钻井液流体特性对井下涡轮性能的影响
发布时间：2021-03-28 21:58
涡轮结构广泛应用于钻井工具,在对其进行仿真分析研究过程中通常采用清水作为介质,但该方法并不能比较确切地反映涡轮结构在井下实际的工作特征。针对该问题,本文建立了某型涡轮三维模型,采用Turbo Grid软件确定合理的网格参数,并进行了网格划分。采用Herschel-Bulkley钻井液流变模型研究了钻井液流体参数对涡轮结构的输出扭矩和效率的影响。基于响应面法,采用Box-Behnken设计方法得到了钻井液流体参数与涡轮性能指标的关系。结果表明,相较于稠度指数和流变指数而言,钻井液的密度和动切力对涡轮结构的输出扭矩和效率影响显著。因此,在探讨钻井液流变参数对涡轮性能影响时,应该优先考虑钻井液的密度和动切力特性。
【文章来源】：应用力学学报. 2020,37(02)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
单周期计算模型Fig.2Singlecyclecalculationmodel
696应用力学学报第37卷体结构如图1所示。(a)定子(stator)(b)转子(rotor)图1涡轮定子与转子Fig.1Turbine’sstatorandrotor涡轮对由一副定子和转子共同组成，定子和转子的叶型相同但方向相反。本文一副涡轮对中，定子和转子叶片的数量均为31。3数值模型3.1控制方程本文湍流模型采用k-epsilon双方程模型，该模型引入了两个新的变量。连续方程如下。0jjUtx动量方程为effiijjijMijjiUUUtxpUUSxxxx式中：MS为总体积力；eff为湍流的有效黏度；p为静压力。k-epsilon模型是基于涡黏度理论，所以efft其中t为湍流黏度。k-epsilon方程模型假设湍流黏度与湍流动能有关，则2tkC其中：C为常数；k为湍流动能；为湍流耗散率。3.2钻井液流变模型Herschel-Bulkley流变模型为三参数模型，该模型结合了宾汉和幂率两种流变模式的特点，能很好地描述钻井液的流变性[11-13]。该模型的表达式如下。0=+nK其中：为剪切应力；0为动切力；K为稠度系数；n为流变指数。3.3转矩与水力效率涡轮转子叶片与钻井液相互作用，钻井液所携带的压力能和动能为转子提供扭矩，进而为整个钻具带来动力[2]。涡轮叶片扭矩的计算式如下。ii1u2uMQRcc其中：为钻井液密度；iQ为钻井液流量；R为涡轮计算半径；1uc和2uc分别为涡轮转子进口和出口处绝对速度的周向分量。涡轮的水力效率W是转化为机械能的有效能量iH与消耗的总能量H的比值，即WiHH且
第2期金凡尧，等：钻井液流体特性对井下涡轮性能的影响697网格进行网格无关性分析。网格无关性分析是根据计算模型的大小，选择不同的网格模型进行试算。随着网格的增加，计算结果变化不超过5%[10]，认为计算模型达到网格无关性的要求。对单周期涡轮计算模型采用六面体网格进行划分，对壁面附近的网格进行加密，结果如图3所示。图3单周期涡轮计算模型网格划分Fig.3Singlecycleturbinecalculationmodelmeshing为了分析计算模型的网格无关性，采用清水作为介质。模型进口为速度入口，流量为30L/s，出口为压力出口，压力为0MPa，参考压力为20MPa，转子转速为1200rpm。对计算模型开展三种层次网格数量的分析计算，参数和结果如表1所示。表1网格无关性分析Tab.1Gridindependenceanalysis标号(serialnumber)网格个数(meshnumber)转矩(torque)/N·m误差(error)/(%)11094591.16205-22703601.150381.0035498161.15166-1.11从计算结果可知，当计算模型采用不同网格时，输出扭矩的偏差分别为1.00%和-1.11%，该偏差都小于5%。因此，采用一个层次的网格能够满足计算模型计算成本和计算精度的要求，本文采用第一层次的网格进行后续的计算分析。图4不同网格密度在转子表面的压力分布Fig.4Pressuredistributionofdifferentmeshdensitiesontherotorsurface4.2响应面法分析响应面法的主要目的是以较少的实验获得变量与响应间的关系、最佳的响应值以及最优的变量组合。中心复合设计和Box-Behnken设计方法是响应面最常用的两种方法。Box-Behnken设计方法是由因子设计和不完全集区设计结合而成的三水平设计。它的实验点包括中心点0、低水平点
【参考文献】：
期刊论文
[1]弯曲角对钻井涡轮叶栅水力性能的影响[J]. 何诗尧,周思柱,孙文斌,黄天成. 矿山机械. 2018(12)
[2]涡轮外特性理论计算方法探究及验证[J]. 肖洋,王斌,赵勇. 石油机械. 2018(11)
[3]井下双位自锁式电磁铁参数优化及性能分析[J]. 汪兴明,张剑秋,王强. 磁性材料及器件. 2017(03)
[4]基于奇点分布法的涡轮钻具叶型设计[J]. 龚彦,张晓东,张也,李一岚,张津. 西南石油大学学报(自然科学版). 2017(03)
[5]微泡钻井液流变性[J]. KHAMEHCHI Ehsan,TABIBZADEH Shahin,ALIZADEH Ali. 石油勘探与开发. 2016(06)
[6]基于Bezier曲线的涡轮叶片参数化造型及优化设计[J]. 张晓东,余世敏,龚彦,杨文武,周权. 机械强度. 2015(02)
[7]考虑瞬态温度场的水平井水力冲砂临界排量[J]. 刘清友,汪兴明,徐涛. 西南交通大学学报. 2014(06)
[8]应用CFD软件模拟Ф115mm涡轮钻具机械特性[J]. 冯进,张慢来,刘孝光,龙东平,丁凌云. 天然气工业. 2006(07)
[9]CFX-BladeGen在涡轮叶片造型中的应用[J]. 丁凌云,冯进,刘孝光,张慢来. 工程设计学报. 2005(02)
[10]赫谢尔—巴尔克莱流体同心环空轴向流流核及压降计算[J]. 樊洪海,刘希圣. 石油大学学报(自然科学版). 1993(06)
硕士论文
[1]井下涡轮钻具涡轮叶片造型及优化研究[D]. 王龙.西安石油大学 2016
[2]基于响应面法的涡轮钻具叶片优化设计与研究[D]. 余世敏.西南石油大学 2016
本文编号：3106310
【文章来源】：应用力学学报. 2020,37(02)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
单周期计算模型Fig.2Singlecyclecalculationmodel
696应用力学学报第37卷体结构如图1所示。(a)定子(stator)(b)转子(rotor)图1涡轮定子与转子Fig.1Turbine’sstatorandrotor涡轮对由一副定子和转子共同组成，定子和转子的叶型相同但方向相反。本文一副涡轮对中，定子和转子叶片的数量均为31。3数值模型3.1控制方程本文湍流模型采用k-epsilon双方程模型，该模型引入了两个新的变量。连续方程如下。0jjUtx动量方程为effiijjijMijjiUUUtxpUUSxxxx式中：MS为总体积力；eff为湍流的有效黏度；p为静压力。k-epsilon模型是基于涡黏度理论，所以efft其中t为湍流黏度。k-epsilon方程模型假设湍流黏度与湍流动能有关，则2tkC其中：C为常数；k为湍流动能；为湍流耗散率。3.2钻井液流变模型Herschel-Bulkley流变模型为三参数模型，该模型结合了宾汉和幂率两种流变模式的特点，能很好地描述钻井液的流变性[11-13]。该模型的表达式如下。0=+nK其中：为剪切应力；0为动切力；K为稠度系数；n为流变指数。3.3转矩与水力效率涡轮转子叶片与钻井液相互作用，钻井液所携带的压力能和动能为转子提供扭矩，进而为整个钻具带来动力[2]。涡轮叶片扭矩的计算式如下。ii1u2uMQRcc其中：为钻井液密度；iQ为钻井液流量；R为涡轮计算半径；1uc和2uc分别为涡轮转子进口和出口处绝对速度的周向分量。涡轮的水力效率W是转化为机械能的有效能量iH与消耗的总能量H的比值，即WiHH且
第2期金凡尧，等：钻井液流体特性对井下涡轮性能的影响697网格进行网格无关性分析。网格无关性分析是根据计算模型的大小，选择不同的网格模型进行试算。随着网格的增加，计算结果变化不超过5%[10]，认为计算模型达到网格无关性的要求。对单周期涡轮计算模型采用六面体网格进行划分，对壁面附近的网格进行加密，结果如图3所示。图3单周期涡轮计算模型网格划分Fig.3Singlecycleturbinecalculationmodelmeshing为了分析计算模型的网格无关性，采用清水作为介质。模型进口为速度入口，流量为30L/s，出口为压力出口，压力为0MPa，参考压力为20MPa，转子转速为1200rpm。对计算模型开展三种层次网格数量的分析计算，参数和结果如表1所示。表1网格无关性分析Tab.1Gridindependenceanalysis标号(serialnumber)网格个数(meshnumber)转矩(torque)/N·m误差(error)/(%)11094591.16205-22703601.150381.0035498161.15166-1.11从计算结果可知，当计算模型采用不同网格时，输出扭矩的偏差分别为1.00%和-1.11%，该偏差都小于5%。因此，采用一个层次的网格能够满足计算模型计算成本和计算精度的要求，本文采用第一层次的网格进行后续的计算分析。图4不同网格密度在转子表面的压力分布Fig.4Pressuredistributionofdifferentmeshdensitiesontherotorsurface4.2响应面法分析响应面法的主要目的是以较少的实验获得变量与响应间的关系、最佳的响应值以及最优的变量组合。中心复合设计和Box-Behnken设计方法是响应面最常用的两种方法。Box-Behnken设计方法是由因子设计和不完全集区设计结合而成的三水平设计。它的实验点包括中心点0、低水平点
【参考文献】：
期刊论文
[1]弯曲角对钻井涡轮叶栅水力性能的影响[J]. 何诗尧,周思柱,孙文斌,黄天成. 矿山机械. 2018(12)
[2]涡轮外特性理论计算方法探究及验证[J]. 肖洋,王斌,赵勇. 石油机械. 2018(11)
[3]井下双位自锁式电磁铁参数优化及性能分析[J]. 汪兴明,张剑秋,王强. 磁性材料及器件. 2017(03)
[4]基于奇点分布法的涡轮钻具叶型设计[J]. 龚彦,张晓东,张也,李一岚,张津. 西南石油大学学报(自然科学版). 2017(03)
[5]微泡钻井液流变性[J]. KHAMEHCHI Ehsan,TABIBZADEH Shahin,ALIZADEH Ali. 石油勘探与开发. 2016(06)
[6]基于Bezier曲线的涡轮叶片参数化造型及优化设计[J]. 张晓东,余世敏,龚彦,杨文武,周权. 机械强度. 2015(02)
[7]考虑瞬态温度场的水平井水力冲砂临界排量[J]. 刘清友,汪兴明,徐涛. 西南交通大学学报. 2014(06)
[8]应用CFD软件模拟Ф115mm涡轮钻具机械特性[J]. 冯进,张慢来,刘孝光,龙东平,丁凌云. 天然气工业. 2006(07)
[9]CFX-BladeGen在涡轮叶片造型中的应用[J]. 丁凌云,冯进,刘孝光,张慢来. 工程设计学报. 2005(02)
[10]赫谢尔—巴尔克莱流体同心环空轴向流流核及压降计算[J]. 樊洪海,刘希圣. 石油大学学报(自然科学版). 1993(06)
硕士论文
[1]井下涡轮钻具涡轮叶片造型及优化研究[D]. 王龙.西安石油大学 2016
[2]基于响应面法的涡轮钻具叶片优化设计与研究[D]. 余世敏.西南石油大学 2016
本文编号：3106310
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