带水力平衡系统的涡轮钻具研究

发布时间：2017-06-18 20:13

  本文关键词：带水力平衡系统的涡轮钻具研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：当前油田钻井主要集中在深井和超深井,深井和超深井中温度高、压力大,为了防止地层高压流体溢出造成井喷,所使用的钻井液密度也大。涡轮钻具因其能适应高温、高压、高陡构造复杂地层及高密度钻井液作业环境,在油田钻井中得到了广泛地应用。然而,推力轴承承受的轴向水力载荷大,影响了其工作寿命,进而缩短了涡轮钻具的行程寿命,降低了涡轮钻具的井下作业效率。因此,降低或消除涡轮钻具的水力载荷,改善涡轮钻具的行程寿命具有十分重要的理论意义和应用价值。针对目前涡轮钻具受轴向载荷大的影响,导致工作寿命降低的问题,本文通过了解国内外涡轮钻具、水力平衡系统、多级离心泵水力平衡系统及相关水力平衡系统的研究现状,提出了在涡轮钻具涡轮节的设计中加入平衡装置的解决方案。由于大尺寸的涡轮钻具产生的轴向载荷大,对水力平衡系统的影响较为显著,选择尺寸较大的中240涡轮钻具进行设计,确定了涡轮定转子的结构尺寸,绘制了涡轮节总体装配图,并对涡轮轴、壳体、花键进行了强度校核。运用Bezier曲线进行涡轮叶片造型设计,通过CFD仿真分析得到涡轮钻具中所需涡轮的级数为184级。在设计中分两个涡轮节,一个涡轮节中放置92付涡轮。提出了盘鼓平衡装置和鼓平衡装置两种方案,采用涡轮轴内将高压流体引入平衡腔的引流方式。结合涡轮钻具CFD仿真性能参数,确定了在涡轮节设计中需要2个盘鼓平衡装置或2个鼓平衡装置。对盘鼓平衡装置和鼓平衡装置的主要零部件进行了结构设计,通过Fluent分析计算了盘鼓平衡装置不同轴向间隙(0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0mm)和不同径向间隙(0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0mm)组合下100种模型的平衡力、压降及泄流量,计算了鼓平衡装置10种径向间隙(0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0mm)下的平衡力、压降及泄流量。通过分析比较盘鼓平衡装置和鼓平衡装置选择了平衡效率较高的盘鼓平衡装置作为水力平衡系统平衡装置。研究了盘鼓平衡装置各受力面在不同间隙组合下对平衡力的影响,对平衡腔的受力面进行了分析。为了避免盘鼓平衡装置发生径向摩擦,对扶正轴承进行了偏心运动分析。回归分析了盘鼓平衡装置中,不同轴向间隙对平衡力、泄流量的影响。得到了如下结论：Ⅰ、平衡装置的确定及间隙尺寸优选：(1)平衡系统选择水力平衡效率较高的盘鼓平衡装置。平衡鼓平衡水力载荷过程中,鼓与鼓座之间间隙大,产生的泄流量大,能量损失大,平衡效率低。而盘鼓平衡装置可以通过径向间隙与轴向间隙的共同调节作用来提高平衡效率,所以平衡系统选择盘鼓平衡装置。(2)盘鼓平衡装置径向间隙尺寸确定为0.5mm或者是0.6mm。为了避免平衡装置不在径向方向发生摩擦,通过扶正轴承偏心运动的计算,径向间隙的选取应大于或等于0.5mm。由回归分析知,当径向间隙的选取大于或等于0.7mm时,随轴向间隙的增大,平衡力曲线有下降趋势,不能产生较好的平衡效果。因此,径向间隙可选择为0.5mm或者是0.6mm。(3)盘鼓装置设计中应尽量将轴向间隙向无间隙靠近。当轴向间隙在0.41.0mm范围时,由于此时轴向间隙过大,径向间隙为0.5、0.6mm时,此时平衡装置起平衡鼓的作用,平衡效率低,因此应尽可能保证轴向无间隙。Ⅱ、盘鼓平衡装置平衡力、泄流量：(1)盘鼓装置平衡力仿真计算大小符合理论值大小。盘鼓平衡装置在径向间隙为0.5、0.6mm情况下,皆能平衡涡轮钻具产生的轴向水力载荷。根据不同轴向间隙对平衡力和泄流量影响的曲线回归分析知,两种径向间隙都能产生理论计算要求的81.39496608kN的平衡力且轴向间隙为0mm时的泄流量为0L/s,仿真分析与理论情况相符合。(2)为了保证足够小的泄流量必须将轴向间隙控制在尽可能小的范围。由于轴向间隙对泄流量的影响很大,为了尽可能小地减小流量损失,轴向应尽量保证向无间隙靠近。
【关键词】：涡轮钻具研究 水力平衡系统 结构设计 轴向载荷 平衡力 泄流量
【学位授予单位】：长江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE92
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-19
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 涡轮钻具国内外相关技术概况11-13
• 1.3 涡轮钻具水力平衡系统的研究现状13-16
• 1.4 相关水力平衡技术的研究现状16-17
• 1.5 本文研究的主要内容17-19
• 第2章 Φ240涡轮钻具涡轮节的结构设计及计算19-29
• 2.1 涡轮节总体结构设计19-21
• 2.2 主要零件结构设计及计算21-28
• 2.3 本章小结28-29
• 第3章 涡轮设计及CFD水力性能分析29-46
• 3.1 涡轮叶栅的几何参数计算29-31
• 3.2 涡轮叶片造型设计31-38
• 3.3 涡轮数值模拟分析及涡轮级数计算38-43
• 3.4 涡轮特性曲线相似换算43-45
• 3.5 本章小结45-46
• 第4章 水力平衡系统设计及CFD计算46-69
• 4.1 平衡装置的方案设计46-47
• 4.2 两种平衡装置的结构设计及数目计算47-50
• 4.3 间隙网格疏密程度对计算结果的影响分析50-54
• 4.4 平衡系统CFD计算54-63
• 4.5 计算结果分析63-68
• 4.6 本章小结68-69
• 第5章 水力平衡系统的优选分析69-78
• 5.1 扶正轴承偏心运动分析69-72
• 5.2 两种平衡装置的比较分析72-74
• 5.3 盘鼓平衡系统参数回归分析74-77
• 5.4 本章小结77-78
• 第6章 结论与展望78-80
• 6.1 结论78-79
• 6.2 展望79-80
• 致谢80-81
• 参考文献81-86
• 附录86-91
• 附录1 涡轮定、转子叶片坐标86-89
• 附录2 单付涡轮机械性能预测89-90
• 附录3 单付涡轮相似转换机械性能预测90-91
• 个人简介91-92

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本文编号：460729