计算流体动力学在冲击器设计和模拟中的应用

冲击器对旋冲钻井技术的实施起着至关重要的作用。随着计算流体动力学(CFD)技术的发展,CFD也逐渐应用到冲击器的设计和模拟当中。优选了适合液动射流式冲击器性能模拟的CFD软件,建立了计算模型并进行了计算分析,同时利用先进的粒子图像测速(PIV)技术对射流元件的内部流场进行了观测,对CFD模型进行了验证。最后指出,随着计算机技术的不断发展以及CAD/CAE、CFD和PIV技术的有机融合,冲击器虚拟样机设计和模拟技术将会得到进一步的发展和提高,这也是冲击器设计和模拟技术的一个重要发展方向。     

利用PIV技术对淹没冲击水射流动力学特性的研究

根据二维PIV技术的要求。建立了淹没射流流场研究的实验台架,并对井眼中流动的淹没射流的动力学流动进行了系统的测量。在射流瞬时流场中,射流边界处由于受速度梯度引起的涡运动的影响,流体速度表现出波动性,射流的时均流场比较均匀。实验证明了先进的PIV流场测量技术用于淹没射流的动力学流场特点和速度结构研究的可行性。     

PAM对磨料浆体射流速度的影响规律研究

利用PIV测速技术对淹没条件下磨料浆体射流中,流体及磨料的速度与PAM的浓度的关系进行了系统的测量研究。研究发现,随浆体中聚合物浓度增加,射流中流体速度以及磨料颗粒的速度都相应增加,并且随聚物的浓度提高,射流的会聚性增加;磨料颗粒的粒径大小对磨料在射流中的跟随速度有重要影响。同样条件下,颗粒粒径越大在射流中的速度越低。大理石切割实验基本证明了PIV速度测量的结果。     

射吸式液动冲击器内部流场数值模拟研究

在给出射吸式液动冲击器基本结构的前提下,利用Pro/Engineer软件建立了这种冲击器的流动实体,并对流动实体进行了网格划分。利用计算流体动力学对冲击器内部流场进行了数值模拟计算,得到冲击器内部流场的速度和压力分布;排量与卷吸作用的关系;冲击器各受力面的受力情况;喷嘴的直径和结构对工作参数的影响规律;同时也分析了冲程对冲击器工作参数的影响。模拟研究结果对指导冲击器的内部结构设计具有重要意义。     

新型液动射流冲击器顶紧及密封机构设计

针对液动射流冲击器中压盖与射流元件之间出现的密封及缸体活塞卡死问题,设计了新型碟簧元件顶紧及密封机构,对该密封机构进行了理论计算、强度校核和性能测试试验。试验得出了该结构射流冲击器的最大冲击功、冲击频率和冲击末速度,得到了冲击器性能参数与操作参数之间的关系曲线。试验结果表明：该机构可以解决液动射流冲击器内部零部件因预紧力不足导致的密封失效和因预紧力过大导致缸体变形、活塞运动受阻或卡死的问题;冲击器的性能参数得到了优化,可以根据现场所需的冲击功和冲击频率,对冲击器的流量等操作参数进行调节,以满足不同地层岩性的钻井需求。     

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。     

液动射流冲击器顶紧及密封机构设计与试验

针对以往液动射流冲击器中元件压盖与射流元件之间出现的密封失效、缸体变形及活塞运动受阻等问题,设计了新型碟簧元件顶紧及密封机构。对该密封机构进行了理论计算、强度校核和性能测试试验,得出了该结构射流冲击器的最大冲击功、冲击频率和冲击末速度以及冲击器性能参数与操作参数之间的关系曲线。试验结果表明,该液动射流冲击器工作正常,稳定性良好,在不同排量下具有稳定的冲击功、冲击末速度和冲击频率。现场应用中,可以通过调节冲击器的行程参数和操作参数获得最佳的冲击功和冲击频率,以满足地层岩性的钻井需求。     

水力脉冲射流旋流流场数值模拟

为研究水力脉冲射流流场内旋流流场的变化特性,通过建立井底边界条件下单喷嘴脉冲射流冲击流场物理模型,对脉冲射流旋流流场进行了数值模拟研究。结果表明,非稳态旋流是脉冲射流流场的一个显著特征,对脉冲射流钻井提速起到重要作用,旋流速度和范围具有周期性变化且不随脉冲频率发生改变;在单周期内,旋流强度与脉冲射流速度变化具有一致性,旋流影响范围由前期的快速扩大到后期的缓慢扩大,一直保持增大趋势;旋流作用强于射流动能是脉冲射流产生局部脉动负压的主要原因,有利于降低压持效应;旋流流场改变钻头表面的压力分布,有利于提高钻头清洗效果。研究结果对指导脉冲射流提速技术具有一定的参考价值。     

FLUENT在液动冲击器使用配置研究中的应用

针对双作用射吸式液动冲击器现场应用前配置过程复杂的问题,利用FLUENT软件建立了冲击器内部流域模型与数学模型,采用与试验环境相同的工况参数,通过ICEM软件划分网格,仿真得到冲击器内部上下腔压力分布云图、流体通过射吸元件速度云图以及速度矢量流线图。采用FLUENT进行了双作用射吸式液动冲击器的应用仿真研究,通过确定与实际相同的输入参数,并且确定其流动状态,可以实现设备的运行情况预测。通过更改射吸元件的规格尺寸,以及调节输入输出参数,可以对更多规格的冲击器的实际情况进行仿真预分析,可以根据其内部的压力以及速度云图分布计算出相应的输出参数的数值大小。研究结果可为冲击器在不同地层以及不同岩性的选配提供参考。     

自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流冲击频率变化规律

为了得到自激振荡脉冲超临界二氧化碳(SC-CO₂)射流谐振破煤适用冲击频率，采用大涡模拟研究了自激振荡脉冲SC-CO₂射流的形成及发展过程，分析了射流频率在喷嘴内部和自由流场中的变化规律，研究了射流轴向位置和振荡腔长度对射流冲击频率的影响规律，并研制了射流冲击频率测试装置，通过实验验证了数值模拟结论。研究表明，自激振荡脉冲SC-CO₂射流在喷嘴内部和自由流场中的频率并不相同。在喷嘴内部，流体经扰动形成的频率相同，且喷嘴出口处射流频率与喷嘴内部频率保持一致。在自由流场中，由于CO₂的可压缩性，射流压力、速度等参数具有明显的波动。该特征使自激振荡脉冲SC-CO₂射流冲击频率随射流的发展沿轴向逐渐减小。通过改变振荡腔长度，可以改变自激振荡脉冲SC-CO₂射流喷嘴内部频率从而实现自由流场中射流冲击频率的调节。