離心式井底增壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬研究.pdf

1、本文針對(duì)高壓射流鉆井技術(shù)發(fā)展的需要，設(shè)計(jì)了離心式井底增壓系統(tǒng)。該系統(tǒng)由渦輪動(dòng)力單元、離心固液分離單元、離心增壓?jiǎn)卧透叩蛪弘p流道單元等四部分串聯(lián)而成，即通過(guò)鉆井液驅(qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)固液分離裝置和離心增壓裝置，使部分經(jīng)固液分離的清潔鉆井液，經(jīng)增壓后通過(guò)高低壓雙流道單元的高壓流道進(jìn)入鉆頭高壓噴嘴，達(dá)到提高井底射流壓力和速度，從而提高鉆井速度、降低鉆井成本的目的。 以優(yōu)選渦輪葉片型線為核心，在對(duì)傳統(tǒng)葉片型線分析的基礎(chǔ)上，采用了單型線且

2、具有連續(xù)三階導(dǎo)數(shù)的型線設(shè)計(jì)模型，避免了葉片后緣附近脫流現(xiàn)象的發(fā)生，保證了葉片表面速度和壓力分布的平滑變化，提高了渦輪的效率，形成了一套高速渦輪葉片造型設(shè)計(jì)的新方法。同時(shí)，采用雷諾時(shí)均方程并結(jié)合改進(jìn)型的RNGk-ε湍流模型對(duì)渦輪馬達(dá)進(jìn)行了內(nèi)部流動(dòng)的全三維數(shù)值模擬，避免了模擬過(guò)程中需要考慮渦輪間隙泄漏的問(wèn)題，并根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)高速渦輪設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)。 基于對(duì)高速多級(jí)離心泵復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析，建立了通過(guò)VB編程與Pro/E相結(jié)合，利用B

3、eizer曲線對(duì)高速多級(jí)離心泵葉片進(jìn)行參數(shù)化造型設(shè)計(jì)的新方法，并成功開(kāi)發(fā)了高速多級(jí)離心泵設(shè)計(jì)CAD軟件。應(yīng)用本文開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)軟件，結(jié)合油田鉆井生產(chǎn)實(shí)際條件，設(shè)計(jì)出了由112級(jí)葉導(dǎo)輪組成的井底增壓系統(tǒng)的高速多級(jí)離心泵。 首次對(duì)不同流量工況下五級(jí)離心泵的總體特性以及內(nèi)部流動(dòng)特征進(jìn)行了全三維流動(dòng)數(shù)值模擬，并對(duì)離心泵各級(jí)葉導(dǎo)輪的子特性以及流動(dòng)特征進(jìn)行了詳細(xì)研究，著重分析了各級(jí)葉導(dǎo)輪在性能、子午平均流動(dòng)參數(shù)以及三維參數(shù)分布上的異同。數(shù)值模擬

4、結(jié)果表明，除第一級(jí)泵級(jí)內(nèi)流場(chǎng)有其特殊的流動(dòng)規(guī)律外，以后各級(jí)泵級(jí)內(nèi)的流動(dòng)特性都具有很好的一致性。因此，可以認(rèn)為選取三級(jí)泵級(jí)的計(jì)算域進(jìn)行特性及流動(dòng)特征的模擬，便可以準(zhǔn)確的對(duì)整機(jī)性能進(jìn)行分析，從而使整機(jī)離心泵的數(shù)值模擬得以大大簡(jiǎn)化。 實(shí)驗(yàn)研究支持了理論分析，結(jié)果表明在現(xiàn)有鉆井條件下，在27.3L/s的排量和4200rpm轉(zhuǎn)速下，通過(guò)本文研制的第一代井底增壓系統(tǒng)，可使渦輪產(chǎn)生273N.m的扭矩，118.8KW的輸出功率，整機(jī)效率為59.