■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。     

基于CFD分析的涡轮钻具力学性能预测

以φ115mm涡轮钻具涡轮为研究对象，采用实体建模、CFD前置处理器等工具生成涡轮定、转子的单周期跨叶片流道计算模型，应用CFD(计算流体动力学)商用软件研究分析了其在不同转速下的内流场。重点分析了转子叶片表面压力场的分布情况，并将模拟结果与10级涡轮台架的实验数据进行了对比，证明CFD模拟分析的有效性，为预测分析涡轮钻具力学性能、改进叶型设计、提高叶型的水力性能具有重要的指导意义。     

ø73 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ø73 mm小尺寸涡轮钻具,为推进涡轮钻具系列化,对ø73 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ø73 mm小尺寸涡轮钻具,使ø73 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ø73 mm小尺寸涡轮钻具的输出性能要求。     

涡轮钻具涡轮叶片造型设计新方法

涡轮叶片的型线对涡轮钻具性能影响很大。通过分析涡轮叶片型线对液流流动参数的影响 ,认为叶片型线上存在不连续的曲率是影响涡轮性能的主要因素 ,得出叶片压力面和吸力面型线应为单型线且具有连续三阶导数的结论。提出用五次多项式构造叶片型线 ,给出叶片型线与几何参数的关系、定量求解方法和叶片型线检验要求。 165涡轮钻具设计应用实践表明 ,采用这种新方法设计涡轮 ,可优化涡轮叶片形状 ,改进涡轮性能 ,提高设计质量和总效率     

基于BP神经网络与遗传算法的涡轮安装角优化

为了进一步提高涡轮钻具水力性能,采用FINE/Design 3D平台,基于BP神经网络与遗传基因算法对某型号?178 mm涡轮钻具转子叶型安装角进行优化设计,优化目标为水力效率与扭矩。对优化过程中样本库进行分析,总结了?178 mm涡轮钻具水力性能随转子安装角改变的变化规律。经过优化设计,单级涡轮输出扭矩提升了3.06 N·m,水力效率提高了8.29%。流场分析结果表明:优化后叶片性能的提高主要源于抑制了转子叶型吸力面的二次流发展,以及增大了压力面与吸力面间的压差。研究方法可为今后涡轮叶片的优化设计提供新的思路。     

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。     

涡轮钻具涡轮中的能量损失分析

分析φ240型涡轮钻具的试验效率曲线表明，涡轮中的能量损失主要是水力损失。水力损失包括叶型损失、冲击损失和瑞壁损失等。为了减少和预防各种能量损失，应合理选择涡轮叶栅的相对节距、定转子的径向间隙和轴向间隙：叶栅相对节距（叶栅节距与叶型弦长之比）应为0．65－075；定转子径向间隙应为1mm；轴向间隙应为14－16mm。同时还应使涡轮在最佳工况下工作，并采用先扩张后收缩的叶片通道。铸造涡轮时，应尽量使叶片表面光滑。     

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。     

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。     

基于Bezier和正交试验的涡轮叶片参数优化设计

涡轮的叶片型线在涡轮钻具设计中处于核心地位,对其进行优化设计具有重要的意义。基于Bezier曲线对涡轮叶片型线的表达式进行推导。以ø127 mm涡轮为例,应用计算流体力学软件Fluent对其进行数值模拟,并结合正交试验方法,以叶片形状控制参数为因素,以涡轮的转矩和效率为指标,对叶片型线进行优化。结果表明,此方法可综合考虑转矩和效率,得到水力性能优秀的叶片型线参数,为涡轮钻具的叶片设计和优化提供指导。     

积木式组合涡轮钻具试验研究

针对涡轮钻具转速高、扭矩小、型号单一、结构复杂、维修麻烦,与我国的钻头发展水平不相适应的问题,开展了积木式组合涡轮钻具试验研究。分析了积木式组合涡轮钻具的理论特性,理论上认为积木式组合涡轮钻具的输出特性是单级涡轮定转子叶片输出特性的叠加。在不增加现有涡轮钻具定转子类型的基础上实现了同一尺寸系列转速的连续化设计。试验结果表明,积木式组合涡轮钻具的输出扭矩、功率、压降与效率的理论计算值与试验值吻合,输出扭矩与压降符合叠加原理;现场应用表明,积木式组合涡轮钻具能满足钻井现场各类钻头的需要,与牙轮钻头、PDC钻头和金刚石钻头匹配使用,平均钻速提高了43%～473%。     

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。     

涡轮钻具叶片电解加工过程多场耦合仿真分析

利用COMSOL软件仿真模拟涡轮钻具叶片在电解加工过程中,电场、流场以及电化学反应场之间的耦合情况。仿真结果显示,在整个加工过程中,电场参数始终均匀分布于加工间隙内; 加工间隙内流场参数的分布随着加工的进行逐渐变得均匀。在综合考虑了各物理场之间的耦合作用后,仿真得到了加工完成后叶片的型面轮廓。提出的多物理场耦合模型可以有效预测叶片的成型轮廓,且加工间隙内各场参数的均匀分布有效改善了阳极工件材料的表面质量。     

涡轮钻具轴向间隙的正确调节

涡轮钻具轴向间隙调整是否正确，对涡轮钻具性能和工作寿命有极大的影响。鉴于此，分析了涡轮钻具装配过程中轴向间隙的变化规律：一是涡轮转子压紧时轴向间隙发生变化；二是涡轮定子压紧时轴向间隙发生变化。讨论了装配过程中上紧力矩与轴向力的关系，以及轴向力引起涡轮钻具各零件变形的大小及方向。在此基础上提出了在装配过程中正确调节涡轮钻具轴向间隙的方法。     

有限元分析在涡轮钻具强度研究中的应用

用有限元法对涡轮钻具上使用的新型叉口式万向节结构及其上接头进行了分析:确定其应力分布形式,找出应力最大点的位置,同时,在NJ-100B型扭转试验机上,对1∶2的钢件模型进行电测实验,测出了表面一些点的应力;用三维光弹冻结切片实验,测出万向节的应力分布,证明有限元计算结果的正确性.最后,根据分析结果提出改进现有叉口式万向节结构的措施,并在实际设计中得到应用.