离心式井底增压系统设计与数值模拟研究

论文摘要

本文针对高压射流钻井技术发展的需要,设计了离心式井底增压系统。该系统由涡轮动力单元、离心固液分离单元、离心增压单元和高低压双流道单元等四部分串联而成,即通过钻井液驱动涡轮旋转,带动固液分离装置和离心增压装置,使部分经固液分离的清洁钻井液,经增压后通过高低压双流道单元的高压流道进入钻头高压喷嘴,达到提高井底射流压力和速度,从而提高钻井速度、降低钻井成本的目的。以优选涡轮叶片型线为核心,在对传统叶片型线分析的基础上,采用了单型线且具有连续三阶导数的型线设计模型,避免了叶片后缘附近脱流现象的发生,保证了叶片表面速度和压力分布的平滑变化,提高了涡轮的效率,形成了一套高速涡轮叶片造型设计的新方法。同时,采用雷诺时均方程并结合改进型的RNGk ?ε湍流模型对涡轮马达进行了内部流动的全三维数值模拟,避免了模拟过程中需要考虑涡轮间隙泄漏的问题,并根据数值模拟结果对高速涡轮设计进行了改进。基于对高速多级离心泵复杂结构的分析,建立了通过VB编程与Pro/E相结合,利用Beizer曲线对高速多级离心泵叶片进行参数化造型设计的新方法,并成功开发了高速多级离心泵设计CAD软件。应用本文开发的设计软件,结合油田钻井生产实际条件,设计出了由112级叶导轮组成的井底增压系统的高速多级离心泵。首次对不同流量工况下五级离心泵的总体特性以及内部流动特征进行了全三维流动数值模拟,并对离心泵各级叶导轮的子特性以及流动特征进行了详细研究,着重分析了各级叶导轮在性能、子午平均流动参数以及三维参数分布上的异同。数值模拟结果表明,除第一级泵级内流场有其特殊的流动规律外,以后各级泵级内的流动特性都具有很好的一致性。因此,可以认为选取三级泵级的计算域进行特性及流动特征的模拟,便可以准确的对整机性能进行分析,从而使整机离心泵的数值模拟得以大大简化。实验研究支持了理论分析,结果表明在现有钻井条件下,在27.3L/s的排量和4200rpm转速下,通过本文研制的第一代井底增压系统,可使涡轮产生273N.m的扭矩,118.8KW的输出功率,整机效率为59.8%;高速多级离心泵在输入115KW的轴功率,260.95N.m的扭矩下,其输出压力增值可达26.1MPa左右,总效率可达61.2%,可使钻头高压喷嘴压降达到36MPa以上,从而为井底增压钻井技术的发展提供了一条新的技术支撑。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 本文立论依据及研究目的和意义
• 1.2 国内外研究与发展概况
• 1.3 本论文的总体研究思路及内容
• 第二章 离心式井底增压系统初步设计与可行性分析
• 2.1 离心式井底增压系统的初步设计
• 2.2 离心式井底增压系统可行性分析
• 2.2.1 循环压耗
• 2.2.2 井底增压可行性分析
• 2.3 本章小结
• 第三章 高速涡轮马达设计
• 3.1 涡轮定、转子主要几何尺寸确定
• 3.2 涡轮叶栅流动参数计算
• 3.3 叶片造型设计
• 3.4 高速涡轮马达设计结果
• 3.5 本章小结
• 第四章 高速涡轮内部流场数值模拟与分析
• 4.1 涡轮马达内部流场数值计算方法
• 4.1.1 圆柱坐标系下绝对定常运动的基本方程
• 4.1.2 圆柱坐标系下相对定常运动的基本方程
• 4.1.3 RNG k-ε方程
• 4.2 涡轮内流场的CFD建模
• 4.2.1 建立CFD分析模型
• 4.2.2 模型离散
• 4.2.3 边界条件设置
• 4.3 数值模拟结果与分析
• 4.3.1 涡轮机械参数模拟结果与分析
• 4.3.2 涡轮内流场分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 高速多级离心泵参数化设计
• 5.1 国内外离心泵参数化设计研究现状
• 5.1.1 CAD技术基本知识
• 5.1.2 参数化设计基本知识
• 5.1.3 离心泵参数化CAD技术发展现状
• 5.1.4 离心泵参数化CAD技术的发展趋势
• 5.2 高速多级离心泵设计基本理论
• 5.2.1 井下增压多级离心泵结构特点
• 5.2.2 叶轮外形及主要结构尺寸
• 5.2.3 离心泵叶轮水力设计方法
• 5.2.4 叶轮主要参数的计算
• 5.3 高速多级离心泵叶轮参数化设计软件开发
• 5.3.1 叶轮参数化模型库的建立
• 5.3.2 叶轮参数化设计软件开发
• 5.3.3 参数化设计的关键技术
• 5.4 高速多级离心泵设计结果
• 5.5 本章小结
• 第六章 高速多级离心泵内部流场数值模拟方法
• 6.1 离心泵内部流场数值模拟方法概述
• 6.1.1 离心泵叶轮内流场数值模拟发展回顾
• 6.1.2 离心泵叶轮内流场数值分析方法
• 6.1.3 离心泵数值模拟发展展望
• 6.1.4 本文拟采取的方法
• 6.2 控制方程组
• 6.3 湍流模型
• 6.4 空间离散
• 6.4.1 离散方程
• 6.4.2 无粘通量离散
• 6.4.3 粘性通量离散
• 6.5 时间推进
• 6.5.1 显式格式
• 6.5.2 数值加速方法
• 6.6 转静子交接面处理方法
• 6.7 本章小结
• 第七章 高速多级离心泵内部流动数值模拟结果与分析
• 7.1 引言
• 7.2 高速多级离心泵概述
• 7.3 计算网格
• 7.4 数值方法
• 7.5 边界条件
• 7.6 计算结果与分析
• 7.6.1 总体机械性能
• 7.6.2 各泵级机械性能
• 7.6.3 叶轮加功特性
• 7.6.4 子午平均结果
• 7.6.5 泵内流动参数分布
• 7.7 离心泵性能及内部流动总体评价
• 7.7.1 总体设计方案及性能
• 7.7.2 叶轮及导轮
• 7.7.3 子午流道
• 7.8 本章小结
• 第八章 实验测试与分析
• 8.1 高速涡轮实验
• 8.1.1 高速涡轮实验方案
• 8.1.2 高速涡轮实验装置
• 8.1.3 涡轮实验结果与分析
• 8.2 离心泵实验
• 8.2.1 离心泵实验方案
• 8.2.2 离心泵实验装置
• 8.2.3 高速离心泵实验结果与分析
• 8.3 实验结果与设计结果以及数值模拟结果的比较
• 8.4 本章小结
• 总结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 作者简介