过程中相对广泛, 并且应用中表现更为灵活, 也具有一定的抗干扰能力。但本文前面已经得出, 在压力脉冲伺服系统中, 增压缸的数学模型伴随着伺服阀阀芯的位移即Xv>0, Xv<0 时, 对应的活塞位移有y>0, y<0 两种。单一的PID控制器就理论上来讲就已经无法满足同时对两种模型的控制需求这是造成在高压、高频环境下压力脉冲试验机压力输出曲线输出无法满足要求的最主要原因。
因此, 本文采取双独立PID结合模糊逻辑组合成自适应模糊PID这种复合的控制方式取代原先的单独PID控制, 作为控制的改进方法。就理论上来讲这种复合控制方式可以满足前文对于模型压力控制的精度要求, 并且在不同的实验压力、频率以及测试容积等工况下也有着很强的自适应能力。
3结语
头脉冲试验 篇3
我们所采用的启裂装置, 通过不同的多种复合炸药进行优化组合匹配, 在燃烧后会温度迅速升高、压力短时间内极聚增大, 可以说控制难度极大, 我们必须要让它们在井下装置中得到有效控制和有序地释放, 这样才能形成多个有效的、连续的、可控制的高压脉冲群, 使井筒周围地层产生和形成径向的有规律的多裂缝体系, 从而对地层实施多次连续高压冲击加载压裂作业, 实现降低启裂压力的目的和良好的效果。
2 压裂点火装置的设计
针对辽河油田井区所开展的研究的全隔断式延时控制点火装置, 主要想要解决的问题, 就是合理控制好压裂能量。压裂点火装置的工作原理, 就是要通过延长对地层脉冲加载压裂的起效时间, 从而能够达到针对不同种类、不同燃烧速度、不同成分的各种药型, 或同一药型不同装药结构的合理的配装和使用, 从而实现更合理、更有效的延时控制引燃, 保证多脉冲多级控制的得到合理的实现, 从而进一步提高压裂的控制效果和压裂参数。
这种装置主要由辅助点火药、起爆组合药、点火组合药、喷火管、本体、延时点火药、等组件组成。这种装置的工作原理分为四个环节:一是燃烧转化为爆轰, 二是爆轰传递过程, 三是转为燃烧, 四是多组合延时喷火, 这四个过程不断循环往复, 形成整个的工作流程。由于延时点火药能够有效控制延迟点火时间, 通过喷火管的喷出, 就能有效地保证有足够长的喷火距离和点火压力, 从而完成延时点火引燃下级辅助点火。这四个过程虽然是各分不同阶段, 但在实际上是一个连续的过程, 就像一个作功的流程, 通过延时点火, 能够达到控制点火的延时控制效果。
这种装置有以下主要技术特点:
(1) 确保能够实现延时控制, 延迟点火时间;
(2) 时间连续可控, 并且根据需要进行调整;
(3) 能够多组合使用;
(4) 通过隔断引燃, 保证中心火不会串连到其它点火流程;
(5) 性能可靠、安全有效。
(6) 能够使时间延迟500～1000毫秒;
(7) 实现调整控制延时时间;
(8) 在高温达到200℃、压力50Mpa情况下可以正常工作。
3 井下枪身装置
井下枪身装置主要包括控制点火系统、引爆系统、多种复合药系统等构成。引爆系统一般采用相对比较安全的底火作为引火装置, 这样就能够保证点火的可靠性和稳定性。这种控制点火的系统一般是延时设计, 能够通过有效控制多级点火药得到逐级点燃, 能够控制多级复合药型的逐级、分段燃烧, 从而保证多级复合药的连续和持续燃烧, 使各种能量得到充分地释放和利用, 能够满足脉冲压力不同种类、不同功效的需要。
4 对枪身强度的技术需求
设计中所采用的泄气管为N80材料的4“油管, 下接尾堵, 上面连接撞击起爆器装置, 中间装有压裂药, 它的设计强度主要是要计算出精确的螺纹牙强度。
如, 泄气枪身螺纹牙采用T型扣Tr90×4螺纹, 根据:
螺纹牙剪切条件:
螺纹牙的弯曲条件:
安全系数:2.5
螺纹牙受剪切许用载:251t
弯曲许用载荷:262t
泄气管壁耐压为:182.2MPa
这时可以算出作用在连接尾堵的最大载荷为115.85t, 远远小于许用载荷 (表1) 。
5 地面模拟与现场试验
5.1 模拟实验的工作效果
多脉冲压裂装置控制点火和多级推进剂燃烧装置经过试制成功, 但能否在应用中起到设计的效果, 能否达到可操作性和可靠性的预期, 需要现场进行实验。我们在选择在地面靶场进行模拟试验中, 通过选用多种不同材料类别的点火药配方和不同燃烧速度和类型的双基、复合类火药进行综合实验, 所采用的实验总装药量是8.5k g, 每种药分别为4.5kg、2kg、1kg、1kg, 燃速分别是5m/s、10m/s、15 m/s、20 m/s, 将它们进行匹配组合后, 分四组进行综合试验。其中有一个实验照片显示, 靶直径400m, 高600m m, 模拟装药1.2kg分两级压裂, 模拟靶产生3条主裂缝, 延时设计为200～360m s, 基本形成1200夹角。通过实验, 效果良好。所以我们可以确定, 这种装置的整体结构设计是基本合理, 符合现场工作要求的, 它的点火控制系统能够按设计工艺进行引燃, 性能也比较安全和可靠, 能够达到设计工艺和现场施工的技术和安全环保要求, 能够在油田范围进行推广和应用。
5.2 现场应用实例
辽河油田某区块油井, 岩性为细砂岩, 电测解释结果为低油, 压裂井段2773.8-2785.5m, 射孔孔密为16孔/m。我们在进行第一次压裂过程中, 对压裂井段进行8孔/m的补孔作业, 通过泵车启动后, 排量达到0.1-0.3m3/min, 泵压最高52MPa, 这时无法压开地层, 此次压裂没有成功完成。经过对方案的再次分析和研究, 我们在第二次压裂中, 放置了46kg的总装药量, 并进行了多脉冲加载破岩启裂措施, 通过将两级延迟时间分别设定为500毫秒、800毫秒, 峰值压力最高确定为90M P a。在这种情况下, 组织人员进行压裂现场施工, 泵压的参数值设定等不同的规格, 排量设计为3.8-4.1-3.6m3, 平均砂比达到15.9%, 此次压裂施工十分顺利, 并获得圆满成功, 压开后日增油7.9t/d。
6 结论
(1) 我们通过地面的模拟试验, 证明这种装置的整体结构设计合理、可行、可靠, 能够达到预期效果; (2) 此装置是一项技术领先并且具有较强破岩能力的新技术, 在油气井的压裂现场应用前景十分广阔。由于它可产生多次的高压脉冲波, 所以该井下装置可在井筒较长、较多, 情况较为复杂的的径向产生微小的裂缝, 从而能够降低启裂的压力, 有效减少污染的发生; (3) 井下枪身装置、全隔断式延时点火装置设计符合现场需求, 科学、合理, 能够保证复合炸药的多次、有序、分层释放, 对于节能和环保都有很强的参考价值。
摘要：本文主要针对辽河油田地区高裂缝启裂泵压等现象进行分析, 对部分岩性坚硬, 井部分应力较为集中、井筒附近污染、孔眼弯曲摩阻等原因所引起的情况进行综合分析, 研究了井下多脉冲加载破岩启裂装置, 对全隔断式延时点火装置的结构及井下枪身装置进行综合分析, 对枪身强度进行了校核和计算, 通过进行模拟试验和现场应用, 取得了较好的实验效果, 可以进行推广。
关键词：脉冲,压裂,装置,分析,研究
参考文献
[1]张阳春, 杨志康, 郭东.石油钻采设备., 2000, 8
