摘要：为加快"双梯度钻井系统关键技术研究及应用"国家重点研发计划项目的实施,研究设计了满足深海天然气水合物开采特殊工况的φ79 mm固液混输轴流泵,基于传统的升力与流线法两种主流的泵叶设计方法进行了多参数叶轮设计。选用Particle多相流模型进行水合物固液两相流数值模拟,对比分析了两种造型方法下的叶轮特性。通过研究不同半径处叶片表面静压以及叶片表面固相体积分布,预估了两种轴流泵在变流量下的性能。选择基于流线法设计的轴流泵为优选方案,进一步研究其在变颗粒直径和变体积分数工况下的固液两相流的流动特征。研究结果表明:基于流线法设计的轴流泵叶片扬程与效率更适合实际开采工况需求;随着颗粒直径和体积分数的逐渐增大,基于流线法设计的轴流泵叶片表面固相体积分数明显提升,导致扬程下降。研究结果对于固液混输轴流泵进一步的优化设计及现场应用具有一定的参考作用。

摘要：为提升固态流化开采中喷嘴对天然气水合物的射流破碎效率,推动固态流化开采规模化、商业化应用,基于CFD和现有单喷嘴射流破碎实验结果,开展了射流压力、收缩段长度和喷嘴直径对锥直形单喷嘴射流速度分布的影响规律研究,并建立了固态流化单喷嘴破碎水合物深度预测新模型。研究结果表明:(1)锥直形喷嘴射流核心段长度与喷嘴直径呈正相关关系,而与射流压力、收缩段长度无关;(2)射流基本段速度衰减与喷嘴直径和射流压力呈负相关,而与收缩段长度无关。进一步结合非成岩水合物临界破碎速度方程,初步建立了极限破碎深度随单喷嘴直径和射流压力变化的数学模型,并基于单喷嘴射流破碎实验结果进行了模型验证与修正。结论认为:(1)建立的极限破碎深度模型是正确的,修正后模型的计算结果与实验值的最大偏差为7.7%,能够满足固态流化实际工程对水合物破碎的要求;(2)建议开展组合喷嘴极限破碎深度模型研究,分析多个喷嘴组合情况下布置夹角和布置间距对极限破碎深度的影响,最终形成一套水合物高效破碎工具设计方法。