井底交变流场提速工具的研制及特性测试

现有脉冲射流发生工具存在脉冲强度沿程损耗大、提速效果不明显的问题。为此,研制了一种新型井底交变流场提速工具。该工具主要由叶轮式动力机构和盘阀式脉冲发生机构组成,通过将脉冲发生机构放入钻头内部的方法来减少脉冲强度沿程损耗。采用室内试验方法对其脉冲特性进行研究。研究结果表明:叶轮倾角的增大会提高叶轮转速;随排量的增加,叶轮转速先趋于线性增加,最终稳定在500～600 r/min,当盘阀孔数为2、3、4时,对应的脉冲频率分别稳定在20、30、40 Hz左右,当排量为23 L/s时,工具压耗最大为0. 6 MPa,压力波动幅值最大1. 6MPa,且脉动幅值随盘阀孔数减少而增大。最后对井底交变流场提速工具结构参数进行了优选,即动力机构优选叶片倾角为30°的叶轮,脉冲发生机构优选2扇形孔盘阀。研究结果可为井底交变流场提速工具及相似工具的优化设计提供依据。     

叶轮式井底盘阀脉冲射流钻井工具性能分析与优化

为进一步提高钻井效率,基于井底不对称流场在清岩与辅助破岩等方面所具有的良好效果,设计了一种以小型水动力叶轮为驱动力来源的叶轮式井底盘阀脉冲射流钻井工具,并通过数值模拟及试验对水动力叶轮与该射流工具进行了优化设计。利用计算流体力学软件Pumplinx对叶轮区域进行了全工况数值模拟,通过分析内部流场的压力、速度以及湍动能的分布特性,总结了叶轮转速与阻力扭矩及轴向力之间的响应关系;通过在该射流工具进口段布置导流块、对叶片轮毂端进行光顺处理以及选取合适的叶片包角等优化措施,让叶轮进口流场得到改善的同时,提高了叶轮的水动力特性并消除了部分轴向力。模拟结果显示,初始叶轮在75 r/min转速下可克服的自然负载阻力扭矩从1.07 N·m提高到3.93 N·m。研究结果表明,所述优化方案能大幅提高叶轮式井底盘阀脉冲射流工具的脉冲性能,优化效果十分显著。      

水力脉冲空化射流发生器参数优化试验研究

为优化水力脉冲空化射流发生器的参数,采用设计的试验模拟工具及相应的试验台架进行了室内试验。着重研究了叶轮叶片数量、排量对压力波动效果的影响。试验结果表明,随着排量的增加,经过水力脉冲空化射流发生器的流体平均压力增大,压力波动振幅增大;在试验条件下,排量为13.67L/s时,采用3片叶轮,平均压力为1.25MPa,产生的脉冲效果明显,压力波动振幅为1.1MPa。     

叶片包角对中比转速泵流场及水力振动的影响分析

以1台比转速为103的中比转速离心泵为例进行了叶片包角对离心泵水力振动影响的分析,分别采取116°、122°和128°的叶片包角进行不同工况下离心泵外特征的研究。通过电脑模拟仿真分别测定了3种情况下叶轮流道、蜗壳流道内监测点的压力脉动特性,并绘制了压力脉动频域分布图,最终得出以下结论:中比转速离心泵的最佳叶片包角为122°,在这个角度下,中比转速离心泵可以实现扬程与效率最高,并且最佳效率点向大流量方向延伸,叶轮流道内的压力脉动与叶片包角大小成反比,压力脉动幅值与叶片包角大小成正比;蜗壳内压力随着叶片包角增大而增大,但蜗壳内各监测点的压力脉动幅值变化规律并不相同,既有随叶片包角的增大而增大的现象,也有随叶片包角的增大而减小的现象。综合各项因素整体来看,增大叶片包角可以减小中比转速离心泵的水力振动。     

水力脉冲射流压力波动特性规律研究

脉冲射流在井底能够产生瞬时负压和脉冲冲击等作用,减小岩屑的压持效应,提高破岩和清岩效率。在建立水力脉冲射流特性模型的基础上,研究了水力脉冲射流压力波动随管路变化的趋势,分析了管路长度和粗糙度等因素对脉冲压力波动特性的影响,并通过室内试验对分析结果进行了验证。分析结果表明,水力脉冲射流发生器能将连续射流调制成脉冲射流,并在后接管路中形成周期性压力波动;随着流体在管路中前进,脉动压力幅值呈线性衰减,且脉动压力幅值的衰减随管路长度的增加而减小;在后接管路长度和粗糙度一定的条件下,管路中的脉动压力幅值随水力脉冲射流发生器入口排量的增大呈增大趋势。     

随钻测井用涡轮发电机叶轮组水力性能分析

采用CFD方法对某型随钻井下涡轮发电机叶轮组进行数值分析,计算叶片的水力特性,预测叶轮的输出性能。首先,提取叶轮模型的几何特征参数,采用CFD分析软件FINE/Turbo建立仿真模型,并对叶轮组进行全三维数值仿真模拟,得出静子叶片出口流动角和转子叶片进口流动角沿径向分布规律,以及转子叶片压力系数沿径向分布等水力特性参数。然后通过计算得到叶轮的输出功率、输出扭矩和效率等宏观特性参数,并解释了叶轮输出特性与叶片水力特性之间的关系。最后通过试验验证数值仿真叶轮的转速误差在6%以内。研究结果可为叶片改型和叶轮输出性能的改进提供参考。     

部分流泵的三维流场数值模拟及叶片研究

利用CFD技术,基于N-S方程,应用标准κ-ε模型和标准壁面函数对单级部分流泵在设计工况进行了三维湍流数值模拟。为了验证不同的叶片进出口安放角并与螺旋形蜗壳搭配对切线泵性能的影响,设计3个不同的模型进行模拟,分析了叶轮流道内的压力场、速度场的变化规律,并预测出其性能曲线。结果表明,部分流泵的叶轮叶片进、出口具有合适安放角,可以减小性能曲线的陡降度,提高扬程,并使效率有所提高。     

围压工况下附壁脉冲射流喷嘴性能研究

附壁脉冲射流喷嘴可用于井下切割和破岩等工艺。为分析脉冲喷嘴在深井环境下的工作性能,在30 MPa高围压条件下,对喷嘴内流场进行了数值模拟,分析了不同结构和运行参数下的射流压力脉动性能。研究结果表明:喷嘴射流脉冲频率随着反馈通道直径增大而增大,压力脉动幅值呈现先增加后下降,最大压力脉动幅值为0. 154 MPa;喷嘴射流的压力脉动幅值随着附壁夹角增大而增大,但脉冲频率先增加后基本保持稳定;随着出口直径增加,脉冲频率先基本保持不变再减小,后又基本保持不变,压力脉动幅值不断减小,最大压力脉动幅值为0. 332 MPa;雷诺数在2. 3×10~5～5. 6×10~5时,脉冲频率随雷诺数的增加呈线性增加;斯特劳哈尔数呈现略微下降趋势,但总体变化不大;附壁脉冲射流喷嘴流量与脉冲频率成正比。研究结果可为脉冲射流喷嘴的发展和现场应用提供一定的指导。     

脉冲式井下增压钻井装置增压特性研究

基于脉冲式井下增压钻井装置的结构和工作原理,建立了其活塞增压模型,进而对其增压特性进行数值模拟研究。研究结果表明,流体增压是活塞运动和高压喷嘴节流共同作用的结果。当其他条件相同时,高压喷嘴出口流速随转速、活塞行程的增大而增大,并且增大幅度较高,增压压力受这3个因素的影响规律相似;高压喷嘴出口流速和增压压力都随高压喷嘴直径的增大而明显降低;随着钻井液密度增大,高压喷嘴出口流速和增压压力稍微增大。高压脉冲射流的脉冲频率只与转速有关,且随转速增大而增大,其他因素对其没有影响。该研究结果为后续的样机设计和现场试验参数的确定提供了依据。     

脉冲射流破岩规律的数值试验

利用非线性动力有限元方法和岩石的动态损伤模型,系统研究了脉冲射流的速度、长度、频率以及脉冲的数量等参数对破岩效果的影响,并用试验进行了验证。研究结果表明,脉冲射流的速度、长度和脉冲数量增大时,岩石的破碎效率迅速增大;射流的破岩效果随脉冲频率的增大,呈现先增大后减小的趋势,存在一个最优频率范围。在此基础上分析了脉冲射流的破岩机理,所得结论为脉冲射流的设计提供了依据。     

旋转喷头射流工具水力参数优化及结构参数优选

旋转喷头射流工具能产生高速射流，并且在射流反冲力作用下推动喷头旋转，形成复杂的旋转射流，可实现油管和套管高效清洗。以7 000 m井深条件下?73 mm油管为例，设计了与?44.5 mm连续管配套的?54 mm系列旋转喷头射流工具，开展了旋转喷头射流工具水力参数优化，并利用计算流体力学方法对工具结构参数进行优选。研究表明:当排量为270 L/min时旋转喷头射流工具的射流速度约为170 m/s，系统总压耗约为42 MPa，可以满足清洗要求；随着侧向喷嘴偏移半径增加，侧向喷嘴产生的反冲击力矩近似线性增加，其对壁面冲击压力先降低后升高；随着倾斜角度的增加，倾斜喷嘴对油管内壁冲击压力增加；转速在60~360 r/min内，倾斜喷嘴对壁面冲击压力变化不大；最优的结构参数组合为侧向喷嘴偏移半径12 mm、倾斜喷嘴倾斜角度75°、前倾喷嘴角度15°。该研究可为旋转喷头射流工具现场施工和参数优化提供指导。     

叶轮式旋转射流喷嘴的射流特性研究

为提高PDC钻头钻进水平段时的井底射流辅助破岩能力,开展了叶轮式旋转射流喷嘴的射流特性研究。利用k-ε双方程标准湍流模型,对叶轮式旋转射流流场进行了数值模拟,并采用旋流强度和流量系数评价了射流破岩能力。数值模拟结果表明,叶片扭曲角为115°~140°、直柱段无因次长度为0.6~0.8、收缩角为60°~70°时,流量系数和旋流强度可取得最佳值,射流破岩能力最强。根据不同喷距下的旋转射流破岩试验结果,分析了叶轮式旋转射流喷嘴的破岩特性,结果表明,同压降下叶轮式旋转射流破岩直径是普通直射流的近3倍,且喷距在7~11倍喷嘴出口直径时破岩直径最大。研究结果表明,叶轮式旋转射流喷嘴的破岩能力优于普通直射流喷嘴,且通过优化叶轮式旋转射流喷嘴几何参数可提高其破岩能力,加强井底清岩和辅助破岩效果,提高PDC钻头的破岩效率。      

煤层水力自旋转射流钻头设计

高压旋转水射流技术在钻大井径、长连续孔方面具有明显优势，在煤层中钻井又具有高效、节能、钻孔大、成孔规则、破岩效率高等优点，因此在煤层气地面径向水平井技术和井下采空区钻长直井技术中广为应用。主要从理论上分析了旋转射流和射流旋转各自的流动规律、破岩过程及破岩机理，并在此基础上分析了旋转射流钻头各设计参数的取值范围，结合已有的经验值，优化设计了可控外壳旋转内导叶轮、可控中心轴旋转内导叶轮、偏置可控外壳自旋转、偏置可控中心轴自旋转等4种水力旋转式钻扩孔射流钻头。这些钻头适用于在煤层中钻孔及安全排放瓦斯气体。     

带自旋自浮挡板的表面曝气装置气液传质特性研究

研究了Rushton桨、向下斜叶透平桨和平桨与不同直径和倾角的自旋自浮挡板组合的表面曝气装置的搅拌功率和气液传质特性。实验结果表明 ,自旋自浮挡板对Rushton桨的表面曝气性能有改善作用 ,且最佳尺寸为直径 6 2mm ,叶片倾角 6 0°;自旋自浮挡板在一定操作范围内可以提高向下斜叶透平桨的表面曝气性能 ,但不存在最优尺寸 ;自旋自浮挡板与平桨组合可使搅拌功率变大 ,但对平桨的曝气能力影响不大。     

圆盘涡轮式搅拌槽内的压力场分布研究

利用计算流体力学方法对圆盘涡轮式搅拌槽内搅拌过程的压力场进行了计算模拟,并将模拟结果与文献数据对比,结果发现模拟得到的速度结果与文献数据一致,搅拌过程产生的负压存在于桨叶附近。测压试验表明,对于桨叶外部的流体,搅拌负压在叶端出口处最大,离桨叶叶端越近,负压越大;搅拌负压随转速成指数函数关系增大,其中在600 r/m in左右的转速下,在距桨叶叶端径向距离3 mm处能够达到自吸状态。最后建议将通气口安装于桨区出口靠近桨叶处,这样能降低进气压力,从而降低成本。     

输送粘油时叶轮几何参数对离心泵性能的影响

试验研究了以叶片数及叶片出口角为代表的叶轮几何参数对离心泵输送粘性油性能的影响。在离心泵试验台架上,测量了输送不同粘度油品时不同叶片数及叶片出口角叶轮的外特性;对比了在泵送不同粘度介质时叶片数及叶片出口角对离心泵性能的影响程度。试验表明,叶片数与叶片出口角对离心泵性能的影响程度随输送油品粘度范围的不同而改变。分析可知,输送油品运动粘度低于１００×１０－６ｍ２／ｓ时,增大叶片出口角,能有效提高泵的输送能力;输送高粘油时,宜采用少叶片数叶轮。三叶片叶轮能在较大范围内延缓粘性对离心泵性能的影响。     

旋转喷射泵S形叶片复合叶轮的设计

在介绍旋转喷射泵的工作原理及特点后,重点论述了旋转喷射泵的设计理论,讨论了S形叶片复合叶轮结构参数的计算方法和取值范围。结合设计实例,给出1个S形叶片二级复合叶轮的设计结构参数,加工出复合叶轮并组装成旋转喷射泵进行试验,拟和出泵试验性能曲线。与后弯式叶片复合叶轮泵性能曲线相比,这种泵扬程和流量均有所增加,泵性能达到了设计指标和要求。     

井下发电机涡轮设计、动力模拟与性能试验

为了缩短涡轮研制周期,降低研制费用,在涡轮机械一元流理论基础上进行叶栅叶型设计,借助计算机辅助叶片造型,运用CFD软件对井下涡轮进行了全三维模型数值模拟和力学性能预测。模拟结果与试验结果对比表明,在涡轮转速低于1 000 r/min时相同转速下实测扭矩小于模拟扭矩,而高于1 000 r/min后相同转速下实测扭矩大于模拟扭矩,但两者相差不大;压降变化趋势基本相同,低转速下模拟压降稍小于实测压降;涡轮空转转速实测值稍高于模拟值。最后指出,一元流理论同计算辅助叶片造型相结合,通过合理调整相关参数满足流道、叶片型线和喉部折转角的检验要求,可以达到理论设计的预期结果。