粒子沖擊鉆井中粒子流動(dòng)特性的數(shù)值模擬及相關(guān)試驗(yàn)研究.pdf

1、粒子沖擊鉆井技術(shù)作為專門針對(duì)深井硬質(zhì)地層鉆探的新型鉆井技術(shù)，由于其自身的優(yōu)點(diǎn)，近些年的研究發(fā)展非常迅速。在粒子沖擊鉆井技術(shù)中，球形鋼質(zhì)粒子（以下簡(jiǎn)稱“粒子”）能否隨鉆井液從井筒底部成功上返及上返的相關(guān)規(guī)律是決定該技術(shù)可行性的重要因素，同時(shí)鉆井液攜帶粒子流動(dòng)過程中粒子對(duì)鉆桿沖蝕磨損程度是否會(huì)直接影響該系統(tǒng)的使用壽命也是值得研究的問題。本文首先通過模擬和試驗(yàn)研究了粒子在環(huán)空中上返相關(guān)規(guī)律問題，并借助量綱分析理論建立數(shù)學(xué)模型，描述了環(huán)空間隙和

2、流體臨界上返速度之間的關(guān)系，然后利用試驗(yàn)研究了粒子對(duì)鉆桿的磨損情況。
　　 本文研究主要采用模擬和試驗(yàn)兩個(gè)方法，模擬采用的是FLUENT軟件，試驗(yàn)所用試驗(yàn)臺(tái)為自主設(shè)計(jì)搭建。
　　 針對(duì)粒子環(huán)空返流問題，利用軟件模擬了清水和四種不同黏度的泥漿攜帶粒子分別在不同環(huán)形空間上返，根據(jù)模擬的粒子體積分?jǐn)?shù)圖和速度矢量圖確定出環(huán)空中流體臨界上返速度，并結(jié)合量綱分析方法推導(dǎo)出環(huán)空間隙和粒子粒徑比（以下簡(jiǎn)稱“間隙粒徑比”）與粒子雷諾數(shù)、間

3、隙粒徑比與粒子弗勞德數(shù)、環(huán)空間隙與臨界上返速度三個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式。由公式可知，隨著間隙粒徑比逐漸增大，粒子雷諾數(shù)和粒子弗勞德數(shù)漸漸減小，而且隨著環(huán)空間隙逐漸增大，臨界上返速度逐漸減小。
　　 試驗(yàn)研究了粒子環(huán)空返流和粒子對(duì)鉆桿沖蝕磨損兩個(gè)問題。在粒子環(huán)空返流試驗(yàn)中，通過觀察測(cè)出清水?dāng)y帶粒子分別在不同環(huán)形空間成功上返時(shí)清水的臨界上返流量，并結(jié)合量綱分析方法推導(dǎo)出間隙粒徑比與粒子雷諾數(shù)、間隙粒徑比與粒子弗勞德數(shù)、環(huán)空間隙與臨界上返速度三個(gè)