钻井液特性对涡轮钻具输出性能影响研究

发布时间：2021-05-16 18:40

　　万米超深孔工程是地球深部探测计划的主要部分,其面临着高温、高压、高地应力等井下复杂工况,抗高温超高密度钻井液驱动的全金属涡轮钻具将是取心作业主要形式之一。当前,基于高密度介质的涡轮叶片设计理论尚处空白,本文基于两相流理论,开展了涡轮叶片能量输出模型研究,并基于此开展了多级涡轮仿真和叶片的优化设计研究,为后续高密度涡轮叶片的设计奠定基础。本文首先基于固液两相流基本方程以及修正的伯努利方程,建立了两相流粘性流体流动与涡轮叶片耦合作用的数学模型,提出了单级涡轮定转子性能预测模型,并扩展到多级涡轮叶片,推导出两相流情况下涡轮扭矩、功率、压降的计算公式,定性分析了两相流、流体粘度、流体密度对涡轮级输出性能的影响。针对Ф127 mm取心涡轮钻具的目标参数,确定了动力节定转子径向尺寸,完成了涡轮钻具叶片结构参数的设计,包括前缘和后缘半径、叶片安装角、相对栅距等。基于三维软件SolidWorks创建了涡轮定、转子三维模型,验证了叶片定转子结构以及装配设计的情况,为后续的涡轮级仿真奠定了基础。基于FLUENT的数值模拟结合数学模型可知:钻井液粘度对涡轮的扭矩和功率影响不大,但会大幅增加涡轮消耗的压降,降... 

【文章来源】：中国地质大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：69 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题来源及研究背景
        1.1.1 课题来源
        1.1.2 课题研究背景
    1.2 研究现状及存在问题
        1.2.1 国外涡轮钻具技术研究现状
        1.2.2 国内涡轮钻具技术研究现状
    1.3 研究内容与技术路线
        1.3.1 研究内容
        1.3.2 技术路线
第2章 基于两相流的涡轮钻具叶片能量传输理论模型
    2.1 涡轮钻具工作原理和基本结构
    2.2 固液两相流理论
        2.2.1 两相流动模型
        2.2.2 固液两相流基本方程
    2.3 叶片建模假设条件
    2.4 叶片能量转换数学模型
        2.4.1 涡轮级压降特性
        2.4.2 涡轮级转化扭矩特性
        2.4.3 涡轮级转化功率特性
    2.5 本章小结
第3章 涡轮钻具叶片设计过程
    3.1 涡轮节设计的基本要求
    3.2 涡轮定转子径向尺寸确定
    3.3 叶片几何参数设计
    3.4 叶片造型设计
    3.5 基于SolidWorks的涡轮定转子三维模型
    3.6 本章小结
第4章 多级涡轮CFD仿真分析及性能预测
    4.1 CFD概述
    4.2 基于FLUENT的仿真步骤
        4.2.1 叶片流道建模
        4.2.2 网格划分
        4.2.3 物理定义
        4.2.4 求解及后处理
    4.3 Φ127mm多级涡轮性能模拟预测
        4.3.1 流动云图分析
        4.3.2 100 级叶片输出性能对比
    4.4 钻井液性质对涡轮级性能的影响
        4.4.1 流体粘度对涡轮级性能的影响
        4.4.2 流体密度对涡轮级性能的影响
        4.4.3 固相颗粒直径对涡轮级性能的影响
    4.5 本章小结
第5章 涡轮钻具叶片性能优化设计研究
    5.1 叶片对比设计
    5.2 叶片结构参数对性能影响模拟预测
        5.2.1 前缘半径对叶片性能的影响
        5.2.2 后缘半径对叶片性能的影响
        5.2.3 转子流道变化对叶片性能的影响
    5.3 本章小结
第6章 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 展望
致谢
参考文献
附录
    个人简历
    硕士期间取得成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]涡轮钻具的研究进展[J]. 赵柳东,李立鑫,王瑜,薛启龙,刘宝林.  探矿工程(岩土钻掘工程). 2016(10)
[2]高速涡轮钻井技术在塔里木克深气田中的应用[J]. 乔勇,边培明,罗飞.  钻采工艺. 2014(04)
[3]深部探测揭示中国地壳结构、深部过程与成矿作用背景[J]. 董树文,李廷栋,陈宣华,高锐,吕庆田,石耀霖,黄大年,杨经绥,王学求,魏文博,陈群策.  地学前缘. 2014(03)
[4]国内深井钻井提速技术难点分析及对策[J]. 宋建伟,何世明,龙平,滕学清,刘忠飞.  西部探矿工程. 2013(12)
[5]Φ89涡轮钻具叶栅设计及性能预测[J]. 赵志涛,翁炜,黄玉文,杨鹏,岳伟民,徐军军.  地质与勘探. 2013(06)
[6]流体介质对高速涡轮钻具力学性能影响研究[J]. 张先勇,冯进.  石油机械. 2012(10)
[7]基于CFD软件的涡轮流动特性数值模拟及敏感性分析[J]. 许超,付建红,赵志强,吕坚,王建会.  石油矿场机械. 2012(04)
[8]涡轮钻具水力设计与分析方法应用现状研究[J]. 姚坚毅,刘宝林,王瑜.  石油矿场机械. 2012(03)
[9]国内外涡轮钻具钻井技术及其发展趋势[J]. 成海,郑卫建,夏彬,王甲昌,肖国益.  石油矿场机械. 2008(04)
[10]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)

硕士论文
[1]涡轮钻具能量传输系统及叶型优化[D]. 李越.哈尔滨工业大学 2017
[2]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
[3]涡轮钻具测试装置研制及实验研究[D]. 黄明新.中国地质大学(北京) 2015
[4]涡轮钻具涡轮叶片设计及水力性能仿真优化研究[D]. 赵洪波.中国地质大学(北京) 2012
[5]耐高温聚合物钻井液降滤失剂的合成及作用机理研究[D]. 陈安猛.山东大学 2008



本文编号：3190200