本文關(guān)鍵詞：基于沖蝕分析的新型筒形控壓鉆井節(jié)流閥優(yōu)化設(shè)計

  更多相關(guān)文章： 控壓鉆井 節(jié)流閥 閥芯沖蝕 響應(yīng)面法 優(yōu)化設(shè)計 計算流體力學(xué)

【摘要】：控壓鉆井技術(shù)是一種在提高鉆井安全的同時,能夠大大提降低成本的先進(jìn)鉆井技術(shù)。控壓鉆井節(jié)流閥是該技術(shù)中實現(xiàn)壓力控制的關(guān)鍵部件,它直接接觸鉆井液對井筒壓力進(jìn)行控制,其性能參數(shù)直接影響控壓鉆井工藝實施的成功率。因此,一種使用可靠壽命較長的控壓鉆井節(jié)流閥無疑是MPD技術(shù)成功實施的有力保障。近年來,國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了節(jié)流閥控壓能力、閥芯受力、材料選擇等方面的研究并取得了巨大的成就。然而,少有延長國產(chǎn)控壓鉆井節(jié)流閥的壽命的相關(guān)研究文獻(xiàn)和報道,成為制約我國控壓鉆井節(jié)流閥推廣的瓶頸。本文以優(yōu)化閥腔流場為突破點,對節(jié)流閥的優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行了研究,主要成果如下：1. 分析了控壓鉆井節(jié)流閥性能對于控壓鉆井技術(shù)的重大意義,指出了抗沖蝕特性差是國產(chǎn)與進(jìn)口節(jié)流閥最突出的短板。綜述國內(nèi)外對于沖蝕的研究進(jìn)展,明確了以優(yōu)化節(jié)流閥閥腔流場為突破口的減弱節(jié)流閥沖蝕的研究方法。2.總結(jié)了新型筒形控壓鉆井節(jié)流閥研究的現(xiàn)階段成果,實驗對比了T3進(jìn)口節(jié)流閥性能,結(jié)果顯示：新型筒形控壓鉆井節(jié)流閥在控壓特性范圍和穩(wěn)定性方面具有優(yōu)勢。3. 深入調(diào)研了沖蝕預(yù)測模型,設(shè)計并完成了節(jié)流閥顆粒體積濃度2.47%的沖蝕實驗并與仿真得到的沖蝕質(zhì)量損失、分布規(guī)律做了對比。結(jié)果表明：5h以內(nèi)的預(yù)測質(zhì)量損失與實驗貼合度很高,預(yù)測沖蝕區(qū)范圍和輪廓準(zhǔn)確,證明了仿真分析中涉及到的離散相模型(DPM)、顆粒受力、碰撞反射函數(shù)、曳力模型、沖蝕模型選用的正確性。4. 采用平板沖蝕單元實驗的方法,研究了顆粒體積分?jǐn)?shù)17%,平板沖蝕量、沖蝕斑坑分布規(guī)律與時間、沖蝕角度的關(guān)系。選用DDPM模型預(yù)測沖蝕,結(jié)果表明：沖蝕輪廓變化規(guī)律、質(zhì)量變化趨勢預(yù)測準(zhǔn)確,驗證了DDPM模型的有效性。5. 通過FLUENT仿真軟件與Design Explorer相結(jié)合的方法,設(shè)計實驗50組,計算了Kriging響應(yīng)面,以節(jié)流閥閥芯沖蝕質(zhì)量損失最小為目標(biāo),研究了閥腔各參數(shù)對節(jié)流閥閥芯沖蝕的影響規(guī)律,優(yōu)化了節(jié)流閥的閥腔結(jié)構(gòu),得到了最優(yōu)的節(jié)流閥閥腔尺寸。6.對比優(yōu)化前后的節(jié)流閥閥芯的平均質(zhì)量損失和輪廓線上的沖蝕率得出：優(yōu)化后閥芯的沖蝕質(zhì)量損失不僅整體上得到了降低,局部的沖蝕情況也得到了很大的改善。通過本文的研究,得到了用于節(jié)流閥沖蝕仿真分析的可靠實驗數(shù)據(jù)、節(jié)流閥閥腔參數(shù)對于節(jié)流閥閥芯沖蝕質(zhì)量損失關(guān)系及最優(yōu)的閥腔參數(shù)組合,延長了新型筒形控壓鉆井節(jié)流閥的使用壽命。驗證了DDPM模型、Design Explorer模塊的可用性,為沖蝕研究提供了一套經(jīng)過驗證可行性和預(yù)測精確的模型組合;新型筒形控壓鉆井節(jié)流閥壽命的延長對打破國外產(chǎn)品壟斷具有重要意義。為國產(chǎn)化控壓鉆井系統(tǒng)的推廣提供了工具支撐,對于幫助我國油田企業(yè)降本增效,度過低油價時期具有一定的推動作用。
【關(guān)鍵詞】：控壓鉆井 節(jié)流閥 閥芯沖蝕 響應(yīng)面法 優(yōu)化設(shè)計 計算流體力學(xué)
【學(xué)位授予單位】：西南石油大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TE927
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 緒論9-17
• 1.1 課題背景及研究意義9-10
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀10-17
• 1.2.1 控壓鉆井技術(shù)10-11
• 1.2.2 控壓鉆井節(jié)流閥11-14
• 1.2.3 沖蝕磨損研究現(xiàn)狀14-15
• 1.2.4 研究內(nèi)容15-17
• 第2章 新型筒形控壓鉆井節(jié)流閥17-29
• 2.1 新型筒形控壓鉆井節(jié)流閥的研制17-24
• 2.1.1 節(jié)流閥閥芯閥座輪廓曲線設(shè)計17-22
• 2.1.2 閥體設(shè)計22-24
• 2.2 新型筒形控壓鉆井節(jié)流閥控壓特性驗證24-27
• 2.2.1 校內(nèi)控壓特性試驗24-25
• 2.2.2 鉆井現(xiàn)場實驗25-27
• 2.3 新型筒形控壓鉆井節(jié)流閥現(xiàn)存問題27-28
• 2.3.1 節(jié)流閥閥芯、閥座沖蝕問題27-28
• 2.4 本章小結(jié)28-29
• 第3章 沖蝕仿真模型29-46
• 3.1 基本物理方程29-31
• 3.1.1 質(zhì)量守恒方程29
• 3.1.2 動量守恒方程29-30
• 3.1.3 能量守恒方程30-31
• 3.1.4 狀態(tài)方程31
• 3.2 湍流的數(shù)值模擬方法31-35
• 3.2.1 渦黏模型32-33
• 3.2.2 Reynolds應(yīng)力模型33-34
• 3.2.3 近壁區(qū)使用k-ε模型的問題及對策34-35
• 3.3 CFD多相流模型35
• 3.3.1 歐拉—拉格朗日法35
• 3.3.2 歐拉—歐拉法35
• 3.4 離散相模型(Discrete Phase Model,DPM)35-39
• 3.4.1 DPM模型的使用條件36
• 3.4.2 顆粒運動方程36-38
• 3.4.3 離散相邊界條件38-39
• 3.5 濃密離散相模型(Dense Discrete Phase Model,DDPM)39-41
• 3.5.1 定義顆粒的屬性40
• 3.5.2 定義曳力模型40-41
• 3.6 定義顆粒沖蝕模型41-42
• 3.6.1 Finnie模型41-42
• 3.6.2 Bitter模型42
• 3.6.3 半經(jīng)驗公式的廣泛應(yīng)用42
• 3.7 控壓鉆井節(jié)流閥稀疏顆粒流沖蝕預(yù)測42-45
• 3.7.1 實驗方案43
• 3.7.2 模型驗證43-44
• 3.7.3 沖蝕輪廓特征對比44
• 3.7.4 固相顆粒的流動特性44-45
• 3.8 控壓鉆井節(jié)流閥高濃度顆粒流沖蝕研究方法45
• 3.9 本章小結(jié)45-46
• 第4章 沖蝕單元實驗46-61
• 4.1 實驗方案46-48
• 4.1.1 實驗布置46-47
• 4.1.2 測試部分設(shè)計47-48
• 4.2 測量設(shè)備及測量方案48-52
• 4.2.1 水射流入射角度控制48-49
• 4.2.2 磨料控制49-50
• 4.2.3 數(shù)據(jù)測量50-52
• 4.3 實驗過程52-57
• 4.3.1 砂密度測定52-53
• 4.3.2 濕砂含水率測定53-54
• 4.3.3 含砂率測定54-56
• 4.3.4 砂粒粒徑分布測定56-57
• 4.4 試驗數(shù)據(jù)記錄與分析57-59
• 4.4.1 沖蝕量-時間關(guān)系57-58
• 4.4.2 沖蝕質(zhì)量損失-角度關(guān)系58
• 4.4.3 沖蝕輪廓測量58-59
• 4.5 本章小結(jié)59-61
• 第5章 新型筒形控壓鉆井節(jié)流閥優(yōu)化設(shè)計61-75
• 5.1 響應(yīng)面法優(yōu)化設(shè)計61-63
• 5.1.1 設(shè)計參數(shù)(Parameter)61-62
• 5.1.2 實驗設(shè)計(Design of Experiment,DOE)62
• 5.1.3 響應(yīng)面(Response suuface)62-63
• 5.1.4 目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化(Goal Driven Optimization,GDO)63
• 5.2 優(yōu)化流程63-64
• 5.3 模型參數(shù)確定64-68
• 5.3.1 平板沖蝕計算域模型64-65
• 5.3.2 網(wǎng)格劃分65
• 5.3.3 邊界條件65-66
• 5.3.4 模型準(zhǔn)確性驗證66-68
• 5.4 新型筒形控壓鉆井節(jié)流閥優(yōu)化設(shè)計68-72
• 5.4.1 優(yōu)化設(shè)計對象及其參數(shù)化68-69
• 5.4.2 劃分網(wǎng)格69-70
• 5.4.3 邊界條件70
• 5.4.4 計算設(shè)置70
• 5.4.5 優(yōu)化模塊設(shè)置70-72
• 5.5 優(yōu)化結(jié)果分析72-74
• 5.6 本章小結(jié)74-75
• 第6章 結(jié)論與展望75-77
• 6.1 結(jié)論75-76
• 6.2 展望76-77
• 致謝77-78
• 參考文獻(xiàn)78-81
• 附錄81-85
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及科研成果85

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8 記者 羅永華 通訊員 孟現(xiàn)濤;精細(xì)控壓鉆井海外首“秀”贏彩頭[N];中國石油報;2013年

9 記者 王巧然;我國控壓鉆井技術(shù)應(yīng)用獲重要突破[N];中國石油報;2012年

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本文編號：1029040