气体涡轮钻具变几何研究及加工实现

发布时间：2017-10-30 11:09

  本文关键词：气体涡轮钻具变几何研究及加工实现

  更多相关文章： 涡轮钻具 气体钻井 CFD 变几何技术 叶轮加工

【摘要】：随着油气勘探、开发难度的不断增大,以及原油价格暴跌,石油行业面临着巨大的挑战。在解决各种复杂技术难题时,欠平衡钻井技术以其独特的优点,大量应用于实际工程中；另一方面,涡轮钻具作为井下动力钻具的分支,被广泛应用于水平井、超深井等领域。而传统的涡轮钻具使用钻井液作为动力来源,不能满足欠平衡钻井的需求,为解决这一工程实际问题,本文在调研国内外文献的基础上,以降低研发成本、快速形成生产条件为出发点,改进传统液体涡轮钻具的设计,使其满足欠平衡钻井的要求,并实现对改进设计后的涡轮钻具叶轮的快速生产。由于欠平衡钻井主要使用气体作为工作介质,针对气体介质的特性,本文首先对传统液体涡轮钻具的设计方法进行了研究,并借鉴蒸汽透平的设计理论与方法；在对以上两种透平机械进行研究并归纳后,提出了传统涡轮钻具在气体条件下,可能会存在的问题与不足,并拟定了气体涡轮钻具的设计方法。为了验证以上假设,本文选择WZ-115型液体涡轮钻具作为研究对象,运用计算机CFD模拟技术,进行了单级仿真以验证其气体介质下的工作能力；并进行该工况下10级涡轮定、转子叶片的联合工作仿真,输出数据表明,气体介质下的涡轮钻具的确存在流体流速过快、各级输出差异大、流场混乱等问题。针对以上问题,本文提出了采用叶片变几何技术,对WZ-115型涡轮钻具叶片的结构进行改进。本文首先对单级定、转子叶片进行了变几何研究,计算机模拟结果表明,随着叶片安装角的增大,单级叶片的输出性能得到控制,流场形态也得以改善。本文进一步将修改安装角后的定、转子叶片分别用于10级涡轮的最后一级,以及最后三级,并进行多级涡轮联合工作模拟,数据显示,末一级和末三级叶片的安装角变几何后,各级输出性能相比变几何前更为平均,流场内部流体运动速度降低,流场中脱流等现象得到控制,涡轮整体效率得到提高。通过对变几何技术的研究,证明了该技术有利于提高气体介质下涡轮钻具的整体性能,使得传统液体涡轮钻具的设计能够满足欠平衡钻井的要求。为了进一步验证变几何后的涡轮钻具叶轮可以满足实际加工的需要,本文基于UG软件,对变几何后的叶轮进行了三维建模、工艺分析、程序编译,并设计加工了专用夹具,实现了对变几何后的涡轮钻具叶轮的一体成型加工。通过本文的研究,证明了变几何技术可以有效解决传统涡轮钻具在气体介质下存在的问题与缺陷,通过运用该技术,可以在不改变涡轮叶片叶型的前提下,满足气体钻井的需求,节省了大量的研发时间和加工成本,为企业、社会带来效益。
【关键词】：涡轮钻具 气体钻井 CFD 变几何技术 叶轮加工
【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】：TE921.2
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 本文的研究背景及意义9-10
• 1.2 国内外研究现状分析10-13
• 1.2.1 欠平衡钻井的国内外研究情况10-11
• 1.2.2 涡轮钻具的国内外研究情况11-12
• 1.2.3 气体涡轮钻具研究情况12-13
• 1.3 本文的研究内容及技术路线13-15
• 1.3.1 本文的研究内容13-14
• 1.3.2 本文的创新点14
• 1.3.3 技术路线14-15
• 第2章 涡轮钻具叶片设计原理15-29
• 2.1 液体涡轮钻具设计理论15-20
• 2.1.1 叶栅流动参数计算15-18
• 2.1.2 叶栅设计无因次系数18-20
• 2.1.3 速度三角形与无因次系数20
• 2.2 蒸汽透平设计理论20-27
• 2.2.1 热力学概念与条件21-22
• 2.2.2 蒸汽透平叶栅优化理论22-26
• 2.2.2.1 级的轮周效率23-24
• 2.2.2.2 级的轮周效率与最佳速比24-26
• 2.2.3 优化目标26-27
• 2.3 气体涡轮钻具设计方法27-28
• 2.4 小结28-29
• 第3章 气体涡轮钻具工作特性研究29-42
• 3.1 单级涡轮性能模拟29-35
• 3.1.1 叶型绘制与网格划分30-32
• 3.1.2 湍流模型与边界条件32-33
• 3.1.3 计算与分析33-35
• 3.2 多级涡轮性能模拟35-39
• 3.2.1 边界条件设置35-36
• 3.2.2 计算结果36-39
• 3.3 结论分析39-41
• 3.4 小结41-42
• 第4章 气体涡轮变几何研究42-62
• 4.1 研究方法42-46
• 4.1.1 变几何技术介绍42-43
• 4.1.2 变几何原理43-44
• 4.1.3 改良目的44-46
• 4.2 单级叶片变几何性能研究46-50
• 4.2.1 流场形态46-48
• 4.2.2 性能输出48-50
• 4.3 多级叶片末单级变几何研究50-56
• 4.3.1 输出性能50-53
• 4.3.2 流场形态53-54
• 4.3.3 气动效率54-56
• 4.4 多级叶片末多级变几何研究56-60
• 4.4.1 研究方法56-57
• 4.4.2 输出性能与流场57-59
• 4.4.3 气动效率59-60
• 4.5 小结60-62
• 第5章 叶轮加工方法研究62-76
• 5.1 加工方法62-64
• 5.1.1 UG程序简介62-63
• 5.1.2 加工方法63-64
• 5.2 三维模型绘制64-67
• 5.2.1 叶型参数导出65
• 5.2.2 三维模型绘制65-67
• 5.3 加工程序编译67-70
• 5.3.1 参数设置67-69
• 5.3.1.1 UG/CAM参数设置67-68
• 5.3.1.2 流道底面加工68-69
• 5.3.2 程序生成69-70
• 5.4 夹具设计与毛坯装夹70-73
• 5.4.1 夹具设计70-72
• 5.4.2 毛坯装夹72-73
• 5.5 加工试验73-74
• 5.6 小结74-76
• 第6章 结论与展望76-78
• 6.1 结论76-77
• 6.2 展望77-78
• 致谢78-79
• 参考文献79-81
• 附录81-83
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研情况83

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本文编号：1117409