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液氮射流應用基礎研究 版權信息
- ISBN：9787030717306
- 條形碼：9787030717306 ; 978-7-03-071730-6
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
液氮射流應用基礎研究 內容簡介
《液氮射流應用基礎研究》系統介紹了液氮在石油工程領域應用的基礎理論與實踐，匯集了液氮在鉆井與完井方面的*新研究成果。《液氮射流應用基礎研究》共七章，分別介紹液氮的基本物性及在石油工程領域的應用和壓裂技術發展概況、液氮對巖石的低溫致裂特征、液氮與巖石間的傳熱特性、液氮射流流場及破巖特征、液氮在管柱內的流動傳熱、液氮對生產管柱力學性能的影響、液氮壓裂裂縫起裂及擴展特征等內容。
液氮射流應用基礎研究 目錄
目錄
叢書序
序
前言
**章 緒論 1
**節 液氮的基本物性 1
第二節 液氮在石油工程領域的應用 3
一、在鉆井中的應用 3
二、在完井中的應用 5
第三節 液氮壓裂技術發展概況 8
一、現場應用概況 8
二、理論研究概況 10
參考文獻 13
第二章 液氮對巖石的低溫致裂特征 15
**節 干燥巖石物性及微觀結構變化 15
一、物理及力學性質變化 15
二、孔隙結構變化 19
三、產生損傷差異的成因 23
第二節 飽水巖石物性及微觀結構變化 24
一、力學性質變化 25
二、孔隙結構變化 26
第三節 高溫巖石物性及微觀結構變化 29
一、巖石溫度的影響 29
二、巖石巖性的影響 36
三、液氮循環冷卻影響 44
參考文獻 50
第三章 液氮與巖石間的傳熱特性 51
**節 液氮淬火冷卻巖石表面傳熱特征 51
一、實驗裝置與方法 51
二、液氮沸騰模式的轉變 56
三、LFP溫度的意義及其影響因素 59
第二節 巖性及表面形貌對傳熱的影響 63
一、不同巖性的實驗結果對比 63
二、巖石表面復雜形貌的影響 64
第三節 液氮淬火傳熱的可視化分析 67
一、可視化實驗 67
二、淬火前緣的產生和移動 68
三、淬火過程的數值模擬分析 70
參考文獻 78
第四章 液氮射流流場及破巖特征 81
**節 液氮射流流場及傳熱特征 81
一、液氮自由射流流場特征 81
二、渦結構演化及傳熱特征 89
第二節 液氮射流破巖特征 98
一、液氮射流破巖試驗 98
二、液氮射流破巖特征 100
三、射流參數影響規律 107
第三節 巖石損傷的力學機制分析 110
一、多場耦合方法 110
二、模型與參數設置 112
三、應力響應分析 115
第四節 液氮磨料射流破巖特征 124
一、試驗裝置與試驗準備 124
二、試驗結果與分析 129
三、參數影響規律 137
參考文獻 143
第五章 液氮在管柱內的流動傳熱 145
**節 液氮圓管內對流換熱特性 145
一、實驗裝置與方法 145
二、液氮對流換熱規律 152
三、液氮對流換熱度預測準則式 157
第二節 液氮壓裂井筒換熱規律 163
一、井筒溫度分布計算模型 163
二、井底流體溫度與換熱規律 165
第三節 液氮壓裂施工模式 167
一、液氮壓裂泵注程序 167
二、管柱預冷液氮損耗量計算 170
參考文獻 173
第六章 液氮對生產管柱力學性能的影響 174
**節 管材強度變化規律 174
一、試驗準備 174
二、試驗方案 175
三、不同條件下管材強度 176
第二節 管材韌性變化規律 181
一、沖擊韌性試驗 181
二、斷裂韌性試驗 186
第三節 管材力學性能變化微觀分析 190
一、試驗儀器與試件制備 190
二、試驗結果與分析 190
第七章 液氮壓裂裂縫起裂及擴展特征 196
**節 液氮壓裂裂縫起裂特征 196
一、液氮壓裂試驗裝置與方法 196
二、液氮壓裂型煤 199
三、液氮壓裂高溫花崗巖 204
第二節 液氮壓裂裂縫形態特征 209
一、液氮壓裂型煤 209
二、液氮壓裂高溫花崗巖 212
第三節 液氮壓裂多場耦合及巖石損傷特性 216
一、液氮壓裂熱-流-固耦合模型 216
二、液氮壓裂熱-流-固耦合與巖石損傷特征 220
三、液氮壓裂的造縫機理與優勢 223
參考文獻 224
叢書序
序
前言
**章 緒論 1
**節 液氮的基本物性 1
第二節 液氮在石油工程領域的應用 3
一、在鉆井中的應用 3
二、在完井中的應用 5
第三節 液氮壓裂技術發展概況 8
一、現場應用概況 8
二、理論研究概況 10
參考文獻 13
第二章 液氮對巖石的低溫致裂特征 15
**節 干燥巖石物性及微觀結構變化 15
一、物理及力學性質變化 15
二、孔隙結構變化 19
三、產生損傷差異的成因 23
第二節 飽水巖石物性及微觀結構變化 24
一、力學性質變化 25
二、孔隙結構變化 26
第三節 高溫巖石物性及微觀結構變化 29
一、巖石溫度的影響 29
二、巖石巖性的影響 36
三、液氮循環冷卻影響 44
參考文獻 50
第三章 液氮與巖石間的傳熱特性 51
**節 液氮淬火冷卻巖石表面傳熱特征 51
一、實驗裝置與方法 51
二、液氮沸騰模式的轉變 56
三、LFP溫度的意義及其影響因素 59
第二節 巖性及表面形貌對傳熱的影響 63
一、不同巖性的實驗結果對比 63
二、巖石表面復雜形貌的影響 64
第三節 液氮淬火傳熱的可視化分析 67
一、可視化實驗 67
二、淬火前緣的產生和移動 68
三、淬火過程的數值模擬分析 70
參考文獻 78
第四章 液氮射流流場及破巖特征 81
**節 液氮射流流場及傳熱特征 81
一、液氮自由射流流場特征 81
二、渦結構演化及傳熱特征 89
第二節 液氮射流破巖特征 98
一、液氮射流破巖試驗 98
二、液氮射流破巖特征 100
三、射流參數影響規律 107
第三節 巖石損傷的力學機制分析 110
一、多場耦合方法 110
二、模型與參數設置 112
三、應力響應分析 115
第四節 液氮磨料射流破巖特征 124
一、試驗裝置與試驗準備 124
二、試驗結果與分析 129
三、參數影響規律 137
參考文獻 143
第五章 液氮在管柱內的流動傳熱 145
**節 液氮圓管內對流換熱特性 145
一、實驗裝置與方法 145
二、液氮對流換熱規律 152
三、液氮對流換熱度預測準則式 157
第二節 液氮壓裂井筒換熱規律 163
一、井筒溫度分布計算模型 163
二、井底流體溫度與換熱規律 165
第三節 液氮壓裂施工模式 167
一、液氮壓裂泵注程序 167
二、管柱預冷液氮損耗量計算 170
參考文獻 173
第六章 液氮對生產管柱力學性能的影響 174
**節 管材強度變化規律 174
一、試驗準備 174
二、試驗方案 175
三、不同條件下管材強度 176
第二節 管材韌性變化規律 181
一、沖擊韌性試驗 181
二、斷裂韌性試驗 186
第三節 管材力學性能變化微觀分析 190
一、試驗儀器與試件制備 190
二、試驗結果與分析 190
第七章 液氮壓裂裂縫起裂及擴展特征 196
**節 液氮壓裂裂縫起裂特征 196
一、液氮壓裂試驗裝置與方法 196
二、液氮壓裂型煤 199
三、液氮壓裂高溫花崗巖 204
第二節 液氮壓裂裂縫形態特征 209
一、液氮壓裂型煤 209
二、液氮壓裂高溫花崗巖 212
第三節 液氮壓裂多場耦合及巖石損傷特性 216
一、液氮壓裂熱-流-固耦合模型 216
二、液氮壓裂熱-流-固耦合與巖石損傷特征 220
三、液氮壓裂的造縫機理與優勢 223
參考文獻 224
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液氮射流應用基礎研究 節選
**章 緒論 **節 液氮的基本物性 液態氮氣(簡稱液氮)是一種性能優越的深度制冷劑，其基本物性如表1-1所示。液氮無色無臭，密度和黏度均低于水，無腐蝕性，不支持燃燒，具有極強的化學惰性，一般不與其他物質發生反應。氣態氮氣(本書簡稱氮氣)在空氣中的體積占比達78.03%，是大氣的重要成分之一。在工業中，液氮通常采用壓縮空氣分餾的方法制備。將空氣凈化處理后，在加壓和降溫的環境下對其進行液化，借助空氣中不同組分間的沸點差異實現液氮的分離。 表1-1 液氮的基本物性 注：1atm表示1個大氣壓，1atm=1.01325×105Pa。 具有超低溫是液氮重要的物性之一。如圖1-1所示，在一個標準大氣壓條件下液氮的沸點約為–196℃，臨界溫度約為126K，三相點溫度約為63K。在與固體接觸時，液氮與固體之間形成較高的溫度梯度，誘導產生熱應力，引起固體結構變形，劣化固體材料的力學性質，甚至對其造成破壞。此外，液氮易揮發，具有較強的膨脹增壓作用，常壓下液氮自由汽化，其體積可膨脹696倍。 圖1-1 氮氣的三相圖 基于上述獨*的物性，液氮被廣泛應用于生物、醫學、食品、電子以及冶金等各個工業領域當中。 (1)在生物技術領域，液氮常被用于各種生物組織、細胞和胚胎等樣本的長期冷藏保存，利用液氮營造合理的低溫環境，可延緩甚至停止生物樣本的新陳代謝，從而達到生物樣本長期有效保存的目的。 (2)在醫學領域，液氮則被廣泛應用于病變組織的治療方面。在液氮超低溫作用下，病變組織細胞內結冰，局部血液循環受到阻礙，同時伴隨有蛋白復合物的變性，*終使病變組織壞死，達到病變組織去除和治療的目的。 (3)在電子工業領域，液氮可被用作超導體的制冷劑，以液氮代替液氦作為超導制冷劑使超導技術真正走向了大規模的開發應用。此外，在集成電路的生產過程中，高純度氮氣還可被用作化學反應氣的攜帶氣、惰性保護氣和封裝氣等。 (4)在食品工業領域，液氮可實現食品低溫深冷的超速冷凍，使食品部分玻璃化，*大限度地“鎖住”食品原本的營養成分和新鮮狀態，提升了食品的品質。相對于其他冷凍技術，液氮速凍方法具有冷凍速度快、食品品質高、物料干耗小和設備成本低等優點。 (5)在冶金工業領域，液氮被用于進行金屬材料的深冷改性處理，通過低溫促使金屬內殘留奧氏體向馬氏體轉變，引導內部超細碳化物析出，提升材料的綜合力學性能和使用壽命。 (6)此外，液氮還常被應用于工件切削加工領域。低溫切削是利用液氮噴向加工系統的切削區域，造成切削區域局部低溫或超低溫狀態，利用工件在低溫條件下產生的脆性，提高工件的切削加工性、刀具壽命和工件表面質量。 第二節 液氮在石油工程領域的應用 在石油工程領域，氮氣及液氮是兩種重要的工作流體，在油氣鉆井、完井及地熱儲層的壓裂改造方面具有廣泛的應用。本節將重點針對液氮在鉆井與完井兩方面的工程應用進行介紹，以便更清晰地了解液氮在本領域的重要作用。 一、在鉆井中的應用 1. 氮氣鉆井技術 如圖1-2所示，氮氣鉆井是以氮氣作為鉆井循環流體的一種鉆井方法，屬于氣體鉆井技術的一個重要分支。氮氣鉆井對儲層傷害小，有利于發現和保護油氣層，增加油氣產量，對于易漏失、水敏和低壓地層具有良好的適用性。氮氣鉆井技術已在我國遼河油田、勝利油田和新疆油田的多個區塊得到了廣泛應用，在復雜油氣層鉆井提速和防漏治漏等方面發揮了不可代替的作用。 圖1-2 氮氣鉆井典型井場及工藝示意圖[1] 相對于傳統水基鉆井液鉆井方法，一方面，氮氣鉆井可在井底形成負壓欠平衡，避免井底巖屑的“壓持效應”和重復破碎，大幅提高機械鉆速，縮短建井周期，節約鉆井成本；另一方面，氮氣鉆井井筒壓力相對較低，可有效抑制裂縫性地層鉆井液的惡性漏失行為。此外，氮氣惰性極強，與烴的混合物不可燃，可有效防止地面及井下燃爆發生。因此，相對于空氣欠平衡鉆井技術，氮氣鉆井技術是一種更加安全高效的鉆井方式。 2. 低溫鉆井技術[洪純陽1] 氮氣欠平衡鉆井在未固結或固結程度較低的疏松地層不具備適用性。其主要原因是氮氣鉆井過程中井筒壓力較低，井壁穩定性難以得到維持，鉆井過程中會發生嚴重的井壁失穩和垮塌事故。另外，氣體鉆井過程中井底處于欠平衡狀態(井筒壓力低于地層孔隙壓力)，地層水會大量涌入井筒，需要耗費大量的氮氣對井筒內的液體進行舉升和驅替，降低氮氣鉆井的效率。為實現未固結含水地層的安全、綠色、快速鉆進，美國能源部(DOE)對多項“環境友好”的鉆井技術進行了資助研究，低溫鉆井技術便是其中之一。 低溫鉆井技術起源于20世紀70年代，以低溫液氮或低溫氮氣(簡稱低溫氮)作為鉆井循環工質進行鉆井和破巖，如圖1-3所示。在低溫鉆井過程中，低溫氮可對井壁巖石孔隙內的流體產生凍結作用，增強井壁的固結程度和穩定性的同時，在井壁內形成一道“冰墻”，有效地解決了氮氣鉆井中地層流體大量涌入井筒的難題。除油氣鉆井領域，低溫氮凍結還在礦井開挖和隧道盾構等領域有著廣泛的應用，原理與低溫鉆井類似，故在此不再贅述。 圖1-3 低溫鉆井技術示意圖[2][2][洪純陽3] 3. 高壓液氮射流輔助鉆井技術 深部油氣及地熱儲層具有埋深大、巖石硬度高、研磨性強、可鉆性差、溫度高、裂縫發育等特點，相較于淺部地層環境更加復雜、施工難度更大，鉆井鉆速低、周期長、成本高等問題突出。基于這一背景，作者提出了一種利用高壓液氮射流進行深鉆提速的新方法[3]。該方法以低溫液氮作為鉆井流體，通過井底增壓裝置調制形成高壓液氮射流，對井底巖石進行高速沖擊破碎，具體實施方案如圖1-4所示。通過雙層隔熱鉆柱的絕熱內管將低溫液氮輸運至井底，液氮經過井底高壓射流發生裝置增壓后，高速噴射破碎巖石；鉆柱絕熱內管與外管間環空中通入空氣，增強鉆柱絕熱能力，防止絕熱內管液氮急劇升溫汽化；空氣通過井底鉆柱側向出口流出，對返流的液氮及井壁進行回溫調節，防止井壁巖石過冷損傷。 圖1-4 高壓液氮射流輔助鉆井技術示意圖 高壓液氮射流輔助鉆井技術目前仍處于室內研究階段，尚未進行現場應用。該方法耦合了射流沖擊和低溫致裂的雙重作用機制，一方面，射流沖擊作為一種高效的強化傳熱方式，可大幅增強巖石與液氮之間的對流換熱系數，提升巖石內熱應力尺度及冷沖擊致裂效果；另一方面，冷沖擊裂縫可大幅弱化井底硬巖力學性質，降低硬巖的破碎門限壓力。高壓液氮射流輔助鉆井有望大幅降低硬巖破碎難度，提高深井機械鉆速，在深地資源高效勘探開發方面具有廣泛的應用前景。 二、在完井中的應用 水力壓裂是非常規油氣儲層改造的重要手段，然而隨著人們環保意識的增強，水力壓裂所面臨的問題日益凸顯：①水力壓裂耗水量巨大，頁巖氣等非常規儲層壓裂的單井用水量達上萬立方米，這使水力壓裂在干旱國家和地區的作業成本陡增，很大程度上限制了水力壓裂的大規模推廣和應用；②壓裂液中含有大量的化學添加劑，壓裂過程中這些化學物質極易進入地下水層，造成地下水的污染；③非常規油氣儲層低孔、低滲特征明顯，且黏土礦物含量普遍偏高，水力壓裂可能會引起嚴重的水鎖和水敏傷害，造成黏土礦物膨脹，堵塞孔喉，阻礙油氣的流動與開采。 目前，水力壓裂技術在部分國家和地區開始受到不同程度的限制。美國的佛蒙特州已正式立法禁止水力壓裂在該州作業，紐約州也正在呼吁立法對水力壓裂加以限制。在這種情況下，各國的技術人員都在積極研發水力壓裂的替代技術，以實現非常規油氣資源的綠色高效開采。在此背景下，近年來出現了多種適用于非常規油氣儲層的無水壓裂技術，如泡沫壓裂、液態二氧化碳(CO2)壓裂、液化石油氣(LPG)壓裂及液氮壓裂技術等。 無水壓裂技術的研究和應用*早可追溯至20世紀70年代，當時以氮氣壓裂和液態CO2壓裂為主。LPG壓裂技術現場應用相對較晚，在2009年才首次實現。相對于其余無水壓裂技術，LPG壓裂液體體系成本昂貴，施工安全系數較低，因此在一定程度上限制了該方法的推廣。相對于LPG、液態CO2等無水壓裂技術，氮氣的性能更加穩定，來源更加廣泛，施工安全系數更高，因此更適合作為水基壓裂液的替代流體，在無水壓裂領域得到了廣泛的關注和應用，并先后形成了氮氣壓裂、液氮伴注泡沫壓裂和液氮壓裂等不同形式的無水壓裂技術。 1. 液氮伴注泡沫壓裂 液氮伴注泡沫壓裂是將液氮與凍膠液混合之后注入井內進行壓裂施工的一種技術，工藝圖如圖1-5所示。壓裂施工時，由于液氮會汽化，與壓裂液中的發泡劑等聚合物混合形成泡沫，降低液體壓裂的密度，提高液體的返排速率。相對于常規水基壓裂液，液氮伴注泡沫壓裂液具有濾失小、造縫能力強、裂縫穿透深度大等優勢，可有效提升裂縫尺度，增強裂縫的導流能力。另外，由于液氮伴注泡沫壓裂液中液相較少，加之氮氣在井下的膨脹增壓作用，可有效實現井下壓裂液的增能，有利于壓裂液的返排，可減少壓裂液返排不徹底對地層造成的二次污染。 液氮伴注泡沫壓裂的主要技術特點如下[4]。 (1)壓裂液黏度高(一般大于50mPas)，液體濾失量小，具有良好的攜砂性能，支撐劑的沉降速度僅為常規水基壓裂液的1%～10%。 (2)摩阻損失小，較清水壓裂液的摩阻降低40%～60%，有利于提升壓裂效率，增大人工裂縫的長度。
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