涡轮钻具水力设计与分析方法应用现状研究_姚坚毅
适用于连续管的小尺寸涡轮钻具叶型研究
适用于连续管的小尺寸涡轮钻具叶型研究近些年随着连续管技术的逐步成熟,其作为一项高效率、低成本的钻井技术而得到关注。
相关的国内外文献内容表明使用连续管在进行欠平衡钻井、小井眼钻井、老井加深、侧钻、修井等作业中有着广泛的前景。
连续管作业过程中离不开配套的井下动力钻具,就目前而言大多数连续油管作业过程中匹配的是螺杆钻具。
但螺杆钻具在使用过程中存在横向振动,这种振动对连续油管的管柱寿命有不利的影响,而且螺杆钻具耐高温性能差,不宜于深井作业。
国外也一直在积极探索涡轮钻具匹配连续油管作业,以适应连续油管钻井过程中的小钻压、低反扭矩的限制和提高机械钻速的要求。
与螺杆钻具相比,涡轮钻具的所有部件都由金属制成,决定了它可以承受高温、高压的作业环境。
现在随着浅层油气资源的逐渐枯竭,朝更深的地层钻进是未来钻井的工作趋势,以及连续油管技术的发展,这将使涡轮钻具与连续油管匹配的优势逐渐显现出来。
国内目前并没有专门适用于连续油管作业的小尺寸涡轮钻具,而已有的一些小尺寸涡轮钻具也存在效率偏低的问题。
本文的主要研究工作是针对能匹配连续管使用的小尺寸涡轮钻具进行叶型设计研究,设计一种能够满足连续油管使用的小尺寸、高效率平面叶栅,在此基础上尝试采用三维(准三维)叶栅设计涡轮,提高涡轮钻具的能量转化效率,并分析涡轮叶片前、后缘圆弧半径对涡轮效率的影响。
本文首先针对连续油对钻具的一些要求,以及参照国外相同规格涡轮钻具的参数确定了要设计涡轮的结构及性能参数。
在查阅参考文献的基础上,综合对比分析现有的涡轮叶栅造型方法,确定选用五次多项式法作为叶片型线的造型方法。
在选择叶片结构参数的过程中对涡轮的一些结构参数对涡轮水力性能的影响进行了分析,初步选取了叶片结构参数。
借助于数学软件matlab求解出涡轮叶片的型线方程,然后利用solidworks创建涡轮的三维模型,结合FLUENT流体分析软件对模型的水力性能进行模拟分析,根据分析的结果对叶片的结构参数进行优选、调整,以获取具有高效率的叶片。
水力涡轮的流动力学分析与优化设计
水力涡轮的流动力学分析与优化设计在能源领域,水力涡轮作为一种常用的能量转换设备,广泛应用于水电站等场合。
水力涡轮的性能分析和优化设计对于提高发电效率、降低水力损失具有重要意义。
本文将对水力涡轮的流动力学分析和优化设计进行探讨。
一、水力涡轮的基本原理水力涡轮是利用水流的动能转换为机械能的装置。
其基本原理为:水流通过水轮机转动叶片,使水流动能转化为转子的转动能量,进而驱动发电机发电。
水流经过水轮机前部的导叶和进口管道,进入转子,并通过叶片的作用,产生转动力矩。
最后,水流排出涡轮机,进入排水管道。
二、水力涡轮的流动力学分析1. 流场分析水力涡轮的流场分析是对水流在涡轮中的流动行为进行研究。
通过建立数学模型和仿真计算,可以获得水流在涡轮中的速度和压力分布等关键参数。
流场分析有助于了解水流与叶轮之间的相互作用关系,为进一步的优化设计提供基础数据。
2. 叶轮叶片设计叶轮叶片是实现能量转换的关键部件,其结构形状对于涡轮性能具有重要影响。
在流动力学分析中,可以考虑叶片的进口角、出口角、叶片数目等参数进行优化。
通过改变叶片的形状和位置,使流经叶片的水流能够充分利用叶轮的动能,提高涡轮的效率。
3. 压力脉动分析水力涡轮在运行过程中,叶轮叶片与水流的相互作用会引起压力脉动。
压力脉动会对涡轮的稳定性和寿命产生影响,因此需要进行分析和优化设计。
通过减小叶轮叶片的湍流损失,采用阻尼措施等方式,可以有效减小压力脉动的幅值和频率,提高涡轮的工作性能。
三、水力涡轮的优化设计水力涡轮的优化设计是在流动力学分析的基础上,通过改变涡轮的结构和参数,使其具有更好的性能和工作效率。
常见的优化设计方法包括:1. 利用计算流体力学仿真软件对涡轮进行模拟计算,通过改变叶轮叶片的形状和角度,寻找最佳的设计参数,以实现能量的最大转化效率。
2. 采用进口导叶的可变角度技术,由流量调节器进行自动调整,使得在不同水流条件下涡轮的工作效率都能得到最大化。
3. 通过增加叶片的过流面积或增加叶轮叶片的数目,提高水流通过涡轮的速度和压力,从而提高转动力矩和输出功率。
井下水动力涡轮的应用现状
井下水动力涡轮的应用现状徐斌云;冯进;蒋清风;李东海;邓曦;江龙;卜永波【摘要】随着钻井工艺的发展和钻井技术的进步,井下水动力涡轮应用在涡轮钻具、井下涡轮发电机、并下水力增压等钻井领域的应用效果显著,尤其是在涡轮钻具应用上.概括了近年来井下水动力涡轮的应用现状及其应用领域的研究成果,对我国涡轮钻井技术的应用现状进行分析,提出应加大涡轮钻具开发力度、加快井下涡轮发电机的研发工作,同时加强对井下增压装置技术科研攻关等以满足不同的涡轮钻井技术的需要.【期刊名称】《机械研究与应用》【年(卷),期】2011(000)005【总页数】3页(P171-173)【关键词】涡轮钻具;并下涡轮发电机;高压水射流;井下水力增压;应用【作者】徐斌云;冯进;蒋清风;李东海;邓曦;江龙;卜永波【作者单位】长江大学,湖北荆州434023;长江大学,湖北荆州434023;长江大学,湖北荆州434023;长江大学,湖北荆州434023;长江大学,湖北荆州434023;长江大学,湖北荆州434023;长江大学,湖北荆州434023【正文语种】中文【中图分类】TE241 引言在石油工业中,井下水动力涡轮是典型的平面叶栅轴流涡轮,而涡轮是叶轮机械中最核心的元件,井下水动力涡轮通过叶栅叶片与钻井液的相互作用,实现能量的转换,广泛应用于涡轮钻具、井下涡轮发电机、涡轮泵和液动锤、高压水射流以及井下水力增压等石油相关方面。
2 井下去和涡轮在涡轮钻具中的应用涡轮钻具在定向井、水平井、多分支井钻井中得到了广泛应用[1],特别是配合金刚石钻头钻井,多项钻井指标创世界纪录(见表1),取得了良好的经济效益。
荷兰一口水平井中采用孕镶金刚石钻头配弯外壳涡轮钻具钻井,机械钻速达到5m/h,节约钻井时间20天,节约钻井费用约200万美元[2]。
此外,涡轮钻具在欠平衡钻井、连续柔管钻井中使用也取得了成功。
世界上第一口连续柔管定向井是在挪威的UIt油田完成的,该井采用85.725 mm小井眼导向涡轮钻具在98.425 mm井眼进行了定向钻井作业,钻具入井深度为 3901.8 m,起钻深度为 4059.7 m,进尺158m,机械钻速为7.5m/h。
涡轮钻具水力设计与分析方法应用现状研究
Ab t a t Tu b n rl i a k y d i i g t o o d v l p n h u e — e p we l n THP we 1 sr c : r i e d i s e rl n o lt e e o me tt e s p r d e l a d H l l l .
( Chi a N ato alLab o o o c lSu r de p W e lD r li g , n in n Ge l gi a pe - e l iln Chi a n
Un v ri f oce cs( iig) Bejn 0 0 3 C ia iest o Ge sin e Bej n , iig 1 0 8 , h n ) y
姚坚毅 , 宝林 , 刘 王 瑜
( 国地 质 大 学 ( 中 北京 )地 质 超 深 钻 探 技术 国 家专 业 实验 室 , 京 10 8 ) 北 0 0 3
摘要: 涡轮 钻具 是一 种重要 的钻 井工具 , 涡轮 叶型 线特征 是其 水力性原理 的基础 上 , 究 了涡轮 钻具 水力性 能设计研 究现状 , 细比较分 析 了涡 研 详 轮钻 具水 力性 能设计 的理论 方 法、 计算机 建模 与仿 真及 水 力性 能试 验 分析 方 面 的研 究现 状 与 发展
水 平 , 出了计 算机 辅助设 计及 理论 分析 。与试验 修 正相 结合 的 综合 研 究 方法 是 涡轮 钻 具 水力 性 提 能设计 与分析 的重要 方 法 , 涡轮 钻具 水 力部 件 的主要 问题 与发展 趋势进 行 了展 望 , 对 为涡轮 钻具 的
水 力设计提 供 参考 。
关 键词 : 井 ; 钻 涡轮钻 具 ; 水力性 能 ; 算机模 拟 ; 计 发展 趋 势
基于中弧线加厚的涡轮钻具叶型设计
总762期第二十八期2021年10月河南科技Journal of Henan Science and Technology 工业技术基于中弧线加厚的涡轮钻具叶型设计龚 彦1 王 腾1 王一峰2 吴 聚3 张吴镝1(1.西南石油大学机电工程学院,四川 成都 610500;2.西南石油大学计算机科学学院,四川 成都 610500;3.四川航天烽火伺服控制技术有限公司,四川 成都 611130)摘 要:在常采用的由特定控制点直接求解涡轮钻具叶型型线的设计方法中,若控制点选取不佳,则较难设计出性能优良的叶型。
通过控制点先设计叶型的中弧线,再由中弧线进行叶型加厚,易设计出满足要求的叶型。
首先在涡轮钻具叶型进出口建立了4个已知条件,根据这4个已知条件选择了三次曲线进行中弧线设计,并求解出三次曲线中弧线的具体表达式。
其次,研究了已有翼型数据沿该中弧线进行加厚的方法,求解叶型吸力面和压力面曲线包络点的坐标得到了叶型数据。
最后,结合工程实际,选择设计参数,采用该方法设计了某型涡轮钻具叶型,并采用FLUENT软件对设计的叶型进行流场仿真。
结果表明,所设计的叶型具有良好的特性,证明了该方法的可行性。
关键词:涡轮钻具;中弧线;三次曲线;叶型中图分类号:TE921.2 文献标识码:A 文章编号:1003-5168(2021)28-0061-04 Design of Turbodrill Blade Profile Based on Camber Line ThickeningGONG Yan1 WANG Teng1 WANG Yifeng2 WU Ju3 ZHANG Wudi1(1.School of Mechatronic Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu Sichuan 610500;2.School of Computer Science, Southwest Petroleum University, Chengdu Sichuan 610500;3.Sichuan Aerospace Fiberhome Servo Control Technology Co., Ltd., Chengdu Sichuan 611130)Abstract: In the design method of directly solving turbodrill blade profile by particular control point, if select not fine control point,design well performance blade profile is difficult. But,design camber line at first by control point. Then,proceed to thicken blade profile along camber line. It’s easy to design satisfied blade profile. In this paper, four known conditions are established at the inlet and outlet of the blade profile of turbodrill. According to these four known conditions, the cubic curve is selected for the middle arc design, and the specific expression of the middle arc of the cubic curve is solved. Then, the method of thickening the existing airfoil data along the middle arc is studied, the coordinates of the curve envelope points of the airfoil suction surface and pressure surface are solved, and the airfoil data are obtained. Finally, combined with the engineering practice, the design parameters are selected, the blade profile of a turbodrill is designed by this method, and the flow field of the designed blade profile is simulated by FLUENT software. The results show that the designed blade profile has good characteristics, which proves the feasibility of this method.Keywords: turbodrill;camber line;cubic curve;blade profile涡轮钻具是一种将钻井液液力能转化为机械能的井下动力钻具,被广泛应用于油气勘探开发、地质科考等钻井工程。
涡轮钻井技术的最新进展
涡轮钻井技术的最新进展(石油大学北京昌平102249)摘要本文介绍了涡轮钻井最新技术成果,总结分析了近年来涡轮钻具的发展特点。
随着钻井工艺的发展和钻头技术的进步,涡轮钻具在配合新型金刚石钻头、新型高速牙轮钻头钻井以及在定向井等新井领域的应用效果显著。
涡轮钻具的性能和结构的改进,钻具寿命的提高,能满足不同类型钻头和不同钻井工艺的要求。
我国涡轮钻井技术的发展,应围绕低压降大扭矩、能满足不同使用要求的新型涡轮钻具,提高使用寿命、改善钻井条件,完善钻井工艺等方面进行。
主题词涡轮钻井涡轮钻具性能结构应用前言自五十年代以来,涡轮钻井成为前苏联基本的钻井方法,井下动力钻具(主要是涡轮钻具)的年进尺量达到总进尺的80%,在西伯利亚的秋明油田则达到了100%,在前苏联的鞑靼地区,采用高速牙轮钻头配合涡轮钻具钻井,机械钻速比转盘钻井提高3-5倍。
欧美地区在深井硬地层钻井中采用涡轮钻具配用金刚石钻头取得了良好的效果。
实践证明,涡轮钻井可以取得较好的机械钻速。
但作为主根破岩工具的牙轮钻头不能适应涡轮钻具过高的转速,钻头轴承的寿命很短,在深井段导致起下钻时间增加、行程钻速降低而使钻井成本提高限制了涡轮钻井技术在世界各地的推广应用。
螺杆钻具由于其具有输出转速低,扭矩大,压耗低,长度短,结构简单,操作方便等优点,定向井和水平井钻井得到了广泛运用,在很多领域取代了涡轮钻具。
近年来,随着油气资源开发重心的转移,钻井工艺新技术的应用,新型金刚石钻头(包括PDC钻头、TSP钻头以及新型孕镶金刚石钻头)以及新型高速三牙轮钻头等破岩工具的发展,为涡轮钻井提供了发展机遇。
以俄罗斯和法国为代表的世界各国一直致力于完善涡轮钻具技术的研究和开发,大大改进了涡轮钻具的性能和结构,开发出各种具有不同使用性能,满足不同钻井需要的新型涡轮钻具,将涡轮钻具的技术水平推向了一个新的阶段。
我国在新型涡轮钻具的开发与研究方面也取得了一定进展。
近年来涡轮钻井技术发展动向一.涡轮钻具配合金刚石钻头钻井取得了显著效果1.深井钻井采用高速涡轮钻具配合金刚石钻头提高机械钻速涡轮钻具的传统领域是配用金刚石钻头在深井特别是硬塑性难钻地层中钻井。
涡轮钻具在俄罗斯的应用及发展方向研究
涡轮钻具在俄罗斯的应用及发展方向研究摘要:涡轮钻井在俄罗斯一直是有效和经济适用的钻井方法。
文章分析了俄罗斯涡轮钻井的应用现状。
涡轮钻具存在着诸多不足,不是所有区域都适合涡轮钻井。
要想提高涡轮钻井效率,就必须从改变涡轮钻具的结构入手,同时还需选择与涡轮钻具相匹配的高效钻头。
并分析了俄罗斯涡轮钻具的发展方向,对研发我国的涡轮钻具具有重要的借鉴意义。
关键词:涡轮钻井;缺点;钻头;发展方向涡轮钻具也是一种液动马达,涡轮壳体里面装有多级成对的涡轮定转子,工作时钻井液在泵的作用下首先进入涡轮定子,涡轮定子使钻井液具有一定的方向和速度进入涡轮转子,涡轮转子使钻井液的水力能量转变为涡轮钻具输出轴驱动井底钻头的转动机械能。
涡轮钻具转速范围大,可使用牙轮钻头、PDC 钻头和各类孕镶金刚石钻头;涡轮钻具定转子使用寿命长,存放时间不受限制;耐高温和高压,适用于高温高压井。
涡轮钻具克服了螺杆钻具的缺点,是深井、超深井、高研磨性、高抗压强度、高温地层的有效提速手段。
20世纪20年代后期前苏联开始研发涡轮钻具,1923年研制成功,到20世纪50年代,前苏联取得了一大批有价值的理论研究成果,使涡轮钻井技术成为前苏联重要的钻井方法。
几十年来,前苏联通过对涡轮钻具的性能与结构不断进行完善,基本上满足了现场钻井工艺要求,涡轮钻井技术的钻井进尺占到了总钻井进尺的80%以上。
1俄罗斯涡轮钻具应用现状分析涡轮钻井在俄罗斯一直是一种经济、有效且适用的钻井方法。
在俄罗斯大部分油气田钻井过程中使用涡轮钻井方法是有根据的,该种钻井方法尤其适用于斜井。
最近,涡轮钻井在斜井钻井区域不存在严重竞争,在这种情况下,涡轮钻井方法的优势是显而易见的,如:钻杆不旋转,轻质合金钻杆,高机械钻速等等。
多年来,当钻井液流量为44~48l/s时,在西西伯利亚一直采用高度机动的涡轮钻具3ТСШ1-195ТЛ ,此工艺虽然保证了较高机械转速,但同时也导致井壁侵蚀坍塌。
技术最过硬的钻井队在500~3 000 m井段也要划眼12~15次,而其它的钻井队达20~25次。
新型高温高速涡轮钻具测试系统研制
新型高温高速涡轮钻具测试系统研制
徐军军;张德龙;赵志涛;杨鹏;岳伟民
【期刊名称】《钻采工艺》
【年(卷),期】2018(41)5
【摘要】涡轮钻具具有高转速、低扭矩、耐高温等特点,是高温深井钻探重要井下动力钻具之一;涡轮钻具室内实验可有效反映涡轮钻具的性能特点,是涡轮钻具研发必不可少的重要环节.现有井下动力钻具测试平台通常针对螺杆钻具设计,额定转速较低,无法满足耐高温高速涡轮钻具测试试验需要.文章针对涡轮钻具特点和现有测试平台的不足,研发了一套耐高温高速涡轮钻具测试平台.应用该平台对?89 mm涡轮钻具进行了测试试验,试验结果表明,该测试平台操作方便、自动化程度高、测试数据准确、工作性能稳定,达到了预期的设计目标,验证了此测试平台的合理性.【总页数】4页(P81-84)
【作者】徐军军;张德龙;赵志涛;杨鹏;岳伟民
【作者单位】北京探矿工程研究所;北京探矿工程研究所;北京探矿工程研究所;北京探矿工程研究所;北京探矿工程研究所
【正文语种】中文
【相关文献】
1.国外新型导向涡轮钻具的研制与提高涡轮钻具寿命的方法 [J], 易先忠
2.新型封严涂层高温高速磨耗试验机的研制 [J], 刘振波;宣海军;沈婕;张娜;黎晓宇
3.高温超导带材低/变温疲劳性能测试系统的研制 [J], 潘远洲;何天虎;辛灿杰;关明智
4.涡轮钻具叶栅性能测试系统的研制 [J], 张强;李良
5.高温介质机械密封性能测试系统研制 [J], 沈宗沼;蔡粤华;李香;杨博峰;姚黎明;李文建;丁思云
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国内外涡轮钻具钻井技术及其发展趋势
Abstract: T he unique f eat ure of t urbo dr il ling st ring and decelerato r ar e int roduced, and the pr esent sit uat ion is generalized in t his paper. It is indicat ed that t his t echnolo gy can raise drilling r at e ef fectively by analyzing t he dev elo pm ent t rend and apply f oregr ound of it . Key words: t ur bo dr ill str ing; decel erat or; dr illing t echno logy ; dev elo pm ent t rend
钻井技术 近年来, 以美 国 H ug hesChristensen 公司为 代 表的研究人员在研究高速牙轮钻头方面取得了较大 的成绩, 特别是钻头轴承系统的密封技术取得了重 大突破, 推出了采用双金属密封的第 1 代金属密封 环 AT M 系列牙轮 钻头及单金 属密封环 的第 2 代 Ult ramax 系列新型高速牙轮钻头, 大幅度提高了钻 头的工作转速。在深井钻井中, 采用中速涡轮钻具 配合高速牙轮钻头钻井, 可大大提高钻头的机械钻 速, 展示了涡轮钻具驱动牙轮钻头的良好前景。
国产动力钻具在深水喷射中的应用及探讨
1 引言从上世纪90年代至今,深水油气勘探技术日益成熟。
特别是进入本世纪以来,国内深水钻井技术取得了长足的进步。
喷射导管技术作为深水钻井技术的重要技术之一,也在经历长期的发展后走向成熟。
在前期引进、消化国外作业模式及喷射管柱井下工具的基础上,进一步提高喷射管柱中的关键工具的国产化水平,是进一步提高喷射技术自主性及降低综合作业成本的有效手段。
其中,实现喷射技术井下动力钻具的国产化研制与使用有着重要的标志性意义。
2 喷射技术发展现状2.1 喷射下导管技术海上浅水区的表层套管作业通常采用钻孔、下套管然后固井的作业方式。
在深水区,由于海底浅部地层比较松软,常规的钻孔、下套管、固井方式常常比较困难,作业时间较长,对于日费高昂的深水钻井作业显然不合适。
目前国内外深水导管钻井作业通常采用“Jetting in”的方式。
常规做法是在导管柱(Ø914.4mm或Ø762mm)内下入钻具,利用动力钻具提供动力,导管柱和钻具的提供重量,边开泵冲洗边下入导管。
[1]2.2 喷射钻具组合根据导管实际长度和钻头伸出导管鞋外的距离0.1-0.2m要求设计钻具组合。
当前,南海西部海域Ø914.4mm导管喷射的典型的钻具组合结构为Ø660.4mm牙轮钻头+泥浆马达动力钻具(0.75°)+浮阀接头(无孔阀芯)+随钻测斜工具(MWD)+配合接头+Ø657.23mm扶正器+3根Ø241.3mm刚性钻铤+转换接头+Ø203.2mm刚性钻铤(根据长度调节)+Ø203.2mm液压震击器+Ø203.2mm刚性钻铤+导管头送入工具(上、下两部分)+2根Ø203.2mm 刚性钻铤+转换接头+10根Ø173.6mm加重钻杆+Ø173.6mm钻杆至地面。
2.3 喷射参数设计经过长期理论研究及现场实践证实,喷射下入导管过程中,钻压及排量的控制对喷射时效有着直接的影响。
国产涡轮钻具结构及性能分析
石
油
机
械
一 5 一 9
20 0 7年
第3 5卷
第 1期
C I AP HN m
O U MA H N R U£ M C I E Y
●技术讨论
国产涡轮钻具结构及性 能分析
冯 定
( 长江大 学机械工程学院 )
摘要 详细介绍 了国产涡轮钻具 中常规型、独立悬挂 式和浮动定子 ( 转子)式 3种典 型钻具 结构型式和性能参数。重点讨论 了国产涡轮钻具 的涡轮叶栅及型线的流场、止推轴承组、扶正轴 承等影响钻具性能和使用寿命 的关键技术。通过对以往研究工作的总结分析 ,提 出我 国涡轮钻具 今后的研究工作计划和发展建议。 . 关键词 涡轮钻具 结构设计 关键技术 性能分析
钻进 。
引Hale Waihona Puke 言 ( )常规 涡轮 钻具 常规涡轮钻具是使用最 1
早的一种涡轮钻具 ,分为单式和复式 2 种。通常每 个涡轮节中装有 10级左右的涡轮定子 、转子 、4 0
以涡轮钻具和螺杆钻具为主体的井下动力钻具
在 2 世纪 8 0 0年代就被誉为石油工程进步的三大技 术之一 。从 2 世纪 5 0 0年代开始 ,涡轮钻井技术 已 成为俄罗斯石油钻井的基本方法,采用高速牙轮钻 头配合涡轮钻具钻井的机械钻速比转盘钻井提高了 3 5 ,节约钻井成本 2 % 一 0 【 J — 倍 0 3% 1 。 . 2
析及计算机优化 、止推轴承组和扶正轴承方面做了 较深入的研究和重要改进 ,其性能参数均达到或超 过国际同类产品。以 07 m涡轮钻具为例 ,表 1 15m
是国内外典型涡轮钻具 2 个涡轮节在清水状态下所 测 的性能参数对 比。
向间隙压缩到最小 , 这样在 同样长度外壳内可组装 比常规涡轮钻具更多的涡轮级数 。涡轮轴向间隙与
211219813_涡轮钻具发展趋势
1441 引言目前的油气钻井技术主要集中在发展深井和超深井技术,在深井和超深井的环境下,由于高温高压、地层高陡结构复杂,为避免因钻井液泄漏而引起井喷,所采用的泥浆密度将更大(固相颗粒大)。
在这些情况下,所采用的井下动力工具一定要能够满足高温、高压、高地层应力、高密度钻井液的工作环境。
经过英、法、德、美以及原苏联等国家的科研工作者的潜心钻研,进一步地扩大了井下动力钻具的应用范围,完善了其制造技术。
现下的井下工具已经是当今钻井作业中大斜度井、丛式井、水平井、定向井等油田钻井作业中使用十分普遍的钻井工具。
井下动力钻具包括螺杆钻和涡轮钻二大类,现阶段,螺杆钻仍在我国国内的应用市场中占主导地位。
但涡轮钻具也有其优点和广泛的应用范围。
相对于传统螺杆钻,涡轮钻具有轴向平衡好、横向震动小、耐高温特性优异、对油基钻井液不敏感、所钻井眼质量高、且工作效率稳定和可靠性较高等特点,这使得其在超深井、地热开发等高温条件和坚硬难钻岩层钻进中有着特殊的优越性,尤其是对高温环境下的应用。
虽然耐高温全金属螺杆钻具的研究已取得重大突破,但根据实际试验结果分析,大规模工业化应用还需要在效率、使用寿命和成本等方面做进一步努力。
另外,PDC钻头、孕镶金刚石钻头和高速牙轮钻头等多种钻头的研制,也极大地推动了涡轮钻井技术的进步发展。
匹配合适钻头类型的涡轮钻具可以有效应对各类复杂的地质条件,提升钻井效基金项目:2021年广东省海洋经济发展(海洋六大产业)专项资金项目(粤自然资合[2021]043号),某船设计建造关键技术研究涡轮钻具发展趋势黄芳飞1,2 常友君3 孙明远1 于亮11. 广州海洋地质调查局 广州 5100752. 中国石油大学(北京) 北京 1022493.中海油田服务股份有限公司湛江作业公司 湛江 524000摘要:涡轮钻具因其耐高温、高转速的特性,使其在高温和硬岩土壤地层的钻井工程中起到了关键的作用,已成为目前高温高压油气井钻井领域中的研究重点之一。
涡轮钻具涡轮叶片设计及水力性能仿真优化研究
涡轮钻具涡轮叶片设计及水力性能仿真优化研究涡轮钻具是高温或深孔地质钻探施工的必备工具,其在石油系统中的研究与应用得到了长足的发展,在取心及地质钻探中的应用相对较少,俄罗斯及北美在涡轮钻具技术上具有领先地位,对地质用涡轮钻具的研究为解决我国大陆科学深钻、地壳探测工程、高温地热资源勘探等国家重大工程深部钻进面临的高温高压问题有着重大意义。
在涡轮钻具的研究中,其性能的高低主要取决于涡轮叶片的水力性能,而其最关键的环节就是涡轮叶片的型线设计;在涡轮叶片型线设计中,叶片的叶背叶盆的型线选择直接影响着涡轮钻具的水力性能。
本文首先分析了涡轮叶片型线对液流流动参数的影响,认为影响涡轮性能的主要因素是叶片型线上局部存在不连续的曲率,为了减少水力损失,在叶片设计时选取叶片压力面和吸力面型线为具有连续三阶导数的单型线;其次,通过推导叶片型线与几何参数关系、定量求解方法和叶片型线检验要求,提出用五次多项式构造叶片型线,基于以上推论,采用SolidWorks三维造型软件设计出了地质钻探用的φ127涡轮钻具叶片,给出了叶片、涡轮节三维模型,结合计算机辅助设计可以很好的优化涡轮叶片形状,改进涡轮性能,大幅度提高了设计质量和总效率。
最后,论文将三维实体建模导入ANSYS CFD模块,通过CFD前置处理器等工具真实、准确地建立涡轮定、转子的单周期跨叶片流道计算模型,详细介绍了边界条件的设置方法。
通过这种方法可以很好地对叶片叶型进行优化。
论文中还模拟出优化设计后的涡轮叶片在不同流量、不同粘度下的速度场和压力场分布,证实了通过应用CFD技术可以快速、有效、准确地对涡轮定、转子叶片的流场进行分析。
此外,对不同流量下涡轮钻具的水力性能进行了预测。
涡轮钻具用碟形弹簧的实验和有限元分析
涡轮钻具用碟形弹簧的实验和有限元分析涡轮钻具是一种广泛应用于石油勘探和开采领域的工具,其作用是在井下钻探过程中,将旋转动能转化为钻进能量,从而切削地层岩石。
在这个过程中,涡轮钻具的稳定性和工作效率至关重要。
因此,为了提高涡轮钻具的性能,需要针对其中的关键部件——碟形弹簧进行实验和有限元分析。
碟形弹簧是涡轮钻具最常用的振动控制元件之一。
它由若干个金属薄片组成,可以在一定范围内产生弹性变形。
由于碟形弹簧的变形受到外界载荷的影响,其变形行为需要在实验中加以验证。
一般采用弯曲载荷的方法对碟形弹簧进行测试,通过不同加载下的弹性变形情况以了解其变形特性。
在实验中,先对碟形弹簧进行加热,并用卡尺测量其初始直径和厚度等尺寸参数。
然后将它放置在弯曲夹具上,施加不同的载荷,测量其变形量。
通过实验数据的处理和分析,可以得到碟形弹簧在弯曲载荷下的切线刚度、剪切刚度和总刚度等重要参数。
这些参数可以被用来优化涡轮钻具的结构设计,并提高其振动控制效果。
然而,仅依靠实验数据有时无法明确碟形弹簧的变形行为。
因此,还需要通过有限元分析来进一步验证实验结果。
有限元分析利用计算机模拟技术,将实际工程问题转化为离散的有限元素问题,求解得到结构的应力、变形和振动等物理量。
在涡轮钻具中,有限元分析可以帮助研究人员定量化评估碟形弹簧的位置、材质和几何形状等关键设计参数的效果,以确定最优解。
因此,实验和有限元分析的结合是提高涡轮钻具质量和性能的一种有效方法。
通过实验和数值模拟相互印证并优化,可以使涡轮钻具的振动控制水平得到提升,从而达到更高的钻进效率和更好的钻进质量。
同时,这种方法也可以为未来工程设计提供经验和指导。
涡轮钻具的稳定性和工作效率取决于其中的关键部件,其中碟形弹簧是最常用的振动控制元件之一。
在实验和分析中,需要收集和分析有关碟形弹簧的多种数据,以进一步优化设计和提高性能。
常用的数据包括:1. 弹簧材料的力学性能数据弹簧材料的力学性能数据对理解其弹性变形行为至关重要。
井下涡轮钻具涡轮叶片造型及优化研究
井下涡轮钻具涡轮叶片造型及优化研究
石油开采过程中,涡轮钻具作为动力单元在各种先进钻采设备和工具中得到了广泛应用和迅速发展。
本文说明了涡轮钻具的常见型式与特征,阐述了涡轮钻具的输出特性,并参考现有涡轮钻具确定了所设计涡轮钻具涡轮的结构模型及参数计算方法。
涡轮钻具的主要部件是涡轮定、转子,作为涡轮钻具的基本动力单元,它们的主要作用是将流体的水力能转化为机械能。
涡轮叶片作为决定涡轮性能的核心部件,对其造型设计是非常重要的。
涡轮叶片的表面为自由曲面,现有涡轮钻具叶片设计方法存在效率低,使用性能差的缺点。
为了提高涡轮叶片的设计效率及其水力性能,以?172mm涡轮钻具为对象,在查阅文献的基础上,综合分析现有的涡轮叶片造型方法,确定选用五次多项式作为叶片叶型的优化设计方法,由此提出了一种满足要求的涡轮叶片参数化模型。
借助于数学工具MATLAB求解得到涡轮叶片叶型方程,然后基于UG创建涡轮叶片及定、转子的三维模型,结合NX Flow对模型的水力性能进行CFD分析,得到了在额定流量条件下涡轮内流场压力和速度分布规律,对各工况条件下的涡轮叶片水力性能进行分析,后与试验数据分析对比,验证了本文涡轮叶片设计方法的有效性。
通过CFD分析,很好的将不同工况下的涡轮钻具水力性能展现了出来,对涡轮叶片的优化设计具有指导作用。
涡轮钻具叶片型线设计及流场模拟分析研究
涡轮钻具叶片型线设计及流场模拟分析研究赵洪波;刘宝林;王建强;王瑜【摘要】The shape of turbine blade has great impact on the performanceof turbodrills.Take the example of turbodrill with diameter of 127 mm for geological drill;it is proposed to determine the configuration of the blade by quintic polynomi-al.Solidworks 3D modeling software was used in drawing three-dimensional model of the turbine blades.ANSYS FLOTRAN CFD was imported into the model, and hydraulic performances of the turbine blades under different viscosity were analyzed. From this simulation, abundant data of internal flow field have been obtained.Under CFD analysis, it confirms that the de-fects and hydraulic performance of turbodrill under different conditions are well demonstrated, which has guiding role for prediction of blade hydraulic performance.% 涡轮叶片的型线设计对涡轮钻具的性能影响很大。
涡轮钻具性能的系统分析
涡轮钻具性能的系统分析
吕苗荣
【期刊名称】《石油天然气学报》
【年(卷),期】1997(000)003
【摘要】在考虑到涡轮钻进是一个复杂动态钻井过程的条件下,根据已有的钻井水力学、PDC钻头钻速和磨损方程,结合涡轮钻具的特性规律,建立了“涡轮钻具+PDC钻头”的钻进过程数学模型。
以进尺成本为目标函数,推导得到了将钻头水力参数优选与钻压、转速优选结合在一起进行的、涡轮钻具最优化问题目标函数的表达式及相应的约束条件;并通过编制的软件,实现了涡轮钻井参数的优选。
通过对18种涡轮,在4个不同地层优选结果的比较和分
【总页数】1页(P56)
【作者】吕苗荣
【作者单位】江汉石油学院石油工程系
【正文语种】中文
【中图分类】TE921
【相关文献】
1.轴向间隙对(O)89 mm涡轮钻具性能的影响分析
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4.基于儒可夫斯基变换的涡轮钻具叶片设计及性能分析
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, 依据
, 然后选择
适合的型线和构造 方 法 设 计 叶 片 吸 力 面 和 压 力 面 。 其叶片型线主要通过影响叶片表面附近的速度和压 希望叶片表面的 力分布来改变跨叶 片 流 道 内 流 场 , 速度和压力分布平 滑 变 化 , 相应要求沿叶片表面具
7] 。 有Βιβλιοθήκη 续的曲率导数 [三元流动理 论 是 近 1 0a 来 在 国 内 迅 速 发 展 起 被广泛引入到水轮机 、 来的一种三元流场计算方法 ,
1 0] 个要求 。 长江 大 学 的 忽 晓 东 等 [ 利用 B e z i e r曲 线
。近2 涡轮 0a 来 ,
钻具在我国的发展 十 分 迅 速 , 尤其在影响涡轮钻具 整体效率的水力设计与分析方法上取得了丰富的研 究成果 。 1. 1 建模一般原则 在进 行 叶 片 造 型 时 , 首先根据涡轮钻具设计参 数和 叶 轮 机 械 工 作 理 论 计 算 确 定 流 动 参 数 经验数据和公式确定叶片的几何参数
[ ] 5 6 - [ 4]
对某型号的涡轮叶 片 进 行 设 计 , 并采用计算机编程 作图 ; 分析发现 , 这种曲线叶片满足一些涡轮叶片设 计经验公式 , 并且该型线曲率变化连续 , 未出现曲率 突变的情况 , 证明了此理论方法的可靠性 , 具有一定 实用价值 。
1. 2. 3 采用三元流动进行计算分析和改进设计
2 0 1 2年 第4 1卷 第3期 第4页 ( ) 文章编号 : 1 0 0 1 3 4 8 2 2 0 1 2 0 3 0 0 0 4 0 4 - - -
石 油 矿 场 机 械 O I L F I E L D E U I PME N T Q
( ) : 2 0 1 2, 4 1 3 4~7
等: 涡轮钻具水力设计与分析方法应用现状研究 1 卷 第 3 期 姚坚毅 , 第4
·5·
1 2] 1 3] 。 曹朝霞等 [ 际[ 根据叶轮机械三元流动的普遍
1. 2 建模新方法
1. 2. 1 四阶样条和高阶多项式构造线型
在构造涡轮钻具满足几何参数要求的叶片型线 时, 四阶样条和 高 阶 多 项 式 是 主 要 选 择 对 象 。 四 阶 样条和高阶多项式构造线型的最大优点是叶片表面 具有连续曲率导数 , 叶片压力面和吸力面型线为单 保证了涡轮叶片的水力效率 型线而不是组合型 线 , 和涡轮性能 , 减少相应的水力损失 。 冯进
1 涡轮钻具叶型理论研究现状
“ 七 五 ”期 间 , 为 适 应 石 油 勘 探 开 发 的 需 要, 我 国开始重点研究开 发 适 用 深 井 直 井 、 定向井和丛式
2 0 1 1 0 9 2 3 * 收稿日期 : - - ( ) ; 国家国际合作项目 “ 万米深孔高温高压取心涡轮钻具及其应用技术 ” 国家深部探测专 项 课 2 0 1 0 D F R 7 0 9 2 0 基金项目 : ( ) 科学超深井钻探技术方案预研究 ” 题“ 2 0 1 0 1 1 0 6 3 , 姚坚毅 ( 男, 安徽黄山人 , 硕士研究生 , 主要从事钻探 、 钻井工具研究 。 1 9 8 8 作者简介 : -)
A l i c a t i o n a n d D e v e l o m e n t o f t h e H d r o d n a m i c P e r f o r m a n c e f o r T u r b i n e D r i l l p p p y y
[ 8]
理论和涡轮钻具叶 轮 具 体 边 界 问 题 , 建立了三元流 动计算的数学模型 , 推导出了适用于叶轮机械三元 将三元流动计算流函数法 流动计算的流函数 方 程 , 成功运用于涡轮钻 具 叶 栅 的 数 值 计 算 ; 通过计算机 编程对几种涡轮钻具实例进行了数值计算和流动分 析, 指 出 其 中 的 缺 陷 和 不 足, 并由相关试验得以 证明 。
[ 1] , 适用于 深 井 、 超深井和高温高压井的钻 3 0 0 ℃) 井作业 。 随着我国油气勘探 、 地球深部探测向深井 、
涡轮叶栅叶型设计是涡轮钻具水力设计和开发的关
2] , 键技术 [ 通过流场的优化设计 , 以达到涡轮叶 片水
力效率的最大化 。
超深井方 向 发 展 , 涡 轮 钻 具 具 有 良 好 的 应 用 前 景。 涡轮钻具中的主要部件是由定子和转子组成的涡轮 副, 其水力性能决定了涡轮钻具的输出特性 。 因此 ,
, , i YAO J i a n L I U B a o l i n WANG Y u -y -
( C h i n a N a t i o n a l L a b o n G e o l o i c a l S u e r- d e e W e l l D r i l l i n C h i n a g p p g, , U n i v e r s i t o G e o s c i e n c e s( B e i i n B e i i n 0 0 0 8 3, C h i n a) y f j g) j g1
1 1] 。这种计算方法突破了 水泵等水 力 机 械 设 计 中 [
采用三维坐标系模 以前采用的二元坐 标 模 拟 手 段 , 拟质点运动轨迹随 时 间 的 变 化 规 律 , 考虑了液体在 流动时因流速的不同和液体的粘滞性产生的内摩擦 采用射流尾迹三元流动理论 , 把叶轮内部无限分 力; 割, 通过对 叶 轮 流 道 内 各 工 作 点 的 分 析 , 建立起完 整、 真实的叶轮数学模型 ; 这一方法可以把叶轮做得 更准确 , 不仅 反 映 了 流 体 的 流 态, 流速也更接近实
涡轮钻具水力设计与分析方法应用现状研究
姚坚毅 , 刘宝林 , 王 瑜
*
( ) 中国地质大学 ( 北京 )地质超深钻探技术国家专业实验室 , 北京 1 0 0 0 8 3
摘要 : 涡轮钻具是一种重要的钻井工具 , 涡轮叶型线特征是其水力性能设计与分析的关键因素 。 在 分析涡轮钻具水力工作原理的基础上 , 研究了涡轮钻具水力性能设计研究现状 , 详细比较分析了涡 轮钻具水力性能设计的理论方法 、 计算机建模与仿真及水力性能 试 验 分 析 方 面 的 研 究 现 状 与 发 展 提出了计算机辅助设计及理论分析 。 与试验修正相结合 的 综 合 研 究 方 法 是 涡 轮 钻 具 水 力 性 水平 , 能设计与分析的重要方法 , 对涡轮钻具水力部件的主要问题与发展趋势进行了展望 , 为涡轮钻具的 水力设计提供参考 。 关键词 : 钻井 ; 涡轮钻具 ; 水力性能 ; 计算机模拟 ; 发展趋势 中图分类号 : T E 9 2 1. 2 文献标识码 : A
: A b s t r a c t T u r b i n e d r i l l i s a k e d r i l l i n t o o l t o d e v e l o m e n t t h e s u e r d e e w e l l a n d HTHP w e l l . - y g p p p f e a t u r e o f t u r b i n e b l a d e i s a k e f a c t o r o n t h e d e s i n a n d a n a l s i s o f h d r o d n a m i c T h e r o f i l e y g y y y p e r f o r m a n c e s . T h e d e v e l o m e n t s t a t u s o f h d r o d n a m i c o n t u r b i n e d r i l l w a s s t u d i e d e r f o r m a n c e p p y y p , , , i n a e r . T h e t h e d e s i n t h e o r e t i c a l m e t h o d sm o d e lc o m u t e r s i m u l a t i o na n d e x e r i m e n t a l m e t h - p p g p p , o d s w e r e a l s o a n a l z e d a n d c o m a r e d d e e l . T h e c o m b i n a t i o n o f t h e o r e t i c a l a n a l s i s c o m u t e r a i - - y p p y y p d e d d e s i n a n d e x e r i m e n t a l t e s t i f w a s a n e f f e c t i v e m e t h o d s t o s t u d t h e h d r o d n a m i c e r f o r m - g p y y y y p a n c e o f t u r b i n e d r i l l . T h e m a i n a n d d e v e l o m e n t t r e n d o f t h e h d r o d n a m i c c o m o n e n t s r o b l e m p y y p p o f t u r b i n e d r i l l w e r e a l s o d i s c u s s e d . : ; ; ; ; K e w o r d s d r i l l i n t u r b i n e d r i l l h d r o d n a m i c c o m u t e r s i m u l a t i o n d e v e l o m e n t t r e n d e r f o r m a n c e g y y p p p y 其最大 涡轮钻具是一 种 重 要 的 井 下 动 力 钻 具 , 优点 是 不 含 橡 胶 件 、 耐高温( 工作温度可达2 5 0~