【摘要】： 本文針對(duì)高壓射流鉆井技術(shù)發(fā)展的需要,設(shè)計(jì)了離心式井底增壓系統(tǒng)。該系統(tǒng)由渦輪動(dòng)力單元、離心固液分離單元、離心增壓?jiǎn)卧透叩蛪弘p流道單元等四部分串聯(lián)而成,即通過鉆井液驅(qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)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(jìn)入鉆頭高壓噴嘴,達(dá)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(duì)傳統(tǒng)葉片型線分析的基礎(chǔ)上,采用了單型線且具有連續(xù)三階導(dǎo)數(shù)的型線設(shè)計(jì)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(jì)的新方法。同時(shí),采用雷諾時(shí)均方程并結(jié)合改進(jìn)型的RNGk ?ε湍流模型對(duì)渦輪馬達(dá)進(jìn)行了內(nèi)部流動(dòng)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(duì)高速渦輪設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)。 基于對(duì)高速多級(jí)離心泵復(fù)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Beizer曲線對(duì)高速多級(jí)離心泵葉片進(jìn)行參數(shù)化造型設(shè)計(jì)的新方法,并成功開發(fā)了高速多級(jí)離心泵設(shè)計(jì)CAD軟件。應(yīng)用本文開發(fā)的設(shè)計(jì)軟件,結(jié)合油田鉆井生產(chǎn)實(shí)際條件,設(shè)計(jì)出了由112級(jí)葉導(dǎo)輪組成的井底增壓系統(tǒng)的高速多級(jí)離心泵。 首次對(duì)不同流量工況下五級(jí)離心泵的總體特性以及內(nèi)部流動(dòng)特征進(jìn)行了全三維流動(dòng)數(shù)值模擬,并對(duì)離心泵各級(jí)葉導(dǎo)輪的子特性以及流動(dòng)特征進(jìn)行了詳細(xì)研究,著重分析了各級(jí)葉導(dǎo)輪在性能、子午平均流動(dòng)參數(shù)以及三維參數(shù)分布上的異同。數(shù)值模擬結(jié)果表明,除第一級(jí)泵級(jí)內(nèi)流場(chǎng)有其特殊的流動(dòng)規(guī)律外,以后各級(jí)泵級(jí)內(nèi)的流動(dòng)特性都具有很好的一致性。因此,可以認(rèn)為選取三級(jí)泵級(jí)的計(jì)算域進(jìn)行特性及流動(dòng)特征的模擬,便可以準(zhǔn)確的對(duì)整機(jī)性能進(jìn)行分析,從而使整機(jī)離心泵的數(shù)值模擬得以大大簡(jiǎn)化。 實(shí)驗(yàn)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(jī)效率為59.8%;高速多級(jí)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(dá)26.1MPa左右,總效率可達(dá)61.2%,可使鉆頭高壓噴嘴壓降達(dá)到36MPa以上,從而為井底增壓鉆井技術(shù)的發(fā)展提供了一條新的技術(shù)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(shè)計(jì)參數(shù)要求渦輪殼體的壁厚受強(qiáng)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(jié)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(qiáng)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(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)是指葉片的進(jìn)出口液流角的計(jì)算，葉片的流動(dòng)參數(shù)一般在平均過流面上定義。渦輪定、轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)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(huì)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(shè)計(jì)參數(shù)要求，確定渦輪定、轉(zhuǎn)子葉型是否對(duì)稱，計(jì)算定、轉(zhuǎn)子葉片的進(jìn)出口液流角。渦輪定、轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)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(jìn)出口的絕對(duì)速度、相對(duì)速度和圓周速度構(gòu)成葉片進(jìn)出口速度三角形（如圖 3-2 所示）。1α 、2α 、1β 和2β 是葉片的進(jìn)、出口液流角，1kα 、2kα 、1kβ 和2kβ是葉片的進(jìn)、出口液流結(jié)構(gòu)角。C1和 C2分別是進(jìn)、出口絕對(duì)速度，，W1和 W2分別是進(jìn)、出口相對(duì)速度， CZ和 u 分別是軸向速度和圓周速度。葉片進(jìn)、出口速度三角形與渦輪特性密切相關(guān)，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(xué)位授予單位】：中國石油大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類號(hào)】：TH311

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本文編號(hào)：2702047