（石油与天然气工程专业论文）稠油振动降压注汽工艺技术研究.pdf

t e c h n i c a lr e s e a r c ho fh e a v yo i lv i b r a t i n gd e p r e s s u r i z a t i o n a n ds t e a mi n je c t i o n at h e s i ss u b m i t t e df o r t h ed e g r e eo f e n g i n e e r i n gm a s t e r c a n d i d a t e ：l u oj i e s u p e r v i s o r ：p r o f p uc h u n s h e n g c o l l e g eo f p e t r o l e u me n g i n e e r i n g c h i n a u n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：壁趁 日期：声彬年月罗日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者 指导教师签名 ) 订户l 磊么纱f7 卯x 谚步 日期：2 0 1 1 年石月移日 日期：二o ，f 年月g 日 摘要 振动降压解堵注汽工艺技术研究是针对孤东油田稠油井注汽压力高、注汽效果差的 现状而开展研究的。设计了新型x a p j 2 井下低频水力震源，包括振动器规格、振动器 相关指标、振动器弹簧、振动器参数计算步骤、以及编成及数据分析等。然后对设计好 的新型x a p j 2 井下低频水力震源进行室内效果评价，可知技术参数已经达到了预期的 设计要求；振源对套管作用后产生的应力不会对套管产生破坏作用；振源振动时存在一 个最佳注入压力和最大输出功率，振源最大输出功率可达1 8 k w ：振源振动的频率为 1 2 h z 。该工艺以大功率井下振源为手段，在并下产生大功率液流冲击波，对油层堵塞物 进行松动，同时配合相应的振动液对堵塞物溶蚀和稠油降粘，辅助后期反排措施，综合 作用解除注汽井近井地带堵塞、降低稠油粘度，从而降低高压井注汽启动压力，达到提 高注汽质量、提高注汽效果的目的。 该项技术现场应用1 2 口井，有效率1 0 0 ；施工前后对比，视吸水指数上升了1 3 7 l ( r a i n m p a ) ；与上轮注汽对比，注入压力下降2 1 m p a ，注入干度提高3 7 8 ，温度提 高3 3 。开井1 0 口，单井日液2 3 5 t ，单井日油6 o t ，含水7 4 5 ，单井生产周期5 2 d ， 阶段产油2 5 2 8 8 t 。 关键词：振动器；振源；最佳注入压力；启动压力 t e c h n i c a lr e s e a r c ho fh e a v yo i lv i b r a t i n gd e p r e s s ur i z a t i o n a n ds t e a m i n je c t i o n l u oj i e ( o i l & n a t u r a lg a se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f p uc h e n s h e n g a b s t r a c t t h er e s e a r c ho fv i b r a t i o nd e p r e s s u r i z a t i o nb r o k e nd o w ns t e a mi n j e c t i o nt e c h n o l o g yi s a i m i n gf o rt h eb a dp r e s e n ts i t u a t i o no fg u d o n go i lf i e l dh e a v yo i lw e l lh i g hs t e a mi n je c t i o n p r e s s u r ea n dl o we f f e c t d e s i g n e dn e wt y p ex a p j 一2d o w n h o l ei o w - 缸q u e n c yh y d r a u l i c s e i s m i cs o u r c e ，i n c l u d i n gv i b r a t o rs p e c i f i c a t i o n 、v i b r a t o ra s s o c i a t e di n d e x 、v i b r a t o rs p r i n g 、 v i b r a t o rp a r a m e t e rc a l c u l a t i o ns t e pa n dd a t aa n a l y s i se c t t h e nd os a m el a b o r a t o r ye x p e r i m e n t a b o u tn e wt y p ex a p j - 2d o w n h o l el o w - f r e q u e n c yh y d r a u l i cs e i s m i cs o u r c ew h i c hh a sb e e n d e s i g n e d f r o m r e s u l to ft h ee x p e r i m e n t , t h et e c h n o l o g yp a r a m e t e r sh a v ea r r i v e dt h e p r o s p e c t i v ed e s i g nd e m a n d s t h es t r e s sg e n e r a t e df r o mv i b r a t i o ns o u r c ee f f e c t e dc a s ew o u l d n o td e s t r o yt h ec a s e ；w h e nt h ev i b r a t o ri sw o r k i n g ，t h e r ei sab e s ti n j e c t i o np r e s s u r ea n da p e a kp o w e ro u t p u t t h ep e a kp o w e ro u t p u tc o u l dr e a c h18 k w ；t h ef r e q u e n c yo fv i b r a t i o ni s 12 h z t h et e c h n o l o g yt h r o u g hh i g h - p o w e rd o w n h o l ev i b r a t i o ns o u r c e ，p r o d u c eh i g h - p o w e r f l u i df l o ws h o c kw a v ed o w n h o l e ，l o o s e n i n gt h eb l o c k a g ei nr e s e r v o i r , a tt h es a m et i m e c o r r e s p o n d e n tv i b r a t i o nf l u i dc o r r o s i o nt h eb l o c k a g ea n dr e d u c t i o nh e a v yo i lv i s c o s i t y , a s s i s t l a t e rs t a g ei n v e r t e dd r a i n ，s y n t h e s i sl o o s e n i n gt h es t e a mi n j e c t i o nw e l ln e a rw e l l b o r ea r e a b l o c k a g e ，r e d u c t i o nh e a v y o i l v i s c o s i t y ，t h e nd e c r e a s e t h es t a r t - u p p r e s s u r e i n l l i g h - p r e s s u r ew e l l r e a c ht h ea i mt oi n c r e a s et h es t e a mi n j e c t i o nq u a l i t ya n dt h es t e a m m j e c t i o ne f f e c t t h i st e c h n o l o g yu s ei n12w e l la tf i e l d ，e f f e c t i v er a t ei s10 0 a o m p a r e d 谢mb e f o r e o p e r a t i o n ，a p p a r e n tw a t e ri n j e c t i v ei n d e xi n c r e a s eb y1 3 7 l ( r a i n m p a ) c o m p a r e dw i t h b e f o r es t e a mi n j e c t i o n ，嫡e c t i o np r e s s u r ed e c r e a s e d2 1 m p a , t h ei n j e c t i o nd r y n e s se n h a n c e 3 7 8 ，t h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e3 3 c o p e n e d1 0w e l l s ，s i g n a lw e l ld a i l yf l u i dp r o d u c t i o n r a t e2 3 5 t , s i g n a lw e l ld a i l yo i lp r o d u c t i o n6 。o t ，m o i s t u r ec o n t e n t7 4 5 ，s i g n a lw e l l p r o d u c t i o nc y c l e5 2 d , s t a g eo i lp r o d u c t i o n2 5 2 8 8 t 。 k e y w o r d s ：v i b r a t o r , v i b r a t i o ns o u r c e ，o p t i m u mi n j e c t i o np r e s s u r e h 目录 第一章绪论1 1 1 研究的目的与意义1 1 2 研究的内容和你解决的关键问题1 1 3 振动采油技术国内外研究现状2 1 3 1 振动采油国内外技术现状：2 1 3 2 振动波发生器国内外技术现状5 第二章大功率低频脉冲波发生器水动力学特性研究9 2 1 水力脉冲波发生器数学模型的建立与求解9 2 1 1 运动过程分析9 2 1 2 活塞运动方程的建立9 2 1 3 摩擦力的计算1 1 2 1 4 重力及弹簧力的计算一1 5 2 1 5 运动微分方程的建立1 6 2 1 6 井下大功率脉冲波发生器数学模型的求解18 2 2 其它水动力学参数计算j 1 9 2 2 1 水头损失的计算19 2 2 2 - 最高允许注入压力确定一。2 3 2 2 3 水力脉冲波发生器实际工作压力及出口最大流量计算2 4 2 2 4 井下大功率水力脉冲波发生器液压输出功率、水力功率及射流冲击力计算2 5 第三章x a p j 2 水力脉冲波发生器的设计与制造3 2 3 1 设计思路3 2 3 2 新型x a p j 2 井下低频水力脉冲波发生器工作原理3 2 3 3 脉冲波发生器参数设计一3 3 第四章新型井下脉冲波发生器室内效果评价4 0 4 1 试验内容4 0 4 1 1 试验目的4 0 4 1 2 试验原理。4 0 4 1 3 试验流程4 1 4 2 试验结果及分析一4 2 1 1 1 第五章现场试验4 7 5 1 稠油区块地质特征及开发现状4 7 5 2 矿场试验4 8 5 2 1 现场试验目的及选井条件4 8 5 2 2 振动解堵施工工艺设计4 8 5 2 3 现场稠油工艺应用情况5 0 结论与讨论：5 5 参考文献：5 6 致谢。：5 9 i v 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究的目的与意义 孤东油田的稠油断块有7 个，地质储量为3 2 5 9 1 0 4 t 。受到动用程度差，油稠与亏 空程度低等多种因素的影响，使得这一部分井注汽压力普遍偏高，注汽难度大，注汽效 果差从2 0 0 8 年至今的注汽井中，3 2 口井注汽压力高，占总井的1 7 3 。这3 2 口井年平 均注汽3 5 次，较其它井注汽次数多；6 8 d 左右为一个周期，一年停产1 9 5 d 左右，与其 他生产井相比，生产周期短，停产周期长。不利于提高稠油产量，并且施工作业费用增 多，油气比降低，开采慢，回报率低。目前孤东油田稠油断块总的采出程度仅为3 3 ， 正装区块的采出程度较高，也只有5 6 。有以下2 方面的表现： ( 1 ) 相对于丰富的地质储量，稠油井的采出程度较低。储层外围储量动用较少， 开采潜力大。 ( 2 ) 4 个整装块的开采程度差别很大，最高的为1 5 5 ，最低的为o 3 。稠油粘 度高，孤东油田储层发育条件差，需要注汽开采，所需压力较高，所以效果不理想。导 致开采程度较低。 为解决注汽井高压的问题，我们对原因较简单和压力中等的部分井进行了先期试 验，取得了一定的效果，但由于注汽降压技术有限，降压幅度较低，总体效果不很理想。 且采用水泥车挤降粘剂，降粘剂用量大，热损失大，处理效果差。注汽高压井治理，在 工艺技术上有待于进行一步研究和改进。 利用井下可控振源进行振动解堵后，可以有效提高注汽效果，降低注汽压力，从而 提高稠油开采水平，提高稠油开采效果。 本文针对孤东油田注汽过程中的上述问题，将振动采油技术用于稠油注汽。研制适 用于注汽井振动解堵降压的大功率井下可控振源，并通过室内实验进行振动参数设计， 提出注汽井振动解堵降压工艺现场实验方案，在油田现有装备和工艺技术条件下实现低 频振动脉冲解堵降压。对因近井地带堵塞或因油稠而注入压力高、注汽困难的井，通过 振动脉冲解除地层堵塞，降低注汽压力，提高注汽效果，从而解决孤东油田注汽压力普 遍偏高，注汽难度大，注汽效果差的问题，实现孤东稠油油藏的低成本高效开采。 1 2 研究内容和拟解决的关键问题 研究内容： 第一章绪论 ( 1 ) 通过调研查阅国内外有关波动采油技术以及与之配套的设备的大量文献，认 识并深入了解振动采油技术； ( 2 ) 设计脉冲波发生器模型，建立相关动力学数学模型并进行动力学特征研究； ( 3 ) 根据机械原理、机械设计等一系列相关知识，结合井下水力振动器的工作原 理，设计制造井下大功率低频脉冲波发生器： ( 4 ) 对井下大功率脉冲波发生器进行室内效果评价和现场试验分析。 关键问题：输出功率和工作频率的控制符合现场要求。 1 3 振动采油技术国内外研究现状 波动采油技术由于工艺简单、成本低、不伤害油层和不污染环境，越来越受到国内 外的广泛重视。 美国、前苏联等国家自上世纪5 0 年代便开始了振动采油技术的研究工作，到8 0 年代得到了迅速发展。我国上世纪9 0 年代开始这项技术的研究，并先后在吉林、辽河、 克拉玛依、中原等油田的低渗油藏增产增注中获得应用。 1 3 1 振动采油国内外技术现状 波动处理油层【卜7 】是一种先进的原油增产技术，具有相当大的使用价值及较好的发 展应用前景，可以应用于： ( 1 ) 油井增产通过振动波对油层进行激励处理，可改善地层物性，提高近井地 带的渗透率，使油流向声源方向流动，提高原油产量。 ( 2 ) 压裂造缝振动波作用于地层，可使地层岩石发生弹性振动。当岩石的弹性 应力超过其疲劳极限时，岩石就会产生微裂缝，从而提高泄油能力j 增大油流通道，起 到增产效果。 ( 3 ) 降粘降凝降粘是开采稠油工艺中的重要环节。降粘方法通常有化学方法、 加热方法及磁方法来进行降粘，但这些都有各自的局限性：耗能多、成本高、效果差。 声波的振荡作用一般其降粘幅度在2 5 3 0 以上，可以较大幅度地降粘，不仅简单方 便，而且效率高。玉门油田进行了2 3 口井的降粘实验，已初见成效。成都换能所在华 北油田进行了声波降粘实验，降粘率为4 0 8 0 。而且胶质沥青质含量愈多，粘度愈 高，粘度下降愈明显。且当声波处理强度大于1 0 0 k w m 2 时，下降后的粘度不再逆转。 ( 4 ) 水井增注利用振动波的冲击振荡作用，可以改善地层的吸水剖面，提高注 入速度及注水效率。 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 ( 5 ) 降低油井含水振荡作用可以降低油井含水。 ( 6 ) 提高油田的最终采收率振动波具有穿透力强的机械振动作用，在固体、液 体介质中传播方向性好，传播距离远等特点，所以利用振动波处理油层能疏通油流通道， 提高渗透率，降低毛管张力，促进油气水的流动，改变油层液体的性质和流态，提高油 层的泄油能力，进而提高最终采收率。 振源作为振动采油技术现场应用的关键设各，包括井下水力振源，人工地面震源， 超声波振源等。现有的这些增产设备普遍存在能量利用率低( 如人工地面震源) ，功率 小( 如井下水力振源) ，有效作用半径小( 如超声波振源，有效作用半径只能达l - - - 2 c m ) 结构复杂等缺点，从而限制了振动采油技术的进一步推广应用。 9 0 年代以来水力振动在俄罗斯( 前苏联) 1 s - 1 2 1 广泛应用，其处理近井地带效果较好。 振动器的频率在发展的过程中一直保持在较低的水平( 3 5 时，两表面间缝隙中弹性流体流动符合雷诺方程。根据本文水力脉冲波发 第二章大功率低频脉冲波发生器水动力学特性研究 生器设计要求可知膜厚比远远大于5 ，因此缝隙间弹性流体符合雷诺方程。 由于工作液为水或酸液体系，所以可认为是不可压缩流体。因此对于不可压缩流体， 直角坐标系中根据纳维一斯托克斯方程可得： jl 二 j 0j l 占 r l 图2 2 水平缝隙流动示意图 f i 9 2 - 2 t h ed i a g r a m eo f h o r i z o nf l o wg a p s 一吉篆+ 吖窘+ 等+ 争 _ 等+ u z 等+ u y 考v - x 地警一万瓦w l 丽+ 矿+ j 2 言 云 砂栅：言 一三竺：o p0 y 唱一三娑_ ， p 比 ( 2 6 ) 式中尸一活塞两端压力差； “一在压力作用下液体的流动速度； p 一液体的密度； 万一缝隙宽度。 液体在y 、z 方向压力梯度为o ，因此誓：警= o ，同时由于缝隙流动属于稳定 流，所以誓= o ，即可得竽+ u x 誓= o ，由于缝隙很小，因此z 方向重力可忽略不 讲 o t c 计，即g ：= 0 。将上述条件代入( 2 - 6 ) 中1 式，可得： ( 等心 亿7 ， 式中 = 户y 。 因压强p 沿坐标z 方向为常量，p 不是z 的函数，因此对式( 2 7 ) 进行两次积分， 可得流速公式。 1 2 ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) 下液体的p o i s e u i l l e 其满足的边界条件：( 1 ) z = o ，u = 0 ；( 2 ) z = 西“= 0 ； 代入边界条懦( 1 ) 。= c 2 ；( 2 ) o _ - 等州，隅c 。= 篆，c 2 = 0 o 于是得： u ：一丝+ 丝z( z - 1 u ) = 一一+ 一z kj 2 2 方程( 2 1 0 ) 中u 即为水平环形缝隙中压差作用下液体的p o i s e u i l l e 流动速度。 在具有相对运动的平行面缝隙中附加速度，即液体的c o u e a e 流动速度： 扰，：一u z ( 2 1 1 ) 其中u 为活塞运动速度。 所以在相对运动缝隙中流体总速度为： “一：“十“，：一生+ 笪z + 一u z ( 2 - 1 2 ) 2 2 巧 同心环缝处活塞内外壁面的剪应力为： 铲掣 ( 2 1 3 ) 叫刮鲥 旺。 根据式( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 可得： 同心环缝处活塞内外表面的摩擦力大小为： 乃= 蒯剖：对 ( 2 1 4 ) 第二章大功率低频脉冲波发生器水动力学特性研究 = 蒯旧+ 爿 式中，一活塞长度，m ； d 一活塞直径，m ； 一流体粘度，p a s 。 从上述推导可看出：活塞的运动为周期性的往复运动，每一周期可分为四个运动过 程。由于每个过程中压差和速度方向都不一样，因此每个过程中活塞受到的摩擦力的大 小和方向各不相同。向左运动时，压差方向与速度方向相同，向右运动时，压差方向与 速度方向相反。 ( 1 ) 运动第一阶段摩擦力 从活塞下端面到泄流孔位置。这一部分所受的压力差主要来自于活塞缸内不断升 高的液压，因此此部分环缝液体流速包括速度压差速度“和附加速度u ，其摩擦力大小 为： 小肛k 嚆+ 约 协 从泄流孔位置到活塞缸上端面。这一部分环缝的上下两端没有压差，因此流体仅 为附加速度u ，其摩擦力大小为： f i n s = 刀 ( 1 - l , ) d ：等 ( 2 1 6 ) 式中 u 一活塞的运动速度，m s 。 一从小孔到y 轴距离，m ； x 一活塞的横坐标，m 活塞内侧壁所受摩擦力为一个整体，摩擦力大小为： f = ：= , u n 2 d 1 愕+ 司 式中厶为活塞总长。 ( 3 ) 运动第二阶段摩擦力 第二阶段摩擦力是从泄流孔处活塞运动速度为零时。其外侧面所受摩擦力为活塞右 端面与外筒接触的那部分长度所受摩擦力，即： 1 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 f r 0 3 = l l z t ( 1 却：心+ 爿 协 其内侧壁摩擦力同上。 ( 4 ) 运动第三阶段摩擦力 当活塞处于运动第三阶段时，活塞向右运动摩擦力的方向向左，其外侧面摩擦力大 小为： f r a 3 = 1 l r ( 1 却：愕+ 司 协 内侧面摩擦力为： f r 0 2 = l i z t t ：d i 旧+ 纠 协2 7 ， ( 5 ) 运动第四阶段摩擦力 当活塞处于运动第四阶段时，活塞右端面重新将泄流孔堵死，重新回到起始位置。 外侧面摩擦力为： f m l = a z c ( 1 。却：岛+ 爿 协2 ) 厶。= 万( f z ，p ：等 ( 2 2 2 ) 内侧面摩擦力大小同上。 2 1 4 重力及弹簧力的计算 活塞主要由两部分组成：一部分为右端的圆筒，直径较小；另一部分为左端面，直 径较大。设活塞的体积为v ，所受的重力为g y = 万佗一干k + 万皓一，1 2 ：一z ，) ( 2 2 3 ) g = p f g v 式中 厂2 一活塞外表面半径，m ； 吒一活塞内表面半径，m ； 吩一活塞头半径，m ； 毛一活塞下端圆筒长度，m ； p ，一钢的密度，k g m 3 。 弹簧力则遵循虎克定律：f = 一4 k x 第二章大功率低频脉冲波发生器水动力学特性研究 脉冲波发生器便用的弹黄规格较大，属于圆彤截回材料的圆柱压缩弹黄，其刚度系 数的计算公式口8 】为： 七= 竺8 d 3 , n ， ( 2 2 4 )-_ 式中g 一弹簧材料切变模量( k g f m m 2 ) ； d 一弹簧材料直径，m m ； 。 d 2 一弹簧的中径，m m 。 则 珂= 器 式中 ，2 一弹簧的工作圈数； 五二弹簧变形大小，m m ； f 一弹簧轴向载荷。 2 1 5 运动微分方程的建立 ( 1 ) 向左运动第一阶段 将上述各力表达式带入式( 2 1 ) 可得： 咖州，删：x ( - 曩+ 守帕。) 等删 心j 6 + 守4 舡协2 5 ， 上式中口为活塞的加速度，u 为活塞的速度，因为口：i d z 了x ，u ：害，所以上式可 dldt 整理得： 万d 2 x + ( c 1 x + c ：) 妄+ c 3 x + c 4 = o ( 2 - 2 6 ) c 1 ：一照 式中 1 p ，飚 。 c 2 。磊p 2 1 + d l l 2 ) 二4 k c 3 2 p ：v 一昙死已万( c + 矾) 一只彳。 q = i 广 式( 2 2 6 ) 即为脉冲波发生器在活塞运动的第一阶段的运动微分方程。 ( 2 ) 运动第二阶段 1 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 窘+ ( c l 肿c d x + c 5 x + c = 。 ( 2 2 7 ) 4 k + 三积，j ，6 式中c 5 = 尹 一1 鸩8 ( a ：+ d 。) 一忍么。 c = j 万一 忍为活塞运动第二阶段活塞下断面所受压力，根据水击理论可得 式中 1 ，一液体压力波波速，m s ； “，一脉冲波发生器内液体流速，如s 。 ( 3 ) 运动第三阶段 窘+ ( c l 石+ c 2 ) 面d x + c s x + c 6 = 。 像2 8 ) ( 4 ) 第四运动阶段 b 为第四运动阶段的活蓉卜瑞回雎力： 则第四阶段的运动方程为： 窘+ ( c l 舯c d x | + c ，x + c 3 = o ( 2 2 9 ) 一昙，以万p ：+ d 。) 一只彳。 其中c 7 = 7 厂一 根据上述对井下大功率水力脉冲波发生器活塞运动四个过程的受力分析及相关运 动方程的推导，我们可以建立起水力脉冲波发生器的运动数学模型： 厂窘+ ( c ，x + c 2 ) 鲁+ g x + 巴= o f 窘+ ( c l h c ：) 瓦d x + g h c 6 - o 、窘一( c ，x + c ：) 瓦d x + c 5 x + c 6 = 。 l 窘_ ( c l z + c 2 ) 妄+ c 7 x + c 。= 。 ( 2 - 3 。) 1 7 第二章大功率低频脉冲波发生器水动力学特性研究 活塞处于静止状态。 y ，l o = 0 立l ：0 ( 2 - 3 1 ) 西l ，1 0 2 1 6 井下大功率脉冲波发生器数学模型的求解 上述模型属于二阶微分方程组，目前还难以利用解析方法进行求解。本文选用四阶 r u n g e k u t t a 法对其进行数值求解。该方法为显示的自开始的方法，精度较高能够满足 一般工程设计的要求，易于改变步长和编制程序。 四阶r u n g e k u t t a 法【3 9 】解二阶微分方程的过程如下： 对二阶微分方程的初值问题： p ： 厂g ，y ：? ) 7 ( 2 - 3 2 ) i y g ) = 口，y 0 ) = 令z = y ，则可化为下述一阶方程组的初值问题： 陟= z z = g ，y ，z 【y ( 口) = 口，z ) = 初值问题的数值解为： 其中： y 叭咄+ 丢瓴+ 2 屯+ 2 岛+ ( 2 - 3 3 ) 。= 乙+ 昙瓴+ 2 ，z ：+ 2 聊3 + m 4 ) 所：= 可( + 宝”每射譬) ， 妒矽h 兰”等射等) ， 。m 4 = 矿g 。+ 厅，+ 岛，乙+ 掰3 l k l = h z 。， 屯= 办( 乙+ 等) ， 铲矗( z 。+ 詈) ， ( 2 3 3 ) 式中求出的y 州就是二阶微分方程的数值解。 1 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 2 2 其它水动力学参数计算 2 2 1 水头损失的计算 流体从油管流入水力脉冲波发生器有一段距离，并且流体流量一般要达到十几到几 十立方米4 , 时，因此这段距离流体的存在沿程阻力损失。 1 沿程水头损失的计算 由于紊流的复杂性，圆管内沿程水力摩阻尚不能从理论上很完善的解决。人们普遍 应用经验公式进行求解，并取得了较好的结果。通过因次分析可得管路沿程水头损失的 计算通式【3 8 】为： ， 办，：旯兰兰( 2 3 4 ) 。d 2 9， 式中 办，一沿程水头损失； 三一油管长度； 旯一沿程阻力系数； d 一油管直径： v 一油管内流速，单位为m s 。 沿程损失系数a 的值与管流雷诺数r e 和壁面的相对粗糙度d 有关，即 旯= f ( r e ，a d ) 。其中，雷诺数是判别流体流动状态的标准。从沿程水头损失计算公式 得出，求水头损失的问题归结为求不同流态下的水力摩阻系数允( 它是雷诺数与管壁相 对粗糙度的函数) 的问题。 先利用下式【3 8 】计算雷诺数来判别流态，然后通过表3 1 经验公式计算不同流态下的 旯。 r 。= , , d v ( 2 3 5 ) 式中r e 一雷诺数； 1 ，一油管内流速，单位为m s ； d 一油管内直径，单位为m ； y 一流体的运动粘度，单位为r l l s 。 一般地，油田现场常采用下面的公式【1 4 】来计算雷诺数： 1 9 动力学特性研究 的求法 t a b l e 2 - 1t h ew a yt oc a l c u l a t er e s i s t a n c ec o e f f i c i e n t ( 2 - 3 6 ) 流态类别 r e 范n 卜百a = 了2 a 常用的经验公式 层流 r e 2 0 0 0 a = 6 4 r e 水力光滑2 0 0 0 r e 1 1 ) p ：= ( - o 0 2 7 1 1 + 0 0 0 3 0 3 q ) 2 0 1 ”9 5 ) p ：= ( - 0 0 3 1 5 0 + 0 0 0 3 7 3 q ) 2 ( 9 5 抄8 5 ) p ：= ( - o 0 7 2 7 0 + 0 0 0 4 6 6 q ) ( 8 5 矿 7 5 j p ：2 ( - o 0 0 5 1 5 + 0 0 0 6 8 8 q ) 2 ( 7 5 归6 ) ( 2 - 4 5 ) p ：= 【- 0 0 7 9 0 0 + 0 0 0 7 9 2 q ) ( 6 4 5 ) p ：= ( - o 0 8 7 1 5 + 0 0 0 1 8 6 7 q ) 2 ( 4 5 3 5 ) p ：= 【- 0 0 1 4 6 9 + 0 0 2 1 4 3 q ) 。( 3 5 2 7 ) p ：= 【o 1 7 4 0 0 0 + 0 0 0 4 2 1 8 q ) ( 2 7 2 1 ) p ，= ( o 0 1 2 0 0 0 + 0 0 7 1 8 7 q ) 2 2 1 ) 式中西一水嘴直径，m m ； 9 一为注入量，m 3 h 。 ( 3 ) 静液柱压力 管柱静液柱压力p 片 p h = 9 8 1 0 。 ( 2 4 6 ) 式中p 一静液柱压力，m p a ； 日一层位中部深度，m ； p 一液相相对密度，无因次。 2 2 3 水力脉冲波发生器实际工作压力及出口最大流量计算 ( 1 ) 脉冲波发生器工作压力 令脉冲波发生器工作压力为p ，脉冲波发生器出口压力为p 。，油气井注入压力为 p ，井底原始压力为p 。，静水柱压力p 日，沿程压力损失p 少，注入压差为卸注。由伯 努利方程可得： 旦+ 立：旦+ 立+ r 兰( 2 - 4 7 ) p g2 9p g2 9 1 2 9 式中v 。一流体在脉冲波发生器泄流孔处的流速； v 一流体在井筒中的流速。 将连续性方程v 。彳。= v a 代入( 3 - 3 9 ) 式可得： 2 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 由于0 。a ) 2 的值很小，这里可认为其值为零，于是： ( 2 - 4 8 ) ( 2 - - 4 9 ) 根据力的平衡又可得： 6 p = p f + p 一p 挣一p 。 ( 2 5 0 ) p ，= p 。一p 月+ z x p ( 2 5 1 ) 其中p 的值可参考室内实验结果确定，所得注入压力p ，的值应小于最高允许注入 压力。 最后将( 2 4 8 ) 、( 2 4 9 ) 、( 2 5 1 ) 式联立即可求得脉冲波发生器工作压力为： p ：芝旦竺掣童盘 ( 2 睨) ( 2 ) 脉冲波发生器最大出口流量 脉冲波发生器最大出口流量应与单位时间内地层吸液量相匹配。根据地层吸液 指数、最佳注入压差可得到单位时间内地层的吸液量，那么脉冲波发生器最大出口流量 应与单位时间内地层吸液量近似一致。即： q 懈= 卸注l ( 2 - 5 3 ) 式中三一地层吸液指数，m 3 ( h m p a ) ； 卸注一注入压差，m p a 。 2 2 4 井下大功率水力脉冲波发生器液压输出功率、水力功率及射流冲击力计算 水力脉冲波发生器液压输出功率为水力脉冲波发生器腔体输出流体的压力和泵流 量的乘积】。即 - p o = p q r l ( 2 5 4 ) 式中p 一流体输出压力，p a ； 9 一泵输出流量，m 3 s ： ，7 一液压缸效率，一般取0 8 , - - 0 9 5 。 水力脉冲波发生器水功率可分为瞬时水功率和平均水功率。脉冲波发生器的瞬时水 第二章大功率低频脉冲波发生器水动力学特性研究 功率是脉冲波发生器瞬时所产生的水力功率，在泵压一定的情况下，瞬时水功率为一定 值。而平均水功率是指单位时间内流体通过泄流孔时的所消耗的水力功率，平均水功率 随着施工参数的变化而变化。 1 水功率的计算 根据水力学原理，脉冲波发生器水功率的计算公式为： n o = 镑洲，= 笳 5 式中q 一流经泄流小孔的平均流量； 红一流经泄流孔的瞬时最大流量； 2 射流冲击力的计算 4 5 1 如果我们用只表示射流打击力，其值可用下面的公式计算： 只= 1 = m ym m -