離心式井底增壓系統(tǒng)設(shè)計與數(shù)值模擬研究.pdf

1、本文針對高壓射流鉆井技術(shù)發(fā)展的需要，設(shè)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(chǔ)上，采用了單型線且

2、具有連續(xù)三階導數(shù)的型線設(shè)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(shè)計的新方法。同時，采用雷諾時均方程并結(jié)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(jié)果對高速渦輪設(shè)計進行了改進。 基于對高速多級離心泵復雜結(jié)構(gòu)的分析，建立了通過VB編程與Pro/E相結(jié)合，利用B

3、eizer曲線對高速多級離心泵葉片進行參數(shù)化造型設(shè)計的新方法，并成功開發(fā)了高速多級離心泵設(shè)計CAD軟件。應用本文開發(fā)的設(shè)計軟件，結(jié)合油田鉆井生產(chǎn)實際條件，設(shè)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

4、結(jié)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(jié)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.