流体在内杆做行星运动的环空中流动的数值模拟

发布时间：2017-08-11 03:21

  本文关键词：流体在内杆做行星运动的环空中流动的数值模拟

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【摘要】：流体在内杆做行星运动的环空中的流动是指:环空中处于偏心位置的内杆以自身轴线为旋转轴自转的同时绕外圆筒轴线公转,流体在轴向压力梯度的作用下通过旋转运动的内杆与固定的井筒形成的环空。内杆的行星运动是螺杆泵井采油工况以及钻井工况中杆柱转动的一般形态。螺杆泵井抽油杆的转动状态对采出液流动阻力以及杆柱扭矩影响显著,钻井工况中钻杆的偏心公转对岩屑床的抑制和钻井液的携岩有重要影响,故对于流体在内杆做行星运动的环空中的流动的研究具有工程实际意义。本文采用计算流体动力学方法,以内杆行星运动的环空流场为研究对象,针对内杆的运动形式及规律编译刚体行星运动UDF程序,实现了内杆自转速度、公转速度、旋转方向以及运行轨道半径的控制,应用FLUENT动网格技术实现了内杆行星运动的环空中幂律流体流动的三维流场仿真计算。针对内杆仅自转流场进行了流致公转趋势的计算,得出内杆在横向上仅受流体力作用时将产生与其自转同时针方向公转运动的结论;针对加以内杆公转的流场,计算分析了杆柱公转及其转向对环空内流动的影响,结果表明:内杆的公转导致环空流场轴向速度流核区绕内杆轴线发生与公转反方向的旋转偏移,当公转与自转方向相反时环空流场内出现二次流。针对螺杆泵井采油工况,计算分析了流体幂律特性、抽油杆自转速度、公转速度以及内杆偏心率对杆管环空流体输运能力、二次流、轴向压降以及杆柱扭矩的影响。结果表明:随着内杆自转速度的增大,流体轴向压降减小,杆柱扭矩增大;随着公转速度的增大,轴向压降增大,二次流区域扩大;随着内杆偏心度的增大,流体轴向速度增大,压降降低,杆柱扭矩增大。针对水平段钻井工况,采用欧拉双流体模型实现钻杆行星运动的环空中流体携岩的液固两相流模拟,计算分析了岩屑颗粒直径、钻杆转向和转速以及钻杆偏心对井筒环空流体携岩特性的影响。结果表明:岩屑粒径较高时井筒环空低边位置易形成岩屑床,钻杆的公转提高了流体的携岩效果;随着钻杆转速以及偏心率的增大,床层发生旋转偏移且有更多的岩屑颗粒随钻井液流体旋流,流体携岩效率提高。
【关键词】：行星运动 幂律流体 动网格 UDF 螺杆泵杆柱 携岩
【学位授予单位】：东北石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE933.2
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-7
• 创新点摘要7-11
• 第一章 前言11-19
• 1.1 本论文的研究背景与意义11-12
• 1.2 研究现状12-17
• 1.2.1 流体在内杆做行星运动的环空中的流动12-14
• 1.2.2 螺杆泵井杆管环空中流体的流动14-16
• 1.2.3 大斜度井段钻井液携岩特性16-17
• 1.3 本论文的主要研究内容17-19
• 第二章 幂律流体偏心环空流动基本理论19-26
• 2.1 幂律流体偏心环空流动基本方程19-22
• 2.1.1 偏心环空过流断面几何特征19
• 2.1.2 幂律流体本构方程19-20
• 2.1.3 连续性方程及运动方程20
• 2.1.4 偏心环空中幂律流体螺旋流的解析解20-22
• 2.2 液固两相流动方程22-24
• 2.2.1 质量守恒方程22
• 2.2.2 动量守恒方程22-23
• 2.2.3 固相颗粒的脉动能量方程23
• 2.2.4 封闭方程23-24
• 2.3 湍流模型24-26
• 第三章 内杆行星运动的环空流场数值模拟方法26-42
• 3.1 内杆行星运动UDF编译26-30
• 3.1.1 UDF语言及类型选择26-27
• 3.1.2 输运方程27-28
• 3.1.3 DEFINE宏和公转轨道三角函数28
• 3.1.4 动网格宏DEFINE_CG_MOTION28-30
• 3.1.5 MS VC++及环境变量配置30
• 3.2 网格划分及三维动网格模拟30-39
• 3.2.1 仿真计算物理模型30-32
• 3.2.2 随体边界层网格及网格重构区域静网格划分32-34
• 3.2.3 内杆行星运动动网格计算方法34-36
• 3.2.4 内杆行星运动环空流场计算求解方法36-39
• 3.3 数值结果的实验验证39-42
• 3.3.1 实验装置及条件39-40
• 3.3.2 数值模拟计算与实验结果的对比40-42
• 第四章 内杆公转趋势分析及其转向对环空流场影响的数值模拟42-57
• 4.1 内杆仅自转时偏心率对环空流场及流致公转趋势的影响42-46
• 4.1.1 内杆偏心率对环空流场轴向速度的影响42-43
• 4.1.2 内杆偏心率对环空流场切向速度的影响43-44
• 4.1.3 内杆在不同偏心位置自转时径向运动趋势分析44-45
• 4.1.4 内杆在不同偏心位置自转时切向运动趋势分析45-46
• 4.2 内杆仅自转时转速对环空流场及流致公转趋势的影响46-48
• 4.2.1 内杆转速对环空流场轴向速度的影响46
• 4.2.2 内杆转速对环空流场切向速度的影响46-47
• 4.2.3 内杆以不同转速自转时径向运动趋势分析47
• 4.2.4 内杆以不同转速自转时切向运动趋势分析47-48
• 4.3 内杆公转及其转向对环空流场的影响分析48-55
• 4.3.1 内杆公转及其转向对环空流场轴向速度的影响48-50
• 4.3.2 内杆公转及其转向对环空流场切向速度及二次流的影响50-52
• 4.3.3 内杆公转及其转向对环空流场动态压力的影响52-54
• 4.3.4 内杆公转对杆壁剪切应力的影响54
• 4.3.5 内杆公转及其转向对杆柱所受扭矩的影响54-55
• 4.3.6 内杆公转及其转向对环空流场轴向压降的影响55
• 4.4 本章小结55-57
• 第五章 螺杆泵井采油工况下油管内流场的数值模拟57-73
• 5.1 流体幂律特性对内杆行星运动的环空流场的影响57-62
• 5.1.1 流体幂律特性对环空流场轴向速度的影响57-58
• 5.1.2 流体幂律特性对环空流场切向速度及二次流的影响58-60
• 5.1.3 流体幂律特性对环空流场轴向压降的影响60-61
• 5.1.4 流体幂律特性对杆柱所受扭矩的影响61-62
• 5.2 杆管自转速度对内杆行星运动的环空流场的影响62-64
• 5.2.1 内杆自转速度对环空流场轴向速度的影响62
• 5.2.2 内杆自转速度对环空流场切向速度及二次流的影响62-63
• 5.2.3 内杆自转速度对环空流场静态压力分布的影响63
• 5.2.4 内杆自转速度对环空流场轴向压降的影响63-64
• 5.2.5 内杆自转速度对杆柱所受扭矩的影响64
• 5.3 杆管公转速度对内杆行星运动的环空流场的影响64-66
• 5.3.1 内杆公转速度对环空流场轴向速度的影响64-65
• 5.3.2 内杆公转速度对环空流场切向速度及二次流的影响65
• 5.3.3 内杆公转速度对环空流场静态压力分布的影响65-66
• 5.3.4 内杆公转速度对环空流场轴向压降的影响66
• 5.3.5 内杆公转速度对杆柱所受扭矩的影响66
• 5.4 杆管偏心度对内杆行星运动的环空流场的影响66-70
• 5.4.1 内杆偏心度对环空流场轴向速度的影响67-68
• 5.4.2 内杆偏心度对环空流场切向速度及二次流的影响68-69
• 5.4.3 内杆偏心度对环空流场静态压力分布的影响69-70
• 5.4.4 内杆偏心度对环空流场轴向压降的影响70
• 5.4.5 内杆偏心度对杆柱所受扭矩的影响70
• 5.5 本章小结70-73
• 第六章 钻井工况下流体携岩特性的数值模拟73-85
• 6.1 钻杆公转及其转向对井筒环空流体携岩特性的影响73-75
• 6.1.1 钻杆公转及其转向对井筒环空岩屑颗粒分布的影响73-74
• 6.1.2 钻杆公转及其转向对井筒环空岩屑颗粒切向速度的影响74-75
• 6.2 岩屑粒径对井筒环空流体携岩特性的影响75-78
• 6.2.1 岩屑粒径对井筒环空岩屑颗粒分布的影响76-77
• 6.2.2 岩屑粒径对井筒环空岩屑颗粒轴向速度的影响77-78
• 6.3 钻杆转速对井筒环空流体携岩特性的影响78-80
• 6.3.1 钻杆转速对井筒环空岩屑颗粒分布的影响78-79
• 6.3.2 钻杆转速对井筒环空岩屑颗粒切向速度的影响79-80
• 6.4 钻杆偏心度对井筒环空流体携岩特性的影响80-83
• 6.4.1 钻杆偏心度对井筒环空岩屑颗粒分布的影响80-81
• 6.4.2 钻杆偏心度对井筒环空岩屑颗粒轴向速度的影响81-82
• 6.4.3 钻杆偏心度对井筒环空岩屑颗粒切向速度的影响82-83
• 6.5 本章小结83-85
• 结论85-86
• 参考文献86-92
• 发表文章目录92-94
• 致谢94-95

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