基于冲蚀分析的新型筒形控压钻井节流阀优化设计

发布时间：2017-10-14 04:32

  本文关键词：基于冲蚀分析的新型筒形控压钻井节流阀优化设计

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【摘要】：控压钻井技术是一种在提高钻井安全的同时,能够大大提降低成本的先进钻井技术。控压钻井节流阀是该技术中实现压力控制的关键部件,它直接接触钻井液对井筒压力进行控制,其性能参数直接影响控压钻井工艺实施的成功率。因此,一种使用可靠寿命较长的控压钻井节流阀无疑是MPD技术成功实施的有力保障。近年来,国内学者进行了节流阀控压能力、阀芯受力、材料选择等方面的研究并取得了巨大的成就。然而,少有延长国产控压钻井节流阀的寿命的相关研究文献和报道,成为制约我国控压钻井节流阀推广的瓶颈。本文以优化阀腔流场为突破点,对节流阀的优化设计进行了研究,主要成果如下：1. 分析了控压钻井节流阀性能对于控压钻井技术的重大意义,指出了抗冲蚀特性差是国产与进口节流阀最突出的短板。综述国内外对于冲蚀的研究进展,明确了以优化节流阀阀腔流场为突破口的减弱节流阀冲蚀的研究方法。2.总结了新型筒形控压钻井节流阀研究的现阶段成果,实验对比了T3进口节流阀性能,结果显示：新型筒形控压钻井节流阀在控压特性范围和稳定性方面具有优势。3. 深入调研了冲蚀预测模型,设计并完成了节流阀颗粒体积浓度2.47%的冲蚀实验并与仿真得到的冲蚀质量损失、分布规律做了对比。结果表明：5h以内的预测质量损失与实验贴合度很高,预测冲蚀区范围和轮廓准确,证明了仿真分析中涉及到的离散相模型(DPM)、颗粒受力、碰撞反射函数、曳力模型、冲蚀模型选用的正确性。4. 采用平板冲蚀单元实验的方法,研究了颗粒体积分数17%,平板冲蚀量、冲蚀斑坑分布规律与时间、冲蚀角度的关系。选用DDPM模型预测冲蚀,结果表明：冲蚀轮廓变化规律、质量变化趋势预测准确,验证了DDPM模型的有效性。5. 通过FLUENT仿真软件与Design Explorer相结合的方法,设计实验50组,计算了Kriging响应面,以节流阀阀芯冲蚀质量损失最小为目标,研究了阀腔各参数对节流阀阀芯冲蚀的影响规律,优化了节流阀的阀腔结构,得到了最优的节流阀阀腔尺寸。6.对比优化前后的节流阀阀芯的平均质量损失和轮廓线上的冲蚀率得出：优化后阀芯的冲蚀质量损失不仅整体上得到了降低,局部的冲蚀情况也得到了很大的改善。通过本文的研究,得到了用于节流阀冲蚀仿真分析的可靠实验数据、节流阀阀腔参数对于节流阀阀芯冲蚀质量损失关系及最优的阀腔参数组合,延长了新型筒形控压钻井节流阀的使用寿命。验证了DDPM模型、Design Explorer模块的可用性,为冲蚀研究提供了一套经过验证可行性和预测精确的模型组合;新型筒形控压钻井节流阀寿命的延长对打破国外产品垄断具有重要意义。为国产化控压钻井系统的推广提供了工具支撑,对于帮助我国油田企业降本增效,度过低油价时期具有一定的推动作用。
【关键词】：控压钻井 节流阀 阀芯冲蚀 响应面法 优化设计 计算流体力学
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE927
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 课题背景及研究意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-17
• 1.2.1 控压钻井技术10-11
• 1.2.2 控压钻井节流阀11-14
• 1.2.3 冲蚀磨损研究现状14-15
• 1.2.4 研究内容15-17
• 第2章 新型筒形控压钻井节流阀17-29
• 2.1 新型筒形控压钻井节流阀的研制17-24
• 2.1.1 节流阀阀芯阀座轮廓曲线设计17-22
• 2.1.2 阀体设计22-24
• 2.2 新型筒形控压钻井节流阀控压特性验证24-27
• 2.2.1 校内控压特性试验24-25
• 2.2.2 钻井现场实验25-27
• 2.3 新型筒形控压钻井节流阀现存问题27-28
• 2.3.1 节流阀阀芯、阀座冲蚀问题27-28
• 2.4 本章小结28-29
• 第3章 冲蚀仿真模型29-46
• 3.1 基本物理方程29-31
• 3.1.1 质量守恒方程29
• 3.1.2 动量守恒方程29-30
• 3.1.3 能量守恒方程30-31
• 3.1.4 状态方程31
• 3.2 湍流的数值模拟方法31-35
• 3.2.1 涡黏模型32-33
• 3.2.2 Reynolds应力模型33-34
• 3.2.3 近壁区使用k-ε模型的问题及对策34-35
• 3.3 CFD多相流模型35
• 3.3.1 欧拉—拉格朗日法35
• 3.3.2 欧拉—欧拉法35
• 3.4 离散相模型(Discrete Phase Model,DPM)35-39
• 3.4.1 DPM模型的使用条件36
• 3.4.2 颗粒运动方程36-38
• 3.4.3 离散相边界条件38-39
• 3.5 浓密离散相模型(Dense Discrete Phase Model,DDPM)39-41
• 3.5.1 定义颗粒的属性40
• 3.5.2 定义曳力模型40-41
• 3.6 定义颗粒冲蚀模型41-42
• 3.6.1 Finnie模型41-42
• 3.6.2 Bitter模型42
• 3.6.3 半经验公式的广泛应用42
• 3.7 控压钻井节流阀稀疏颗粒流冲蚀预测42-45
• 3.7.1 实验方案43
• 3.7.2 模型验证43-44
• 3.7.3 冲蚀轮廓特征对比44
• 3.7.4 固相颗粒的流动特性44-45
• 3.8 控压钻井节流阀高浓度颗粒流冲蚀研究方法45
• 3.9 本章小结45-46
• 第4章 冲蚀单元实验46-61
• 4.1 实验方案46-48
• 4.1.1 实验布置46-47
• 4.1.2 测试部分设计47-48
• 4.2 测量设备及测量方案48-52
• 4.2.1 水射流入射角度控制48-49
• 4.2.2 磨料控制49-50
• 4.2.3 数据测量50-52
• 4.3 实验过程52-57
• 4.3.1 砂密度测定52-53
• 4.3.2 湿砂含水率测定53-54
• 4.3.3 含砂率测定54-56
• 4.3.4 砂粒粒径分布测定56-57
• 4.4 试验数据记录与分析57-59
• 4.4.1 冲蚀量-时间关系57-58
• 4.4.2 冲蚀质量损失-角度关系58
• 4.4.3 冲蚀轮廓测量58-59
• 4.5 本章小结59-61
• 第5章 新型筒形控压钻井节流阀优化设计61-75
• 5.1 响应面法优化设计61-63
• 5.1.1 设计参数(Parameter)61-62
• 5.1.2 实验设计(Design of Experiment,DOE)62
• 5.1.3 响应面(Response suuface)62-63
• 5.1.4 目标驱动优化(Goal Driven Optimization,GDO)63
• 5.2 优化流程63-64
• 5.3 模型参数确定64-68
• 5.3.1 平板冲蚀计算域模型64-65
• 5.3.2 网格划分65
• 5.3.3 边界条件65-66
• 5.3.4 模型准确性验证66-68
• 5.4 新型筒形控压钻井节流阀优化设计68-72
• 5.4.1 优化设计对象及其参数化68-69
• 5.4.2 划分网格69-70
• 5.4.3 边界条件70
• 5.4.4 计算设置70
• 5.4.5 优化模块设置70-72
• 5.5 优化结果分析72-74
• 5.6 本章小结74-75
• 第6章 结论与展望75-77
• 6.1 结论75-76
• 6.2 展望76-77
• 致谢77-78
• 参考文献78-81
• 附录81-85
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果85

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本文编号：1029040