涡轮钻具叶片电解加工流场设计及优化

为了提升叶片性能,涡轮钻具叶片设计愈加复杂,传统加工工艺已不适于加工制造涡轮钻具叶片。为此,提出使用电解加工技术加工涡轮钻具叶片,并应用数值模拟方法对影响电解加工精度的电解液流场进行仿真分析。模拟仿真了电解液在理想化流道模型、叶片阴极流道模型以及近轮廓流道模型中的流场分布。研究结果表明:用叶片阴极模型和近轮廓模型代替传统的理想化模型,也可更好地模拟实际加工流场;改变电解液入流角的大小可以改善传统的理想化模型,可以更好地模拟实际加工流场;改变电解液入流角的方向可以改善入口流线紊乱情况,但效果并不明显,也不能使电解液均匀分布;增加出口导流段可以使电解液分布更加均匀,改善入口流线紊乱状况;叶盆阴极流场使用竖直导流、叶背阴极流场使用相切导流可以获得更好的流场分布效果;使用近轮廓模型作为电解加工流道,可以获得最优的电解液流场分布,但是此流道模型需要预先粗加工阳极工件,成本较高。研究结果可为涡轮钻具叶片的电解加工提供理论指导。     

定向井单弯单稳涡轮钻具造斜率预测

对于定向井单弯单稳涡轮钻具造斜率的预测,用现有的修正三点定圆法预测的是钻具几何曲率,不是井眼曲率,且对造斜能力影响因素考虑不全。利用纵横弯曲法的三弯矩方程,确定井下动力钻具上部切点,结合钻头中心点和下稳定器切点,建立了这三点所对应的井眼轴线上三点坐标,利用三点定圆原理,建立了三点定圆全坐标单弯单稳涡轮钻具造斜率预测模型。实例计算了3种结构涡轮钻具造斜率,对比分析了3种结构涡轮钻具造斜率随涡轮钻具结构角,稳定器与井壁间隙,偏心稳定器偏心距以及稳定器、偏心稳定器、结构角分别到钻头的距离等因素的变化规律,明确了稳定器对单弯涡轮钻具的造斜率影响较小,为减小深井卡钻风险,可不用稳定器或用偏心稳定器替代稳定器安装在近钻头处,能有效提高单弯涡轮钻具的造斜率。该方法综合了纵横弯曲法和三点定圆法的优点,实现了超深井单弯单稳涡轮钻具定向钻井造斜率的简便有效预测。     

六刀翼多夹层PDC钻头井下流场的模拟与设计

为了深入分析PDC钻头的流场,从而优化PDC钻头的水力结构设计,利用计算流体力学技术,对六刀翼多夹层PDC钻头实体的三维流场进行了数值模拟。模拟直观地显示了钻头水眼设计存在的水力能量分配不均问题和流场的流动情况。流场的三维模拟结果揭示了CFD技术对钻头水眼位置和安装角度设计的影响。     

PDC钻头水力结构优化设计专用软件研究

利用计算流体动力学技术优化PDC钻头水力结构是一种经济有效的手段。通过对PDC钻头在井底的三维流场数值模拟,考虑喷嘴布置的不同位置、间距及喷射角度等因素的影响,研究流体在井底的流动特性及井底净化机理,优化PDC钻头的水力结构。从工程设计便捷、高效的原则出发,以VB.NET为工具对Phoenics软件进行二次开发,建立专用平台,对不同工况条件下的PDC钻头进行数值模拟。     

PDC钻头井底流场CFD仿真及二次开发

利用计算流体动力学技术,优化PDC钻头水力结构是一种经济有效的手段。文章通过对PDC钻头在井底的三维流场进行数值模拟,考虑喷嘴布置的不同位置、间距及喷射角度等因素的影响,研究流体在井底的流动特性及井底净化机理,优化PDC钻头的水力结构。从工程设计的便捷、高效原则出发,以VB．NET为工具对Phoenics软件进行二次开发,建立专用平台,更方便地对不同工况条件下的PDC钻头进行数值模拟。     

转速对轴流式PDC钻头井底流场影响

PDC钻头在钻进深井过程中,由于钻井液上返速度慢及井底压力大,使得井底岩屑难以上返,从而堆积在井底形成泥包,对钻进效率产生极大影响。为了提升钻进效率,基于轴流泵原理,在PDC钻头保径向上10 mm处设计了轴流泵叶片。该叶片随钻头旋转,给予井底流体向上升力,增加井底钻井液上返速度,降低井底压力。使用Fluent DPM模型对轴流式PDC钻头的井底流场进行数值模拟分析,结果为：随着钻头转速增加,(1)井底射流区、漫流区和上返区钻井液流速增加,出口区域流速也增加;(2)井底压力逐渐减小,刀翼切削处压力逐渐增大,钻头在井底的切向力变化较弱;(3)井底颗粒质量浓度、保径区域颗粒质量浓度和上返区域颗粒质量浓度逐渐降低。     

旋转钻头井底流场的初步数值研究

将三维、旋转、非对称多个喷嘴射流等多种因素全面考虑 ,对旋转钻头井底流场进行了数值模拟 ,并详细分析了井底和钻头间各面上的数据 ,指出井底流场的拓扑结构与单喷嘴旋转射流产生的结构很相近 ;喷嘴倾斜射流能更好地加强井底流体的携带能力 ,有利于清除滞流或回流 ;按本文布置的非对称分布的 4个喷嘴射流相对于对称喷嘴射流 ,能明显改善井底流动 ,对钻头设计有直接指导意义。     

牙轮钻头内部流场的一种测试方法

牙轮钻头内部流场可以用五孔探针测量法进行测量，测量结果对指导钻头流道和喷嘴的设计以及钻头内部流场的数值模拟具有重要的现实意义。     

空气反循环钻头设计与数值分析

空气反循环钻头是针对反循环空气钻井技术而开发的一种新型钻头。在常规三牙轮钻头的基础上,应用引射原理对反循环钻头进行结构设计。应用Fluent流体分析软件对2种反循环喷射钻头模型的周围及内部流场进行数值模拟。研究结果表明:在气体流量为50m3/min的条件下,2种不同腔体结构的反循环钻头可以清洗井底岩屑,并使岩屑顺利上返至地表;含有侧水眼的反循环钻头更有利于岩屑快速上返。为设计不同结构参数的反循环钻头提供理论依据。     

潜孔钻头结构参数与井底流场关系研究

在勘探钻井过程中，QF-Ⅱ型潜孔钻头井底流场分布不合理，存在排屑能力差，对井壁冲蚀破坏严重等缺点，制约了该潜孔钻头在现场的应用。为此，以QF-Ⅱ型潜孔钻头为原型，充分考虑了钻头排屑槽和切削齿对井底流场的影响，建立了与实际相接近的潜孔钻头井底流场物理模型。在计算流体力学软件Fluent中将CAD模型转换为相应的CFD井底流场模型，运用k-ε两方程模型，对钻头喷嘴不同位置、不同直径、不同倾角时的井底流场进行了数值模拟研究。这些结构参数直接影响井底流场分布及流体的排屑能力，在研究中把这些参数作为钻头结构优化设计的重点，找到了钻头喷嘴不同结构参数条件下对井底流场的影响机理，为合理进行潜孔钻头的结构设计及水力设计提供了依据和校验方法。     

PDC钻头静态及旋转流场数值模拟比较研究

为区别PDC钻头在静止时和不同转速时井底流场的异同,文章运用计算流体动力学方法对PDC钻头分别进行了三维井底静态和旋转流场的数值模拟。分析了静态和旋转流场中井底流速及刀翼表面流速的变化情况,并计算了井底各区域的流体湍动能和流速以及刀翼切屑齿表面的平均流速。分析和计算结果表明,井底流场的数值模拟结果随着转速的变化,对井底和切屑齿的流场分布和变化有一定影响,并且对内锥、冠部、肩部及保径部位的影响趋势各不相同,有必要在PDC钻头水力结构的优化设计中采用旋转流场模拟方法进行研究。     

涡轮钻具叶片电解加工阴极工具设计

由于涡轮钻具叶片型线的设计愈加复杂,叶片的传统加工方法面临越来越多的加工难题。因此拟将电解加工技术应用于涡轮钻具叶片的制造领域,对涡轮钻具叶片电解加工阴极工具的设计进行了研究。以127 mm涡轮钻具叶片的设计为例:首先基于多项式曲线拟合的方法,在MATLAB中编程计算绘制出最初的叶片曲线;然后将得到的曲线导入AutoCAD,根据理论计算得到的叶片几何参数修补得到叶片型线的几何图纸;最后将叶片型线导入GAMBIT有限元前处理软件进行网格划分,并在ANSYS Fluent软件中进行流场仿真分析,同时在Tecplot360软件中进行后处理得到流场中流体的流向图、速度云图及压力云图。结果表明利用这种方法设计的叶片可以满足实际工作状况的要求。研究内容和结果为涡轮钻具叶片的电解加工研究奠定了良好基础。     

关于PDC钻头形态设计的探讨

针对原有PDC钻头井底流场存在局部流速过大而对钻头表面造成破坏 ,局部流速过小容易产生泥包的问题 ,对原有钻头做如下结构改进 :增加大胫板的长度 ;降低胫板的高度和减小宽度 ;增加小胫板的数量 ,同时减小水槽截面积。对改进的钻头结构建立井底流动模型 ,并进行数值模拟。分析改进结构的流场表明 ,新结构钻头井底流场分布更合理 ,减少了流体对钻头中心区的直接冲蚀 ,有利于延长钻头寿命 ;合理降低切削齿高度后 ,加大了井底漫流区面积 ,提高了切削效率。     

螺旋分离器水流动特性的CFD模拟与PIV试验

设计了一种新的螺旋分离器,采用CFD数值模拟技术对螺旋分离器的入口管段、螺旋分离段及出口管段内流体流动速度场及压力损失分布特性进行了分析,结合PIV流场测试试验对分离器的入口管段和出口管段内流体流动速度场进行了测量和对比分析。介绍了螺旋分离器油水分离的工作原理、结构参数及PIV实验流程。结果表明：该螺旋分离器螺旋导流效果明显,在螺旋分离段及出口管段内具有持续时间长、离心分离强的螺旋流分离流场;流体流过螺旋分离段后,在出口管段内可形成稳定的螺旋流场;通过对比分离器内入口管段及出口管段PIV试验速度测量值与数值模拟值,结果吻合良好,验证了模拟结果的可靠性;通过分离器的压力损耗分析,指出了螺旋分离器的主要压力损耗位置,设计工况下的分离器最大压力损耗不超过90 kPa。     

专用反循环钻头内喷孔结构设计研究

为探索更加合理的内喷孔结构形式,提出了一种新型内喷孔结构,并基于反循环钻头孔底流动模拟试验器与现有内喷孔结构进行了对比试验测试。运用CFD技术对内喷孔局部流场进行了数值模拟,揭示了不同类型内喷孔局部流场的流动特征,得出了新型内喷孔结构不同喷射角对其抽吸特性的影响规律。室内试验与数值模拟结果表明,新型内喷孔结构有利于反循环的形成,更有利于改善和提高专用反循环钻头(特别是大直径反循环钻头)的性能。     

高温预脱水器流场的数值模拟

高温预脱水器是基于SAGD采出液反向分离技术而研发的一种新型、高效油水分离器,为深入了解其内部流场流体流动情况,基于计算流体力学原理,利用FLUENT软件对预脱水器的内部流场进行了数值模拟。由于工艺流程中对高温反向预脱水器进出口的压力是进行定压控制的,为了研究进出口压差对设备流场的影响,数值模拟试验中计算了在进液口压差为100 kPa时,高温反向预脱水器内油水两相分离情况。模拟结果表明,数值模拟方法能够比较真实地模拟出分离器内部流体流动状况及油水两相分离机理,分离器的分离效率随着进液口和出油口之间的压差减少而提高,当压差为5 kPa时,出油口的含水率仅为4.92%,满足工艺对设备的技术要求。     

旋转射流钻头叶轮结构参数对射流流场影响规律的研究

为了研究旋转射流钻头中叶轮结构参数对射流流场的影响及其规律，分别对叶轮导向角β、叶轮叶片数n、叶轮长度L0进行了数值模拟。结果表明，当叶轮导向角口为50-60°、叶轮叶片数n为4、叶轮长度L0为20-25mm时，叶轮对流体加旋效果和能量传输效率达到最佳；其中，叶轮导向角口的影响最大，叶轮叶片数n次之，叶轮长度L0最小。     

PDC钻头水力学研究最新进展

以近年来国内外钻头水力学研究的文献为基础,论述了PDC钻头的水力学参数、井底流场和水力结构优化研究的最新进展,提出了研究中存在的问题和今后研究的方向。分析可知,PDC钻头水力参数的优选,趋向于使用较高的排量和较低的泵压;PDC钻头井底流场的模拟已逐渐由二维、单喷嘴的流动数值模拟发展到三维、旋转、非对称多喷嘴的流动数值模拟;钻头井底流场和试验已有机结合起来;PDC钻头井底流场的模拟,仍以清水为介质,没有考虑钻井液的黏度、井底岩屑和井底温度等对流场的影响。PDC钻头水力学研究仍处于一个定性阶段,对PDC钻头水力学状态的量化是今后研究工作的重点。     

新型射流振荡减摩阻工具设计及内部流场特性数值模拟分析与实验验证

为了解决井下减摩阻工具结构复杂、易受地层环境影响的问题,设计了新型射流振荡减摩阻工具,并对该工具内部流场特性进行了数值模拟分析,结果表明:新型射流振荡减摩阻工具射流短节内部流体存在附壁与切换现象;随着入口流速的增加,射流短节振荡室内流体流动状态从无规则变为规则的旋流流动,当入口流速继续增大则转变为无规则流动状态;工具稳定工作后,分流中心点处压力呈现周期性变化。实验测试结果与数值模拟分析结果较为吻合,验证了射流振荡减摩阻工具结构设计的合理性和可靠性。本文研究结果可为射流振荡减摩阻工具结构优化设计提供参考。     

新型射流振荡减摩阻工具设计及内部流场特性数值模拟分析与实验验证北大核心CSCD

为了解决井下减摩阻工具结构复杂、易受地层环境影响的问题,设计了新型射流振荡减摩阻工具,并对该工具内部流场特性进行了数值模拟分析,结果表明:新型射流振荡减摩阻工具射流短节内部流体存在附壁与切换现象;随着入口流速的增加,射流短节振荡室内流体流动状态从无规则变为规则的旋流流动,当入口流速继续增大则转变为无规则流动状态;工具稳定工作后,分流中心点处压力呈现周期性变化。实验测试结果与数值模拟分析结果较为吻合,验证了射流振荡减摩阻工具结构设计的合理性和可靠性。本文研究结果可为射流振荡减摩阻工具结构优化设计提供参考。