發(fā)布時間：2019-05-28 13:17

【摘要】：渦輪鉆具作為井下動力鉆井的核心技術(shù),在石油工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。國外得益于工業(yè)的歷史積累,在采用渦輪鉆具配合孕鑲金剛石和井下隨鉆測量系統(tǒng),使得其在復(fù)雜地質(zhì)和斜井鉆井等領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先。研究渦輪鉆具有助于我國加強(qiáng)對深海油田、頁巖氣等的探測、開采水平。渦輪鉆具渦是高壓泥漿直接流經(jīng)由若干定子轉(zhuǎn)子依次排列的渦輪節(jié),推動渦輪轉(zhuǎn)動后直接帶動鉆頭的一種井下動力裝置。它具有較高的轉(zhuǎn)速和優(yōu)良的穩(wěn)定性,同時整體結(jié)構(gòu)中不含橡膠。因而渦輪鉆具在對穩(wěn)定性較高的斜井鉆進(jìn)中,和極端工況下的鉆井需求中應(yīng)用廣泛。為了設(shè)計(jì)符合要求的渦輪鉆具,本文開展了以下幾方面的工作:采用一維計(jì)算來整體確定渦輪鉆具的渦輪節(jié)數(shù)目、單節(jié)幾何尺寸、壓降等參數(shù),之后通過Numeca針對渦輪節(jié)的葉片進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)。對于設(shè)計(jì)好的動靜葉柵利用數(shù)值模擬來驗(yàn)證渦輪鉆具的工作性能,并對渦輪鉆具的流動情況進(jìn)行分析。數(shù)值模擬的結(jié)果表明,在一維設(shè)計(jì)不考慮鉆井液粘度的情況下設(shè)計(jì)的渦輪鉆具存在著因?yàn)樾瘦^低和流量不足兩方面導(dǎo)致的做功能力不夠,難以滿足設(shè)計(jì)要求。為了達(dá)到設(shè)計(jì)需求并且優(yōu)化渦輪節(jié)的性能針對原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn),分析了流動與載荷分布情況后綜合因素選取了更為合適的設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過將流道寬度的設(shè)計(jì)規(guī)律改為近似線性減小的方案后,渦輪內(nèi)效率由72.6%提升至80.3%使得方案可以滿足設(shè)計(jì)需求。綜合分析了厚度、彎曲。中弧線對葉型的影響后設(shè)計(jì)的渦輪節(jié)單節(jié)可以在壓降為72.5KPa的條件下輸出2383W的功率,滿足了設(shè)計(jì)要求2353W的單節(jié)功率。同時留有一定的做功潛力,在將驅(qū)動壓力增大到設(shè)計(jì)約束極限95KPa時,在轉(zhuǎn)速不變時可以將單節(jié)的渦輪鉆具輸出功率提升到3611W。最后探究了渦輪鉆具在變工況時的表現(xiàn)情況并且簡單比較了工況變化對渦輪鉆具性能的影響。粘度對葉片做功性能的變化比較復(fù)雜。渦輪鉆具因?yàn)閷︺@井液攜屑能力的要求使得其粘度較大。粘度對性能的影響并不呈線性關(guān)系,并且主要影響效率和壓降兩個因素。
[Abstract]:As the core technology of downhole power drilling, turbodrill has a wide range of applications in the field of petroleum industry. Foreign countries benefit from the historical accumulation of industry, which makes it far ahead in the fields of complex geology and inclined well drilling by using turbodrill tools combined with embedded diamond and downhole drilling measurement system. The study of turbodrill tools is helpful to strengthen the detection and exploitation level of deep-sea oil fields, shale gas and so on. Turbine drill tool vortex is a kind of downhole power device in which high pressure mud flows directly through turbine joints arranged in turn by several stator rotors and drives the drill bit directly after the turbine rotates. It has high speed and excellent stability, and there is no rubber in the whole structure. Therefore, turbodrill is widely used in inclined well drilling with high stability and drilling demand under extreme working conditions. In order to design turbine drill tools that meet the requirements, the following work has been carried out in this paper: one dimensional calculation is used to determine the number of turbine joints, geometric size of single section, pressure drop and other parameters of turbine drill tools as a whole. After that, the three-dimensional modeling design of turbine joint blade is carried out by Numeca. The designed dynamic and static cascades are used to verify the working performance of turbodrill tools, and the flow of turbodrill tools is analyzed. The results of numerical simulation show that the turbine drill designed without considering the viscosity of drilling fluid in one dimensional design has insufficient working ability due to low efficiency and insufficient flow rate, which is difficult to meet the design requirements. In order to meet the design requirements and optimize the performance of turbine joints, the original design scheme is optimized and improved, and a more suitable design scheme is selected after analyzing the flow and load distribution. After changing the design law of runner width to the scheme of approximate linear reduction, the efficiency in turbine is increased from 72.6% to 80.3%, so that the scheme can meet the design requirements. The thickness and bending are analyzed comprehensively. After the influence of the middle arc on the blade profile, the turbine section can output 2383W power under the condition of pressure drop to 72.5KPa, which meets the design requirement of 2353W single section power. At the same time, there is a certain potential to do work. When the driving pressure is increased to the design constraint limit 95KPa, the output power of the single turbodrill can be increased to 3611W when the rotating speed is constant. Finally, the performance of turbodrill under variable working conditions is discussed, and the effects of working conditions on the performance of turbodrill are simply compared. The change of viscosity to the work performance of blade is more complex. Turbine drilling tool has high viscosity because of the requirement of drilling fluid chip carrying capacity. The effect of viscosity on properties is not linear, and mainly affects efficiency and pressure drop.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TE921.2

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本文編號：2487095