非牛顿流体固液两相旋流分离机理研究

发布时间：2017-11-17 08:04

  本文关键词：非牛顿流体固液两相旋流分离机理研究

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【摘要】：钻井液固相控制是钻井工程中的关键环节,旋流分离是钻井固控系统的重要方法之一,其工作原理是在离心力的作用下根据两相之间的密度差来实现分离,具有结构简单,操作方便等优点。但是,目前对于水力旋流器内钻井液流场的研究大都是以牛顿流体或幂律流体为液相介质来进行,而在实际工况中,钻井液表现为非牛顿流变模式,且幂律流体并不能准确描述钻井液的非牛顿流变特性,有研究表明四参数流变模式更符合多数钻井液的实际情况,所以为了更准确的了解钻井液旋流器内流场分布和分离性能,本文采用四参数流体描述非牛顿流体钻井液的流变特性,为深化认识旋流器分离机理和对旋流器进行设计改进提供参考依据。本文首先以四参数流变模式非牛顿流体钻井液为研究对象,利用计算流体动力学软件FLUENT对四参数流体在水力旋流器内的流动进行数值模拟,得到其速度场和压力场分布,并与幂律流体和水在同等条件下的数值模拟结果进行对比分析,模拟结果与前人的实验结果定性一致。结果表明：四参数流体在外旋流区域的静压分布大于水,小于幂律流体,切向速度小于水而大于幂律流体,轴向速度差别不大；四参数流体边界层区域表观粘度变化较大,且与剪切速率变化成反比例对应。其次,分析流变参数变化对四参数流体流动特性的影响,结果表明：静压值随着b值的增大和n值的减小而增大；切向速度随着b的增大而减小,随着n值的减小而增大；而轴向速度变化不大,且n值变化对流场分布的影响比b显著。再次,基于四参数流体单相流场模拟结果,利用混合多相流模型,对旋流器内固液两相流场进行数值模拟,分析了内部流场的分布规律和分离特性,并比较三种介质的分离性能发现：四参数流体的分离效率最低,且分离效率变化缓慢,模拟结果表明对钻井液固液分离的研究要充分考虑钻井液非牛顿流变性对分离性能的影响。最后,分析不同操作参数和物性参数对旋流器分离性能的影响发现：随着入口速度的增大、固相含量的减小和颗粒粒径的增大,分离效率增大；随着入口速度的增大、固相含量的增加、颗粒粒径的减小,底流和溢流压力降均增大；随着n值的增大分离效率和压力降均减小,随着b值的增大分离效率略有减小,但变化不大,而底流口和溢流口压力降先增大后减小。表明在实际工况中,需要确定适合的工况和操作参数。本文研究为进一步研究钻井液非牛顿流变性对旋流器内流场分布和分离性能的影响提供参考,为固控系统中旋流器参数优化提供参考依据。
【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】：TE21

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