调控参数对涡轮钻具叶片性能的影响

涡轮叶片的参数调控优化设计能够较好地改善涡轮钻具的转矩、效率等水力参数。为此,基于贝塞尔曲线理论和流体动力学理论,通过理论分析、仿真模拟及试验对比等方法全面研究了涡轮叶片参数的设计对涡轮性能的影响。分析结果表明:提出的数值模拟方法可以系统地实现涡轮叶片从造型设计、性能预测到参数优化的全面分析;在低转速时,安装角对输出功率与效率的影响不明显,超过最优转速后其对效率和功率的影响显著,并且涡轮扭矩、压降、输出功率及效率随安装角的增大呈降低趋势;随着后锥角的增大,扭矩、压降及输出功率都呈增大趋势,因此涡轮要在最高效率下获得较大输出功率,可适当增大后锥角。所得结论可为高性能涡轮叶片型线的设计提供参考。     

应用CFD软件模拟Φ115 mm涡轮钻具机械特性

应用CFD软件对涡轮钻具组的内流场进行了分析研究，重点讨论了模拟压降和扭矩。考虑容积损失和摩擦损失的影响，采用三元流动设计理论，用粘性流体代替理想流体，用湍流代替层流，研究跨叶片的流场及其流体与叶片的相互作用，计算压降的理论预测值与实测值非常接近，修正后的模拟扭矩基本等于对应转速下的实测值，模拟总效率曲线也与实测曲线基本吻合。通过模拟，获得了较详细的内流场数据，揭示了内流场与外特性之间的关系，进一步说明CFD的有效性，对改进涡轮机械性能指明了途径。     

超重机内多孔板填料上气液流场的计算流体动力学模拟

采用Fluent软件对填料内径65 mm、外径250 mm的超重机内多孔板填料上的气液流场进行模拟研究。模拟结果表明,填料上的液体速度场分布不均匀;填料转速对液体的切向速度场有影响,液体入口速度对径向速度场有影响;填料上的气体静压力场分布很有规律;填料转速对气体干床压降的影响很小,气体流量对干床压降的影响较为明显;当填料转速为0¹ 000 r/min、液体入口速度为0.31 000 r/min、液体入口速度为0.3⁴.0 m/s时,液滴在填料上的运动轨迹呈螺旋线型,停留时间为0.104.0 m/s时,液滴在填料上的运动轨迹呈螺旋线型,停留时间为0.10⁰.94 s,运动路程为0.130.94 s,运动路程为0.13⁰.45 m;当气体流量为22.80.45 m;当气体流量为22.8¹32.3 m3/h、填料转速为0132.3 m3/h、填料转速为0¹ 000 r/min时,干床压降为71 000 r/min时,干床压降为7¹ 844 Pa。     

适用于大排量的涡轮供电式脉冲发生器设计

涡轮供电式脉冲发生器在直径超过444.5 mm的超大井眼施工过程中会出现耐冲蚀性能不足以及发电机转速过载严重等问题。为了提高该工具的耐冲蚀度和稳定性,延长工具使用寿命,采取以下措施:(1)对涡轮和导轮结构进行优化设计;(2)对脉冲发生器的机械结构和材质进行优化设计。室内试验和现场试验结果表明:相同排量下的涡轮转速与排量数值比由优化前的84~87降到优化后的62~64,转速降低明显;(2)发电机涡轮转速的最佳范围为3 500~5 000 r/min,当排量为70 L/s时,优化前涡轮转速为6 070 r/min,超出了电源电路板的适应转速,优化后涡轮转速为4 500 r/min左右,在最佳转速范围内;改进后流道截面积比改进前流道截面积扩大1.62倍,过流速度降低38%。优化后的涡轮供电式脉冲发生器在大排量工况下运转正常,其实际涡轮转速与实验室预测数据非常接近,使用寿命有了稳定保证。     

叶片数对水力减速级涡轮输出性能的影响研究

在涡轮钻具中装入一定数量的水力减速级涡轮可以显著降低涡轮轴的空转转速及工作转速,但目前对水力减速级涡轮的研究较少。鉴于此,借助NUMECA软件包,建立了不同叶片数的三维定转子模型,研究了定转子叶片数对水力减速级涡轮水力性能的影响。分析结果表明:在高转速下,随着叶片数的增加,水力减速级涡轮的制动扭矩呈先增大后减小趋势,轴向力呈先减小后增大趋势,压降呈先降低后增加趋势。当叶片数为30片时,扭矩、轴向力及压降等水力性能达到最优;某型号涡轮钻具100级涡轮级定转子配合50级水力减速级定转子,能够有效降低涡轮钻具的工作转速和空转转速。所得结论对水力减速级涡轮的设计具有参考价值。     

脉冲射流动力机构的结构设计和数值模拟

现有文献针对脉冲射流动力机构脉冲特性控制的研究尚存不足,为此,以典型的叶片驱动盘阀式脉冲射流发生机构为研究对象,采用数值计算方法,从排量、叶轮内径、叶片个数、叶片型线安放角和阻力扭矩5个方面对动力机构的速度场、压力场、转速及压耗进行分析,揭示动力机构结构参数对最终脉冲特性的影响规律。模拟结果显示:内径与安放角对转速影响较为明显,转速随内径的增大先减小后增大,内径为56 mm、排量为15 L/s时转速最低达到546 r/min;在分析范围内,叶轮转速随叶片个数的增加而增大,叶片个数由3增加至6时,转速在600~1200 r/min间变化,不同排量下平均增幅仅为59 r/min;叶轮转速随安放角的增大而减小,不同排量下平均减幅为673 r/min。研究结果可为同类工具的脉冲压力和频率等特性控制提供理论指导。     

钻柱偏心旋转对环空摩阻压降影响的数值模拟研究

准确预测钻柱偏心旋转工况下的环空摩阻压降是复杂结构井控压钻井的重要理论基础,但常规钻井液环空摩阻压降计算方法无法直接计算复杂结构井的环空摩阻压降。为此,应用数值模拟方法,分析了偏心度（0～67.42%）和钻柱转速(0～114.65 r/min)对典型环空（Ф127.0 mm钻杆和Ф215.9 mm井眼）中摩阻压降梯度的影响。分析结果表明：偏心度小于45.00%时,转速和偏心度对摩阻压降梯度影响较弱,摩阻压降梯度随转速增大略有降低,随偏心度增大而增大;偏心度大于45.00%时,低转速（<60 r/min）下摩阻压降梯度随偏心度增大而降低,高转速（≥60 r/min）下摩阻压降梯度随偏心度增大而略有增大。基于数值模拟结果,建立了偏心度分类的无因次偏心环空摩阻压降梯度预测模型,计算了南海某水平井Ф215.9 mm井段的ECD,并与PWD测试结果进行了对比,平均相对误差为0.45%,表明该模型具有较好的准确性。研究结果表明,无因次偏心旋转环空摩阻压降计算模型可以精细描述环空压力场和准确计算ECD,为控压钻井水力参数优化提供指导。     

&#248;73 mm小尺寸涡轮钻具叶型设计及优化

小尺寸涡轮钻具主要用于深部高温硬岩地层钻进,对我国油气、干热岩等深部能源矿藏的地质调查具有重要意义,在石油行业中小井眼钻井、老井加深及连续油管钻修井等方面具有较好的应用前景。目前,国内尚无&#248;73 mm小尺寸涡轮钻具,为推进涡轮钻具系列化,对&#248;73 mm小尺寸涡轮钻具的涡轮节中常规级定转子叶片及制动级定转子叶片进行设计优化,旨在研制长度短、转矩适中、转速适中、压降小、功率高及效率高的&#248;73 mm小尺寸涡轮钻具,使&#248;73 mm小尺寸涡轮钻具尽快在我国实现现场应用。设计出符合性能要求的3种常规定转子叶型方案和5种制动级叶型方案,通过理论分析及数值模拟,选出最优的常规定转子叶型及制动级叶型方案,并提出常规涡轮级与制动涡轮级复配的5种涡轮节结构方案,同时对涡轮节结构进行了性能分析及方案优选,优选的涡轮节方案在流量5.5 L/s,工作转速1 500～2 500 r/min时,输出转矩为109～140 N·m,平均压降为11.5 MPa,制动转矩为185.5 N·m,可满足小井眼钻井对&#248;73 mm小尺寸涡轮钻具的输出性能要求。     

自旋转岩屑清洗工具模拟计算与分析

现有岩屑清洗工具通过钻杆旋转对环空岩屑进行清洗,因钻杆转速较低,所以会影响工具的井眼清洁效率。鉴于此,设计了一种自旋转岩屑清洗工具。该工具可通过钻杆内部涡轮来实现叶片的高速旋转清洗。采用计算流体动力学对该工具的工作流场进行数值模拟分析,并设计了涡轮叶片的结构。从流线图、速度场和扭矩等角度对工具的清洗能力进行分析,分析结果表明:自旋转岩屑清洗工具比叶片固定式井眼清洁工具的流速提高了1.4倍,高转速下的平均周向涡流速度比低转速下的平均周向涡流速度提高约0.78 m/s。这说明自旋转岩屑清洗工具可使流体携岩和清岩的能力迅速提高,更有利于岩屑的携带和清除。所得结论可为自旋转岩屑清洗工具后续的研制和应用提供理论支持。     

■73 mm小尺寸涡轮钻具叶型设计及优化

小尺寸涡轮钻具主要用于深部高温硬岩地层钻进,对我国油气、干热岩等深部能源矿藏的地质调查具有重要意义,在石油行业中小井眼钻井、老井加深及连续油管钻修井等方面具有较好的应用前景。目前,国内尚无■73 mm小尺寸涡轮钻具,为推进涡轮钻具系列化,对■73 mm小尺寸涡轮钻具的涡轮节中常规级定转子叶片及制动级定转子叶片进行设计优化,旨在研制长度短、转矩适中、转速适中、压降小、功率高及效率高的■73 mm小尺寸涡轮钻具,使■73 mm小尺寸涡轮钻具尽快在我国实现现场应用。设计出符合性能要求的3种常规定转子叶型方案和5种制动级叶型方案,通过理论分析及数值模拟,选出最优的常规定转子叶型及制动级叶型方案,并提出常规涡轮级与制动涡轮级复配的5种涡轮节结构方案,同时对涡轮节结构进行了性能分析及方案优选,优选的涡轮节方案在流量5.5 L/s,工作转速1 500～2 500 r/min时,输出转矩为109～140 N·m,平均压降为11.5 MPa,制动转矩为185.5 N·m,可满足小井眼钻井对■73 mm小尺寸涡轮钻具的输出性能要求。     

涡轮叶片型线结构对叶栅流场的影响研究

涡轮叶片型线影响涡轮液流压降变化和速度变化的平稳程度,从而影响涡轮水力能量转化效率。分析了涡轮叶片的结构参数,据此绘制出五圆弧叶型及三次多项式叶型涡轮的叶片型线,在此基础上,利用Fluent软件对常用的五圆弧叶型和三次多项式叶型的涡轮叶栅流场压力、速度变化进行了模拟分析。分析结果表明,三次多项式叶型涡轮的液流压降变化和速度变化比五圆弧叶型涡轮更平稳,因此前者的水力损失比后者更小,水力效率更高。建议涡轮钻具叶片型线设计时尽量采用三次多项式。     

基于CFD软件的涡轮流动特性数值模拟及敏感性分析

利用CFD软件模拟了单级涡轮的压力分布、内流线分布、纵截面速度分布。模拟结果验证了所创建实体模型的可行性;通过改变钻井液的排量、密度、塑性粘度及转子工况对涡轮钻具的输出压降和制动扭矩进行了敏感性分析,得到了与实际相符的结论。采用数值模拟得到压降值,结合水力学计算得到立压值,以便优选入口排量。     

井下泥浆涡轮设计及性能分析

根据已知参数进行了井下泥浆涡轮的设计，并采用FLUENT6．0对设计的涡轮进行数值模拟，对涡轮的内流场进行分析，获得涡轮的输出功率与转速、压降与转速之间的关系曲线，确保所设计的涡轮能够满足性能要求。     

涡轮流量计内部流动的数值模拟

为了深入研究涡轮流量计的工作原理,以改善其精度,通过计算流体力学的方法对100 mm口径的气体涡轮流量计进行了数值模拟,给出了气体涡轮流量计的速度场、压力场、速度矢量场及其压损。研究了不同流量下的压损值,并通过实验进行了比较,结果表明数值仿真与实验结果基本吻合。     

低速降压涡轮配合空心轴流量调节的试验研究

低速降压涡轮配以空心轴的流量调节装置，可以降低涡轮钻具的工作转速，更好地配合牙轮钻头在较低的转速下工作。介绍了其工作原理、试验装置、试验流程及所测各项参数；试验了环流系数为11时的低速降压涡轮配以分流喷嘴内径为0、20、30和35mm4种不同的工况。试验在每种工况下保持流量不变，为便于数据分析，保持4种工况下的制动转矩基本相同。试验表明，195型涡轮在分流喷嘴内径不大于30mm时，确实起到了降低涡轮工作转速和增大扭矩储备的作用。     

可钻式涡轮定转子叶片高度优选

可钻式涡轮是新型套管下入工具旋转引鞋的动力来源。为提高可钻式涡轮水力性能,并控制工具串长度,基于NUMECA软件对不同高度的定子和转子叶片进行了高度优选。研究结果表明:随着定子高度增大,可钻式涡轮的转矩、压降、轴向力呈增大趋势,定子对流体加速效果先增大后减小; 定子高度12 mm为最佳值。随着转子高度增大,可钻式涡轮的转矩增加,且增幅随着转速增加而减小; 压降和轴向力逐渐增加,且增幅随着转速增加而增大; 转子高度为14 mm时,涡轮的水力性能最佳,流场分布更加合理。所得结果对新型套管下入工具研制具有参考价值。     

汽轮机冷态冲转DEH问题分析及对策

针对50MW机组汽轮机在冷态冲转过程中无法维持500r/min暖机转速,起动数次均因实际转速与给定值偏差大于500r/min而导致数字电液控制系统（DEH）打闸的问题,进行了伺服阀和FM146模块的检查、程序分析以及转速仿真分析,采取了相应的处理措施,解决了汽轮机在起动冷态暖机冲转无法控制转速的问题,保证了汽轮机的正常起动。