粒子冲击钻井中高压粒子泥浆阀及粒子处理系统的研究

论文摘要

本文对一种新型石油钻井技术——粒子冲击钻井(PID)技术所用高压粒子泥浆阀、钻井液中钢质粒子的分离方法以及相关设备进行了设计和研究。通过了解国内外相关技术的研究进展,结合粒子冲击钻井技术的特殊要求,设计了适用高压粒子泥浆输送管路的高压粒子泥浆阀,该阀能很好地满足粒子冲击钻井的特殊工况要求。并且设计了应用于粒子冲击钻井系统的粒子处理系统(PPS)。高压粒子泥浆阀的阀板与阀座采用接触式机械密封,能有效密封管路中的高压流体；阀门具有手动控制及液压传动控制两套控制结构；阀板上的阀孔及阀座阀孔交界处的倒角设计可防止钻井液中钢质粒子对阀门内部阀板和阀座的损坏。应用ANSYS软件对高压粒子泥浆阀即将完全关闭时刻阀板、阀座以及钢质粒子的接触过程进行瞬态动力学分析。高压粒子泥浆阀由于其内部阀板上的阀孔与阀座上的阀孔相应的倒角结构创新,可以有效防止在即将关闭时出现粒子夹卡、破碎的情况,延长阀门的使用寿命。设计了粒子处理系统(PPS)的工艺流程,并分析和阐述了本粒子处理系统中的分离、输送、粒子处理、存储设备的设计和选型方法。此粒子回收系统可以连续完成粒子的循环、分离、存储。本课题在国内尚属首次系统研究,文中设计的粒子冲击钻井粒子分离方法及相关设备可以很好的适应粒子冲击钻井系统的工作需要,对此技术的后续研究具有借鉴作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及问题的提出
• 1.1.1 钻井技术的发展状况及粒子冲击钻井诞生背景
• 1.1.2 粒子冲击钻井工作原理
• 1.1.3 本课题的提出
• 1.2 粒子泥浆阀及粒子泥浆分离方法的概述
• 1.2.1 泥浆阀的发展状况
• 1.2.2 泥浆分离方法的发展状况
• 1.3 粒子泥浆阀及粒子泥浆分离方法的研究成果及发展趋势
• 1.4 本课题的目的和意义
• 1.5 本课题研究的主要内容
• 第二章 粒子冲击钻井系统中高压粒子泥浆阀的研究与设计
• 2.1 高压粒子泥浆阀结构及工作原理简介
• 2.1.1 高压粒子泥浆阀的结构及工作原理
• 2.1.2 高压粒子泥浆阀的结构特点
• 2.2 粒子泥浆阀的设计思路
• 2.3 阀板两端密封开启的力学分析
• 2.4 主要部件的结构设计及相关的力学分析
• 2.4.1 大弹簧的设计计算
• 2.4.2 阀体两侧接合处窄面法兰等的设计计算
• 2.4.3 实现阀门有效关闭的阀杆轴向力P的分析计算
• 2.4.4 手动阀杆上螺旋传动部分的计算
• 2.4.5 计算阀杆的最小直径
• 2.4.6 手轮部分的设计
• 2.4.7 液压缸的选型和设计
• 2.4.8 阀杆与阀板连接处的结构设计
• 2.4.9 校核固定滑动螺母的小销钉的强度
• 2.4.10 填料密封的计算
• 2.5 高压粒子泥浆阀装配与试压
• 第三章 阀门倒角处粒子的有限元分析
• 3.1 阀板和阀座结构及倒角设计
• 3.2 有限元方法及仿真软件ANSYS简介
• 3.3 有限元模型及瞬态动力学模块简介
• 3.4 高压粒子泥浆阀相关参数的选取及阀座与阀板仿真模型的建立
• 3.5 仿真模拟结果
• 3.5.1 系统总体位移云图
• 3.5.2 系统总体Von Mises应力云图
• 3.5.3 粒子的Von Mises应力云图
• 3.5.4 粒子的第一主应力云图
• 3.5.5 粒子剖面Von Mises云图
• 3.5.6 粒子上节点随时间变化的Von Mises应力曲线
• 3.5.7 系统总体Von Mises应变云图
• 3.6 结论
• 第四章 粒子冲击钻井的粒子处理系统（PPS）研究
• 4.1 粒子处理系统（PPS）的工艺流程的设计
• 4.2 粒子处理系统（PPS）各部分主要设备的选型、参数的选择及相关设备的研究
• 4.2.1 输送及存储相关设备的设计
• 4.2.2 分离部分主要设备的选型、参数的选择及相关设备的研究
• 4.2.3 粒子存储前的处理及存储输送相关部分的研究
• 4.3 粒子处理系统在井场上的布置
• 第五章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者与导师简介
• 北京化工大学 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书