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粒子冲击钻井中粒子流动特性的数值模拟及相关试验研究

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摘要

符号说明

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景及提出

1.1.1 钻井技术的发展现状

1.1.2 国内外粒子冲击钻井技术的研究现状

1.1.3 课题的提出

1.2 计算流体力学简述

1.2.1 计算流体力学发展现状

1.2.2 FLUENT软件简述

1.3 磨损的概述

1.3.1 磨损的发展现状

1.3.2 冲蚀磨料磨损的相关理论

1.4 课题的研究意义和内容

1.4.1 课题的研究意义

1.4.2 课题的研究内容

第二章 粒子环空返流数值模拟

2.1 粒子环空返流理论分析

2.1.1 粒子环空返流理论模型

2.1.2 环空间距和粒子直径对携带速度的影响

2.2 粒子环空返流模拟

2.2.1 模型建立及网格划分

2.2.2 计算模型选择和边界条件确定

2.2.3 数值模拟结果

2.3 粒子环空返流量纲分析

2.3.1 钻井液携带粒子由钻杆到达井底量纲分析

2.3.2 钻井液携带粒子由井底返回地面量纲分析

2.3.3 模拟结果分析

2.4 本章小结

第三章 粒子环空返流的试验研究

3.1 试验方案及试验台的搭建

3.1.1 试验选购主要设备

3.1.2 试验设计加工主要部件

3.1.3 搭建的试验台

3.2 试验工作方式及步骤

3.2.1 试验工作方式

3.2.2 试验步骤

3.3 试验结果分析

3.3.1 试验所得结果

3.3.2 试验结果研究分析

3.4 试验与模拟结果对比分析

3.5 本章小结

第四章 粒子对钻杆磨损的试验研究

4.1 粒子对钻杆磨损理论分析

4.1.1 粒子对钻杆磨损的影响因素

4.1.2 粒子对钻杆磨损机理分析

4.2 磨损试验方案及试验台搭建

4.2.1 磨损试验方案设计

4.2.2 磨损试验台搭建

4.3 磨损试验工作方式及步骤

4.3.1 试验工作方式

4.3.2 试验步骤

4.4 试验结果分析

4.5 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师简介

硕士研究生学位论文答辩委员会决议书

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摘要

粒子冲击钻井技术作为专门针对深井硬质地层钻探的新型钻井技术,由于其自身的优点,近些年的研究发展非常迅速。在粒子冲击钻井技术中,球形钢质粒子(以下简称“粒子”)能否随钻井液从井筒底部成功上返及上返的相关规律是决定该技术可行性的重要因素,同时钻井液携带粒子流动过程中粒子对钻杆冲蚀磨损程度是否会直接影响该系统的使用寿命也是值得研究的问题。本文首先通过模拟和试验研究了粒子在环空中上返相关规律问题,并借助量纲分析理论建立数学模型,描述了环空间隙和流体临界上返速度之间的关系,然后利用试验研究了粒子对钻杆的磨损情况。
   本文研究主要采用模拟和试验两个方法,模拟采用的是FLUENT软件,试验所用试验台为自主设计搭建。
   针对粒子环空返流问题,利用软件模拟了清水和四种不同黏度的泥浆携带粒子分别在不同环形空间上返,根据模拟的粒子体积分数图和速度矢量图确定出环空中流体临界上返速度,并结合量纲分析方法推导出环空间隙和粒子粒径比(以下简称“间隙粒径比”)与粒子雷诺数、间隙粒径比与粒子弗劳德数、环空间隙与临界上返速度三个经验公式。由公式可知,随着间隙粒径比逐渐增大,粒子雷诺数和粒子弗劳德数渐渐减小,而且随着环空间隙逐渐增大,临界上返速度逐渐减小。
   试验研究了粒子环空返流和粒子对钻杆冲蚀磨损两个问题。在粒子环空返流试验中,通过观察测出清水携带粒子分别在不同环形空间成功上返时清水的临界上返流量,并结合量纲分析方法推导出间隙粒径比与粒子雷诺数、间隙粒径比与粒子弗劳德数、环空间隙与临界上返速度三个经验公式。由公式可知,随着间隙粒径比逐渐增大,粒子雷诺数和粒子弗劳德数渐渐减小,而且随着环空间隙逐渐增大,临界上返速度逐渐减小,并且通过与模拟结果的分析对比,进而用试验验证了模拟。在钻杆磨损试验中,利用电子秤称出粒子对三种不同形状钻杆冲蚀相同时间三种钻杆的质量变化,并求出钻杆单位长度磨损量。由磨损量结果得知,三种钻杆单位长度磨损量随着冲蚀时间的增加而逐渐增大,但是三种钻杆粒子对其的磨损量都很小,可忽略不计。

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