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。     

新型减摩阻工具的射流振荡动力学机理

在水平井段钻进时,钻柱与井壁之间的摩阻将抵消一部分钻压,使钻压很难传递到钻头,降低了钻压传递效率。为了降低钻井摩阻、提高钻进效率,研制出了一种新型射流振荡减摩阻工具(以下简称新工具),开展了新工具的动力学和振动减摩阻特性研究,进行了新工具算例分析与室内实验测试,并对其结果进行了对比分析。研究结果表明:①新工具能够产生射流振荡效果,形成脉冲压力波动,使钻柱产生轴向振动,减小钻柱与井壁之间的摩擦阻力;②结合实际工况条件,随着钻压和转盘转速增大,钻头转速波动范围增大,产生钻柱黏滑现象的可能性降低;③算例分析与实验测试结果得到的振动速度均呈现明显的非线性规律,能够反映钻柱的真实振动特性。结论认为,算例计算与实验测试结果一致,验证了新工具结构设计的合理性和计算结果的准确性;新工具有效降低了水平井的钻井摩阻,不仅为实现油气井高效钻井提供了技术支持,也为新条件下的油气井钻井工具开发提供了参考。     

水平井钻井减摩降阻工具研制及流场分析

在调研国内外现有降低摩阻和转矩的钻井工具的基础上,研制了新型水平井钻井用减摩降阻工具。介绍了该工具的结构,主要部件的作用,降低摩阻-转矩的原理及性能特点。该工具主要用于大位移井、定向井和水平井,不仅可以减少摩阻-转矩,还能减少套管磨损,接头磨损,防止压差卡钻,提高机械钻速。根据钻井流体携岩机理,并结合流场分析结果可知,特殊设计的导流槽还能提高井眼净化效率。     

新型双射流喷嘴冲击井底流场数值模拟研究

为了克服组合双射流的缺点,提出了新型双射流喷嘴,并采用RNGκ-ε湍流模型计算了新型双射流喷嘴冲击井底的流场。建模时采用有限体积法离散各控制方程,采用松弛迭代法求解各离散方程,壁面采用无滑移固壁边界。模拟结果表明,新型双射流不存在等速核,且轴心线冲击力小,但作用面积大;与旋转射流相比,轴心线附近流速最大,从而实现了高效破岩。漫流层的径向流速最大值出现在距离外流场轴线2.5D距离处,大小约为喷嘴出口速度的23%。新型双射流利用圆形射流冲击和旋转射流剪切破岩,能形成直径较大、深度较大的破碎坑。     

抗反冲阀内部流场及关断特性的数值模拟分析

抗反冲阀是隔水管张紧系统的关键设备。对抗反冲阀的液压原理和机械结构进行了设计,并建立了三维仿真模型。利用计算流体力学有限元仿真平台,设定阀张紧液缸口边界条件为流体流量,模拟液缸运动形成的流量变化,分析了主阀口不同开度下主流道内部流场的流速和压力分布,以及主阀芯所受轴向液动力的变化情况。将仿真分析数据和结果应用到以抗反冲阀测试系统为基础,建立抗反冲阀动态仿真模型,进一步分析了阀的动态关断特性。仿真结果表明：该阀的内部流场静态性能优良,主阀芯动态关断响应迅速,满足设计要求。研究结果可为抗反冲阀的国产化设计制造提供参考。     

超高压淹没射流井底流场特性模拟分析

超高压淹没非自由射流井底流场特性研究是超高压喷射钻头设计的关键技术之一,是延长钻头寿命、提高钻井速度、实现优快钻井的保障。目前关于高低压喷嘴联合作用下的井底流场特性的研究还不完善,文章通过建立井底流场计算域,运用数值模拟手段,在K-ε两方程数学模型基础上计算封闭的N-ε方程,对Ф15．9mm三牙轮超高压淹没射流的井底流场进行模拟。随着超高压喷嘴侧倾角从10°减小到8°,超高压射流流体上扬趋势变缓;超高压射流井底流场高低压区分区明显。分析认为超高压喷嘴射流能量大部分集中在高压喷嘴直径范围内,高低压喷嘴射流之间的相互干扰不大;超高压喷嘴射流直射井底与井壁交界处产生的流场特性有利于钻屑的运移和井底的清洗,且其产生的扩径率符合工程要求;喷嘴直径、喷射压力、喷射角度、喷距等对井底流场特性有影响。此方法为延长钻头寿命、提高钻井速度、实现优快钻井提供了保障。     

井眼清洁工具流场及岩屑运移数值模拟分析

在大位移井、水平井钻井过程中,常有岩屑运移不畅,形成岩屑床的现象发生,导致摩阻增大、蹩钻等复杂问题,严重时甚至影响钻井安全。本文分析了一种短节式的井眼清洁工具,采用计算流体动力学对其偏心旋转工况下的流场进行模拟,通过特征截面流线图、速度云图等分析了工具对该井段的流场扰动作用机理;通过多相流计算,得出了岩屑颗粒运动情况。分析表明,工具对流场具有导流和搅拌的作用,加速岩屑颗粒运动;随着工具转速增大,工具对流场的扰动作用加大,岩屑颗粒离开模型的最终速度增大,因此颗粒滑落距离增加,有利于岩屑携带。在某油田1603井的现场试验显示,合理安放多个井眼清洁工具后振动筛返屑量明显增加,后两次收集岩屑体积分别是使用前的3.75倍和1.6倍。     

水力旋流器内部流场数值模拟及分离性能分析

在分析水力旋流器基本组成与工作原理的基础上,采用计算流体力学(CFD)技术进行了水力旋流器的仿真模拟,分析了分流比、进口体积分数及溢流管壁厚对水力旋流器分离性能产生的影响。结果表明:分离性能随着分流比的升高而升高,但其升高的幅度由具体旋流器结构而定;随着体积分数的增加,旋流器对0.07～0.10mm粒径的分离效率呈简单的单调下降趋势;在相同操作条件下,旋流器溢流管壁厚的增加可以使分离效率提高,能耗降低。     

射流磨钻头流场特性及其外排屑槽影响的数值模拟

在油气田开发中,水平井钻进时携岩困难、托压严重、机械钻速慢等问题严重影响生产效益。射流磨钻头既能降低井底压差实现欠平衡提速,又能粉碎岩屑实现岩屑悬浮运移,为水平井安全高效钻井作业提供技术支撑。研究基于计算流体力学方法,建立了射流磨钻头流场的数值仿真,并采用标准k-ε双方程模型对其流场特性及其外排屑槽尺寸的影响进行了模拟研究。结果表明,无外排屑槽时射流磨钻头的降压效果最好,井底低压区和中压区呈现一降一升的趋势;井底压力沿钻头直径方向分布极不均匀,高压与低压交错出现;在开外部排屑槽的情况下,内排屑孔的总体积流量占比达100%以上,随单个外排屑槽宽度的增大,内排屑孔的总体积流量占比增加,且外排屑槽存在钻井液回流的现象,回流体积流量占比4%以内。研究结果为射流磨钻头的优化设计与应用提供理论依据。     

深水喷射下导管射流破土数值模拟及试验验证

喷射法下导管技术是解决深水表层钻井问题的技术之一,可避免因固井水泥浆密度过大而压破地层,也可避免深水由于低温等因素而影响固井质量。结合射流基础理论和ABAQUS有限元软件建立了喷射下导管有限元模型,分析了喷射排量、喷射角度及钻头伸出量对破土效果的影响规律,并对分析结果进行了试验验证。分析结果表明,排量对喷射效果影响较大,增大排量能增强破土效果但对土体扰动影响也大,静置相同时间承载力恢复程度较小;喷射角度的增大会使侧壁破土效果增强,底部破土效果减弱;确保射流不打在导管内壁的情况下,钻头伸出量对破土效果影响不大,可酌情减小。所得结论对深水表层钻井作业具有参考作用。     

预置管酸液射流钻进数值模拟与实验

为了解决深层缝洞型碳酸盐岩储层精确改造的难题,开展了预置管酸液射流钻进技术研究。建立了预置管酸液射流钻进碳酸盐岩数值模型,分析了酸液喷射钻进的流场结构,开展了酸液射流钻进物理模拟实验。研究结果表明：预置管酸液射流能在碳酸盐岩露头中实现稳定钻进,钻进中钻遇50～150 mm间隙时,管体满足稳定钻进强度条件,造孔孔径18～26 mm。结合模型介质流线分析,酸液溶蚀扩孔效果明显,排量及酸浓度在局部范围内与钻速成正比,酸盐反应速率是影响孔径主要因素,岩石力学性能与钻速及孔径相关性高,钻进轨迹沿喷射方向整体成直线。研究结果可为碳酸盐岩预置管酸液钻进径向水平井技术应用提供理论指导和技术支撑。     

变流量工况下离心泵内部流场数值模拟分析

利用工程上普遍采用的κ-ε两方程模型和SIMPLE算法,对变流量工况下的离心泵内部流场进行了数值模拟分析,得出了离心泵在不同流量工况下的压力场和速度场分布图,在对变流量工况下的内部流场进行分析比较后认为,泵在靠近额定工况下运行时,流动最为稳定,应确保泵在额定工况下运行。     

新型PDC钻头井底流场数值模拟与优化

为了提高在某些硬岩和研磨性地层钻进效率,减少井底岩屑堆积,基于传统PDC(聚晶金刚石复合片)钻头进行了结构调整,无中心喷嘴,设置三个轴向夹角为20°的斜喷嘴孔,改变六刀翼分布。利用数值模拟分析方法,采用SST k-ω模型,对PDC钻头射流流场特性进行研究,分别对井底、喷嘴、刀翼表面射流流速和压力梯度进行了数值分析。在此基础上,对其水利参数再次优化,并对不同参数的PDC钻头井底流场进行分析对比。结果表明,钻头喷嘴直径越小,直射点速度越大,越利于破岩,但水力能量过于集中,高速漫流无法充分覆盖井底,不利于清洗岩屑;轴向夹角度数在20°～30°时,钻头喷嘴轴向夹角度数变大,直射点速度变化不大,但钻头肩部涡旋减少,上返区域速度提高,有利于岩屑快速排出井底,刀翼表面不易产生泥包;当钻头喷嘴直径在24～28 mm,喷嘴轴向夹角度数在25°～30°时,该PDC钻头水力情况最佳。     

板式空气预热器内部流场数值模拟与结构优化

利用FLUENT软件,建立板式空气预热器内部流体的三维数学模型,并对其流场进行了详细分析.研究发现,流体入口矢量方向与板束通道方向不一致,从而导致入口处的流体发生扰流,影响板束间介质的分布.结合其影响因素,提出了板式空气预热器入口的改进方案,通过数值模拟可以看出,入口流速分布有了很大的改善.     

温控阀控温性能验证实验及数值模拟研究

通过实验研究了新型温控阀的控温性能,并采用N-S方程和标准k-ε湍流模型对其内流场进行了数值计算。结果表明,温控阀的线性度较好且静态偏差小。当冷热水入口比例、冷水温度、水流速度都不变时,随着热水入口温度的升高,阀内的压强稍有减小的趋势,而且混合水出口的温度也明显升高,说明进口水温的变化对阀的压力有影响,由于水温主要由热水温度来决定,所以热水进口温度是影响温控阀控温的一个关键因素。     

分层压裂管柱冲蚀特性数值模拟与实验分析

水力分层压裂技术由于施工排量大、携砂量大、管柱工具井下工作时间长,导致压裂管柱工具部件冲蚀严重。为了研究井下压裂工具冲蚀规律,有针对性分析了井下压裂部件的3种易冲蚀结构:轴向键结构、径向开孔结构和变径结构。采用CFX流场仿真模拟软件,研究了混砂液在易冲蚀结构位置的流场分布,总结出混砂液对易冲蚀结构的冲蚀磨损规律,并通过井下易冲蚀部件实验对有限元计算结果进行了验证。研究表明,键尖冲蚀率随轴向键的键尖形状由大到小变化顺序为:键尖角度60°、90°、45°、180°（键尖圆形）、30°,且键尖部位冲蚀率明显大于键尾冲蚀率;方形出砂口比圆形出砂口抗冲蚀能力强;缩径结构变径比越小冲蚀影响越明显,扩径结构的冲蚀影响可忽略;室内实验结果与有限元计算结果的最大相对误差为10.9%,说明了数值模拟结果的准确性。研究结果为分层压裂工具结构与管柱组合设计提供了理论和施工依据。     

静态混合器流场的数值模拟及PIV实验研究

静态混合器能够有效强化传递过程,研究混合器内的流场是分析其强化作用的基础.利用PIV技术测量了混合单元后的各个流动工况下的流场,分析了流场的特性.流场的模拟采用k-ε湍流模型,模拟结果与实验结果对比表明,流场特性的模拟是可行的.     

新型中心体喷嘴流场数值模拟与结构优化

为实现储罐清洗工作的安全与环保,有必要将空化水射流清洗技术引入到储罐清洗中。对一种带有扩散角的中心体喷嘴进行研究,利用Fluent计算软件对不同扩散角的中心体喷嘴诱发空化射流的情况进行数值模拟,分析其压力、轴向速度和气相体积分数。模拟结果表明:在15 MPa的压力入口下含有扩散角的中心体喷嘴诱发空化的效果,明显优于不含扩散角的中心体喷嘴;同时中心体喷嘴因扩散角不同,其空化产生的效果也不同,扩散角为15°时中心体喷嘴诱发空化的效果最好。因此合理地选择中心体喷嘴的结构参数,可以更好提高储罐清洗的质量。     

多级套筒调节阀流场数值模拟与流量特性研究

以连续性方程、三维雷诺平均N S方程和基于各向同性涡黏性理论的kε方程组成多级套筒调节阀内部流动数值模拟的控制方程组,依据数值计算要求,设定适当的边界条件,采用结构与非结构网格相结合有限体积法对控制方程组进行离散;应用CFD软件对多级套筒调节阀内部流场进行内三维湍流流动数值模拟,分别对其压力场、速度场和迹线分布进行了分析。结果表明多级套筒结构的设计能较好地改进阀内流动状况,实现压力的渐变,有效地避免汽蚀现象的发生。在设计过程中引入了CFD仿真实验,研究了多级套筒调节阀的流量特性,提高了样机试制的成功率,缩短了开发周期,降低了成本,从而为多级套筒调节阀的设计与研究提供借鉴。     

一种基于两相流场数值模拟的涡流工具参数设计方法

涡流工具能有效地解决气井积液问题,针对目前涡流工具适用条件和涡流携液效率影响因素认识不清,工具结构参数优选主要依据经验的问题,运用Ansys流体模拟软件采用欧拉原理,建立涡流工具气液两相流场模型,对涡流工具结构参数进行敏感性分析,结果表明:出口峰值速度随导程的增加而增加,槽深的增加而减小,随槽宽的增加而减小。最后运用正交实验得到了不同气液比条件下涡流工具的最优参数,该结果可以有效地指导涡流工具结构参数的优化设计。