新型离心式真空除气器的设计与研究

发布时间：2017-04-02 07:07

  本文关键词：新型离心式真空除气器的设计与研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：钻井液是石油钻井过程中重要的工作介质。控制钻井液密度是保证钻井过程压力平衡的关键工艺,气侵钻井液会影响钻井液的实际密度。严重的气侵现象会导致井涌和井喷的发生,引发重大安全事故。因此,需要除去气侵钻井液中的气体以保证钻井过程安全进行。除气器便是用来处理气侵钻井液的设备。目前现场使用的除气器类型主要是真空式除气器。根据现场的使用效果来看,已有的真空除气器除气器除气效率普遍不理想。同时,国内外研究人员对除气器的研究普遍关注工程应用领域,对除气理论的研究基本处于空白状态。新型除气器的研发工作在上世纪90年代便陷入停滞。现有除气器的设计主要依靠半经验的设计方式,缺少参考标准,对钻井液除气机理的研究非常少,无法对除气器的研发提供有效的理论支持。针对这些问题,本文在深入研究钻井液除气器的发展历程、设计经验和前人研究文献的基础上,设计了一款具有新型结构的离心式真空除气器。使用CFD软件对该新型除气器的工作过程进行仿真计算,验证其除气效率并对流场进行分析。根据该除气器的特点对其进行工作参数和结构进行优选,总结导致除气效率变化的因素。本文的主要内容包括三个部分：前期调研与分析、设计计算和理论分析、除气效率的验证和优化。本文的第一部分通过阅读大量关于除气器的研究成果和著作,归纳了除气器自产生以来的发展历程。总结了目前常见的除气器型号和除气方法,并对当前国内外的研究现状进行了简要的概括。提出了当前除气器研究领域存在的问题、本文研究的意义和使用的研究方法。第二部分利用机械设计理论对除气器的真空罐、水环真空泵、离心叶轮、主电机、V带传动装置、主轴等部件进行设计计算,并提出了一种新的真空罐结构。第三部分使用Pro/e三维建模软件建立真空罐三维模型。使用Fluent软件分析除气器的除气效率和流场变化,总结影响除气效率的因素及其规律。根据结论对除气器的工作参数和结构进行优选。
【关键词】：离心式真空除气器 气液两相流 除气效率 CFD 数值模拟 流场
【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
• Abstract4-8
• 第1章 绪论8-19
• 1.1 研究背景8-9
• 1.2 国内外研究现状9-17
• 1.2.1 除气器的分类9-11
• 1.2.2 国外关于除气器的研究11-13
• 1.2.3 国内关于除气器的研究13-16
• 1.2.4 计算流体力学在除气器研究中的应用16
• 1.2.5 常用除气工艺16-17
• 1.3 影响除气效率的因素17
• 1.4 存在的问题及研究的意义17-18
• 1.5 研究方法18
• 1.6 本章小结18-19
• 第2章 离心式真空除气器的设计计算19-35
• 2.1 性能规划19-20
• 2.2 真空泵选型20
• 2.3 除气器罐体的设计20-23
• 2.3.1 进液管高度设计20-21
• 2.3.2 真空罐容积设计21-22
• 2.3.3 真空罐罐壁厚度设计22-23
• 2.4 离心叶轮设计23-27
• 2.4.1 离心原件选择23-24
• 2.4.2 离心叶轮的磨损24
• 2.4.3 离心叶轮设计方法24-27
• 2.5 主电机设计27
• 2.6 V带传动27-30
• 2.7 轴的设计30-32
• 2.8 真空罐内部结构设计32-33
• 2.9 本章小结33-35
• 第3章 两相流体动力学理论概述35-48
• 3.1 两相流基本概念35-37
• 3.2 流体曳力的基本概念37-42
• 3.2.1 曳力基本方程37-38
• 3.2.2 相间曳力系数的基本方程38-42
• 3.3 虚拟质量力的基本概念42-43
• 3.4 气侵钻井液受力分析43-47
• 3.4.1 离心喷射过程钻井液受力分析44-45
• 3.4.2 薄层流动过程中的受力分析45-46
• 3.4.3 重力沉降过程气体的受力分析46-47
• 3.5 本章小结47-48
• 第4章 气液两相流数学模型48-57
• 4.1 两相流的研究和处理方法48
• 4.2 两相流基本数理模型48-50
• 4.2.1 除气器流场的特点48-49
• 4.2.2 数理模型的选用49-50
• 4.3 欧拉两流体模型50-52
• 4.3.1 Fluent中的欧拉多相流模型50-51
• 4.3.2 颗粒含量和斯托克斯数51-52
• 4.4 Eulerian模型数值方程的建立52-54
• 4.4.1 体积分数方程52-53
• 4.4.2 控制方程53-54
• 4.5 湍流模型的建立54-56
• 4.6 数值模型的边界条件及相关设定56
• 4.7 本章小结56-57
• 第5章 除气器的模型构建、效率验证及流场分析57-73
• 5.1 除气器真空罐内部流场的构建57-58
• 5.2 网格无关性和网格质量58-60
• 5.3 除气效率验证方案60-62
• 5.3.1 初始条件的设定60
• 5.3.2 初始条件的计算60-61
• 5.3.3 各验证方案的初始条件61-62
• 5.4 除气器工作流程及效率验证62-65
• 5.4.1 除气器工作流程62-64
• 5.4.2 除气效率分析64-65
• 5.5 除气器内部流场分析65-72
• 5.5.1 离心喷射过程66-68
• 5.5.2 薄层流动过程68-70
• 5.5.3 重力沉降过程70-72
• 5.6 本章小结72-73
• 第6章 工作参数和结构的优选73-91
• 6.1 离心叶轮转速优选73-88
• 6.1.1 验证方案的设计73-74
• 6.1.2 除气器效率验证74-76
• 6.1.3 流场中气液两相分布变化76-79
• 6.1.4 叶轮转速对离心喷射过程的影响79-80
• 6.1.5 叶轮转速对薄层流动过程的影响80-86
• 6.1.6 重力沉降过程变化规律86-88
• 6.2 导液板结构优选88-89
• 6.3 除气器优选方案89-90
• 6.4 本章小结90-91
• 第7章 结论与建议91-93
• 7.1 结论91-92
• 7.2 下一步研究的建议92-93
• 致谢93-94
• 参考文献94-97
• 攻读硕士学位期间发表的论文97

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