發(fā)布時間：2020-06-07 21:48

【摘要】： 本文針對高壓射流鉆井技術發(fā)展的需要,設計了離心式井底增壓系統(tǒng)。該系統(tǒng)由渦輪動力單元、離心固液分離單元、離心增壓單元和高低壓雙流道單元等四部分串聯(lián)而成,即通過鉆井液驅(qū)動渦輪旋轉(zhuǎn),帶動固液分離裝置和離心增壓裝置,使部分經(jīng)固液分離的清潔鉆井液,經(jīng)增壓后通過高低壓雙流道單元的高壓流道進入鉆頭高壓噴嘴,達到提高井底射流壓力和速度,從而提高鉆井速度、降低鉆井成本的目的。 以優(yōu)選渦輪葉片型線為核心,在對傳統(tǒng)葉片型線分析的基礎上,采用了單型線且具有連續(xù)三階導數(shù)的型線設計模型,避免了葉片后緣附近脫流現(xiàn)象的發(fā)生,保證了葉片表面速度和壓力分布的平滑變化,提高了渦輪的效率,形成了一套高速渦輪葉片造型設計的新方法。同時,采用雷諾時均方程并結合改進型的RNGk ?ε湍流模型對渦輪馬達進行了內(nèi)部流動的全三維數(shù)值模擬,避免了模擬過程中需要考慮渦輪間隙泄漏的問題,并根據(jù)數(shù)值模擬結果對高速渦輪設計進行了改進。 基于對高速多級離心泵復雜結構的分析,建立了通過VB編程與Pro/E相結合,利用Beizer曲線對高速多級離心泵葉片進行參數(shù)化造型設計的新方法,并成功開發(fā)了高速多級離心泵設計CAD軟件。應用本文開發(fā)的設計軟件,結合油田鉆井生產(chǎn)實際條件,設計出了由112級葉導輪組成的井底增壓系統(tǒng)的高速多級離心泵。 首次對不同流量工況下五級離心泵的總體特性以及內(nèi)部流動特征進行了全三維流動數(shù)值模擬,并對離心泵各級葉導輪的子特性以及流動特征進行了詳細研究,著重分析了各級葉導輪在性能、子午平均流動參數(shù)以及三維參數(shù)分布上的異同。數(shù)值模擬結果表明,除第一級泵級內(nèi)流場有其特殊的流動規(guī)律外,以后各級泵級內(nèi)的流動特性都具有很好的一致性。因此,可以認為選取三級泵級的計算域進行特性及流動特征的模擬,便可以準確的對整機性能進行分析,從而使整機離心泵的數(shù)值模擬得以大大簡化。 實驗研究支持了理論分析,結果表明在現(xiàn)有鉆井條件下,在27.3L/s的排量和4200rpm轉(zhuǎn)速下,通過本文研制的第一代井底增壓系統(tǒng),可使渦輪產(chǎn)生273N.m的扭矩,118.8KW的輸出功率,整機效率為59.8%;高速多級離心泵在輸入115KW的軸功率,260.95N.m的扭矩下,其輸出壓力增值可達26.1MPa左右,總效率可達61.2%,可使鉆頭高壓噴嘴壓降達到36MPa以上,從而為井底增壓鉆井技術的發(fā)展提供了一條新的技術支撐。
【圖文】：

圖 3-1 渦輪副主要尺寸Fig3-1 principal dimensions of the turbine stage外徑1d 的確定徑1d 在名義上等于渦輪殼體的內(nèi)徑。根據(jù)設計參數(shù)要求渦輪殼體的壁厚受強度條件、螺紋連接條件、加工裝配慮這些影響因素，確定渦輪殼體聯(lián)結螺紋 M150×4，渦內(nèi)徑d的確定徑在名義上等于渦輪軸軸徑，渦輪軸軸徑的大小受強度工藝要求等因素的影響，綜合考慮這些影響因素，確定渦輪軸為空心軸，以便通過 2.7L/s 泥漿。由下式確定T

Fig3-2 turbine cascade parameters渦輪葉柵流動參數(shù)設計是指葉片的進出口液流角的計算，葉片的流動參數(shù)一般在平均過流面上定義。渦輪定、轉(zhuǎn)子葉片進出口液流角不同，則在渦輪內(nèi)液體流速變化的規(guī)律也不同，從而會引起渦輪輸出扭矩、轉(zhuǎn)速及功率等性能參數(shù)發(fā)生變化。根據(jù)渦輪設計參數(shù)要求，確定渦輪定、轉(zhuǎn)子葉型是否對稱，計算定、轉(zhuǎn)子葉片的進出口液流角。渦輪定、轉(zhuǎn)子葉片進出口液流角是指無沖擊工況的液流角。根據(jù)一元流理論，在無沖擊工況下葉片進出口的絕對速度、相對速度和圓周速度構成葉片進出口速度三角形（如圖 3-2 所示）。1α 、2α 、1β 和2β 是葉片的進、出口液流角，1kα 、2kα 、1kβ 和2kβ是葉片的進、出口液流結構角。C1和 C2分別是進、出口絕對速度，，W1和 W2分別是進、出口相對速度， CZ和 u 分別是軸向速度和圓周速度。葉片進、出口速度三角形與渦輪特性密切相關，定、轉(zhuǎn)子葉片出口角愈小，渦輪的扭矩與轉(zhuǎn)速愈大，壓降也越大。此外，
【學位授予單位】：中國石油大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2008
【分類號】：TH311

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本文編號：2702047